CN106596347A - 基于等流时线法不透水地表径流污染物冲刷效率测定方法 - Google Patents

Abstract

基于等流时线法不透水地表径流污染物冲刷效率测定方法，属于市政工程和环境监测的交叉领域。该发明在地表径流污染物监测的基础上通过对研究区域进行概化，确定以单位时间作为分割点确定径流速度、划分等流时线、确定等流时面积；其次根据等流时线绘出出水口流量过程线，将每一时间段内监测的地表径流污染物浓度C_t减去天然降雨的浓度C₀后与对应的流量Q_t相乘获得这一时段内污染物负荷量M_t；接着将各时段径流污染负荷的进行累加得到总负荷量∑M，将∑M与雨前地表清扫物的污染负荷量M进行比较得到δ值；最后通过多场降雨得到δ的取值范围，再将δ反推估算未来某场降雨形成的地表径流污染物负荷∑M的大小范围。该方法简单易懂，并得到应用和验证。

Description

基于等流时线法不透水地表径流污染物冲刷效率测定方法

技术领域

本发明涉及基于等流时线法不透水地表径流污染物冲刷效率测定方法，属于市政工程技术和环境工程监测技术的交叉领域。

背景技术

随着城市化水平的不断加快，导致城市不透水地表面积的增加，城市热岛效应的形成，加之全球气候变暖，使得短历时强降雨频率的增加，容易导致城市内涝的发生，如2012年北京7·21事件、2015年南方大面积内涝，伴随城市内涝的发生致使地表径流污染物的形成，尤其是当不透水地表污染物经冲刷流落到城市的各个角落时给城市环境卫生造成了严重的危害，当形成径流通过城市管渠进入河湖容易造成水体的富营养化，据研究发现地表降雨径流污染已经是除工业污染、农业污染以外的第三大污染源。

地表径流污染物除了大气干湿沉降外主要来源于地表的累积，由于人类活动造成地表累积污染物的指标复杂，造成水体污染严重的常见污染物的指标有SS、COD、TN、TP和NH₄-N。目前我国对地表径流污染物的研究已从传统的定性研究开始向模型的概化研究转变，主要通过计算机模型软件模拟地表污染物的迁移过程，从而计算出污染物在一次降雨中的冲刷量，但由于目前大部分计算机模型如SWMM水质模型是根据国外的环境特点、气候特点设计的，造成参数上与我国具有差异性，无法真实地反映污染的冲刷过程，同时不同降雨强度对地表的冲刷能力也不同，得到的污染物的浓度也就有差异，从而使得冲刷效率不同，对地表冲刷能力的核算也具有影响

发明内容

针对上述问题，本发明涉及基于等流时线法不透水地表径流污染物冲刷效率测定方法，属于市政工程技术和环境工程监测技术的交叉领域。该发明在地表径流污染物监测的基础上通过对研究区域进行概化，运用数学理论模型进行分布研究，首先确定研究区域下垫面类型(N)、汇水面积(A)、平均坡度(S)和地面流行距离(L)等参数，通过经验公式计算出汇流时间t_c，根据地形特点以单位时间作为分割点确定径流速度、划分等流时线、确定等流时面积；其次根据等流时线绘出出水口流量过程线，将每一时间段内监测的地表径流污染物浓度C_t减去天然降雨的浓度C₀后与对应的流量Q_t相乘获得这一时段内污染物负荷量M_t；接着将各时段径流污染负荷的进行累加得到总负荷量∑M，将∑M与雨前清扫物的污染负荷量M比较得到δ值；最后通过多场降雨得到δ的取值范围，再将δ反推估算未来某场降雨形成的地表径流污染物负荷∑M的大小范围。

1.基于等流时线法不透水地表径流污染物冲刷效率测定方法，其特征在于步骤如下：

(1)根据等流时线法得到各时刻下出水口流量，将出水口流量和对应浓度进行相乘得到径流污染物负荷总量∑M:

式中Q_t表示第t时刻出水口的流量；C_t表示t时刻时段出水口污染物的浓度；C_o表示天然降雨水质浓度；∑M表示研究区域径流污染物负荷总量，n表示降雨场次；

(2)接着将雨前清扫样品的污染物负荷量M同研究区域污染物的冲刷量(∑M)进行比较,得到冲刷效率δ值，即：

其中δ表示一场降雨地表污染物的冲刷效率；

(3)最后通过n场降雨次数获得n个冲刷效率数值δ_i，其中i＝1、2、3、…、n，，δ＝(minδ_i,maxδ_j)；i,j∈(1，n)

通过降雨前地表清扫物的含量预测每场降雨形成的地表径流污染负荷量∑M的取值范围：

∑M＝(minδ_i,maxδ_j)×M (3)

式中M表示未来某场降雨前地表清扫物的污染负荷量；minδ_i表示前n场降雨中冲刷效率最小的值；maxδ_j表示前n场降雨中冲刷效率最大的值；i,j∈(1，n)。

附图说明

图1流域等流时线示意图

图2不同净雨历时情况下的径流过程；

图3技术流程图。

具体实施方式

(1)针对不透水地表污染物冲刷负荷效率的测定方面研究，目前还没有专门的研究，该方法简单易懂，适合城市大小流域的研究；

(2)等流时线法属于水文学中常用的数学模型，应用广泛，具有科学性和实用性。本发明属于首次运用到水质模型理论中，为定量研究地表径流污染物负荷量具有重要意义。

基于等流时线法不透水地表径流污染物冲刷效率测定方法，其特征在于：所述方法具体步骤如下：

雨前工作：

(1)确定研究区域的范围，统计出研究区域各不透水地表的面积大小以及其所占总面积比例；

(2)根据研究区域下垫面类型N、汇水面积A、平均坡度S和地面流行距离L计算出汇流时间t_c，接着根据下垫面坡度以及单位时间△t绘制等流时线，并确定等流时面积(f₁、f₂、f₃、f₄…f_m)，见图1；

(3)降雨前将不同下垫面按其面积比例清扫出不同比例面积的地面沉积物样品，通常采用长和宽为1m的正方形的塑料采集器，将在同一下垫面下雨前清扫出的样品一起溶解于1L的容器中加蒸馏水浸泡24小时后进行检测，将检测的各污染物指标转化成质量化即“mg/m²”，最后将各不同垫面下采集到的各污染物的质量通过加权平均法求出单位面积的平均质量，接着乘以研究区域的面积，从而知道雨前总研究区域的各污染物的质量M。

雨中工作：

(4)降雨时在研究区域出水口收集地表径流样品，在前一小时以内每隔5分钟收集一次，超出一小时之后以每隔20分钟收集一次，直到降雨结束，在收集完的径流水样应该在24小时之内完成检测，同时在研究区域安装一台雨量计，记录降雨强度，获取每分钟降雨量。当研究区域有两个或者多个出水口时，应对研究区域的汇流面积按照实际坡度和水流方向进行分解，再重复(2)(3)步骤；

雨后工作：

(5)根据记录的每分钟降雨量采用等流时线法绘制出水口的流量Q_t(t＝1、2、3、4、5…)，将每一时间段内监测的地表径流污染物浓度C_t(t＝1、2、3、4、5…)减去天然降雨的浓度C₀后与对应的流量Q_t相乘获得这一时段内污染物负荷量M_t，再将各时段污染物的量进行累加，即为研究区域径流污染物的负荷总量

根据图2中a、b和c三种不同情况下的降雨情况

1)当t_c<τ时(t_c表示净雨历时，τ表示流域汇流时间)

以图2(a)所示，假设一次均匀净雨的历史t_c＝△t(h)；净雨深为h(mm)；净雨强度i＝h/△t(mm/h)。

式中K——单位换算系数，当流量Q以m³/s计，h以mm计，f以km²计，如△t以小时计时，则K＝0.278；如△t以min计时，则K＝16.7；f₁表示第1个等流时面积；h表示降雨强度；Q₁表示第1时刻出水口的流量；Q_t表示降雨时间t时刻下的出水口流量；C_t表示t时刻时段出水口污染物的浓度；C_O表示天然降雨水质浓度；∑M表示研究区域径流污染物负荷总量；

2)当t_c＝τ时(t_c表示净雨历时，τ表示流域汇流时间)

以图2(b)所示，当t_c＝4△t

3)当t_c>τ时(t_c表示净雨历时，τ表示流域汇流时间)

如图2(c)所示，假设一次均匀净雨历时t_c＝5△t，洪峰流量Qm由全部流域面积F上的部分净雨汇集而成，Qm的数值与t_c＝τ时求得的洪峰流量相同，只是它多延续了一个t_c-τ＝△t的时段，从而使图2(c)所示的径流过程线呈梯形形状。

综合1)、2)和3)三种根据实际降雨情况对照选择，最后将流量和对应浓度进行相乘得到径流污染物负荷总量∑M:

式中Q_t表示第t时刻出水口的流量；C_t表示t时刻时段出水口污染物的浓度；C_O表示天然降雨水质浓度；∑M表示研究区域径流污染物负荷总量；

(6)最后将雨前清扫样品的污染物负荷量M同研究区域污染物的冲刷量(∑M)进行比较,得到冲刷效率δ值，即：

其中δ表示一场降雨地表污染物的冲刷效率。

(7)通过n场降雨次数获得n个冲刷效率数值δ_i(i＝1、2、3、…、n，这里n建议最少取到10，即有十场及以上降雨场次可保证冲刷效率取值范围的准确性)，δ＝(minδ_i,maxδ_j)；i,j∈(1，n)

通过降雨前后地表清扫物的含量可预测每场降雨形成的地表径流污染负荷量∑M的取值范围：

∑M＝(minδ_i,maxδ_j)×M (9)

式中M表示未来某场降雨前地表清扫物的污染负荷量minδ_i表示前n场降雨中冲刷效率最小的值；maxδ_j表示前n场降雨中冲刷效率最大的值；i,j∈(1，n)。

该方法是基于水文模型等流时线法提出的，模型简单易懂，在2016年北京工业大学实验室某区域污染物研究方面得到应用和验证，效果良好。

Claims (1)

1.基于等流时线法不透水地表径流污染物冲刷效率测定方法，其特征在于步骤如下：

(1)根据等流时线法得到各时刻下出水口流量，将出水口流量和对应浓度进行相乘得到径流污染物负荷总量∑M:

$\&Sigma;M=\underset{t=1}{\overset{n}{\&Sigma;}}{M}_t=\underset{t=1}{\overset{n}{\&Sigma;}}(C_t-C_o)Q_t---\left(1\right)$

式中Q_t表示第t时刻出水口的流量；C_t表示t时刻时段出水口污染物的浓度；C_o表示天然降雨水质浓度；∑M表示研究区域径流污染物负荷总量，n表示降雨场次；

(2)接着将雨前清扫样品的污染物负荷量M同研究区域污染物的冲刷量(∑M)进行比较,得到冲刷效率δ值，即：

$\mathrm{\&delta;}=\frac{\mathrm{\&Sigma;}M}{M}---\left(2\right)$

其中δ表示一场降雨地表污染物的冲刷效率；

(3)最后通过n场降雨次数获得n个冲刷效率数值δ_i，其中i＝1、2、3、…、n，，δ＝(minδ_i,maxδ_j)；i,j∈(1，n)

通过降雨前地表清扫物的含量预测每场降雨形成的地表径流污染负荷量∑M的取值范围：

∑M＝(minδ_i,maxδ_j)×M (3)

式中M表示未来某场降雨前地表清扫物的污染负荷量；minδ_i表示前n场降雨中冲刷效率最小的值；maxδ_j表示前n场降雨中冲刷效率最大的值；i,j∈(1，n)。