CN106682271B - 一种确定swmm水质冲刷模型参数的方法 - Google Patents

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Abstract

一种确定SWMM水质冲刷模型参数的方法，属于市政工程、环境工程等交叉领域。首先通过地表径流采样装置获取地表径流水样，在相同间隔时间段下获取不同时刻的地表径流水样并检测其污染物浓度值Wt，再由记录t时刻下的降雨强度值qt；结合旱天采集的地表沉积物检测得到污染物沉积负荷量值，由单位面积污染物沉积量初始值在t时刻下冲刷消减得到剩下污染物累积量Bt，将一场雨中不同时刻下的Bt、Wt和qt值代入指数冲刷函数公式；excel绘出各散点，并添加趋势图和趋势函数，从趋势函数公式中获得确定S1和S2的值。通过将工程实际监测结果和模型模拟结果进行对比发现，水质参数获取的正确性，说明该套方法具有科学性和实用价值。

Description

一种确定SWMM水质冲刷模型参数的方法
技术领域
本发明涉及一种确定SWMM水质冲刷模型参数的方法，属于市政工程、环境工程、海绵城市建设和计算机模型软件参数确定的交叉领域。
背景技术
SWMM(Storm Water Management Model)又称暴雨洪水管理模型是美国环境保护署开发的一款动态的降水-径流模拟模型，除了用于模拟城市某一单一降水事件或长期的水量也可以用于水质模拟。其径流模块部分综合处理各子流域所发生的降水，径流和污染负荷。其汇流模块部分则通过管网、渠道、蓄水和处理设施、水泵、调节闸等进行水量传输。该模型可以跟踪模拟不同时间步长任意时刻每个子流域所产生径流的水质和水量，以及每个管道和河道中水的流量、水深及水质等情况。
SWMM模型可以动态的模拟降雨径流，但在模拟水流水质的单一或者连续方面较为常用，即城市面源污染的研究方面，该模型是模拟评估使得面源污染负荷有效降低的最佳管理措施(BMPs)。在美国、加拿大和欧洲等国家，该模型都被用来解决当地的排水的水量和水质问题，在分析有关防止雨污合流制管道的溢流情况、城市大降水管理规划以及降低污染负荷方面时，该模型都能得到较好的模拟效果。在我国随着海绵城市建设的推广，城市生态系统的规划，借助计算机模型可以反映城市地表径流水质的运移情况，在添加LID措施的作用下通过对SWMM模型水质参数的设定预测海绵城市建设后的水质情况，从而反映LID措施在海绵城市规划建设中的效果。
SWMM模型参数是美国环保署根据美国的土地利用类型、地表污染状况以及环境质量等因素确定的，其使用上具有局限性。由地形和城市生活环境的差异性，其参数所具有的局限性导致无法直接在我国城市地表径流水质中进行模拟和使用。目前在国内SWMM水质模型的使用上，多数照搬国外SWMM模型手册上的参数，没有适合我国国情的一套参数，同时也没有一套关于SWMM水质参数的率定方法。本专利旨在提供一套根据我国国情确定SWMM水质冲刷模型参数W为污染物浓度(mg/L)；B为单位面积污染物沉积量(kg/104m2)；参数S1为冲刷系数、S2为冲刷指数；参数q为单位面积径流量(mm/h)；累积模型中C1为最大增长可能和C2为增长速率常数等参数的方法。在原有的SWMM水质模型的基础上对其进行继承和改进，并提出一套完整的测定方法，分别为：《一种直接获得SWMM水质模型中参数W的方法》、《一种确定SWMM软件中地表径流污染物参数W的方法》、《一种确定SWMM中含不同下垫面地表径流污染物参数W的方法》、《一种受大气污染影响自然降雨水质参数W1的确定方法》、《一种无大气影响下SWMM中地表径流水质参数W0的确定方法》、《一种直接获得SWMM水质模型参数B的方法》、《一种确定SWMM软件中累积参数确定的方法》、《一种确定SWMM水质冲刷模型参数的方法》，共计八个测定方法。
由于受地域环境的影响，地表径流冲刷模型参数S1、S2除了受地表沉积物影响之外还与受大气影响的天然降雨污染物的影响，通过对原有SWMM冲刷模型参数S1和S2进行率定，以提高SWMM水质模型在区域性中准确率，为实现实际工程模拟的所需。通过将工程实际监测结果和模型模拟结果进行对比发现，水质参数获取的正确性，说明该套方法具有科学性和实用价值。
发明内容
本发明为提高SWMM软件在降雨径流水质模拟中的精度，提供一种水质参数的确定方法。
SWMM软件中冲刷参数的确定是制约SWMM软件在降雨径流水质模拟中的关键因素。SWMM软件中冲刷过程包括时间平均浓度(EMC)、性能曲线和指数模型。其中指数模型(见式(1))受到大家普遍关注，该模型中冲刷系数S1和冲刷指数S2是该模型应用的关键，本发明意在对S1和S2参数的率定提供一种确定方法。
1.一种确定SWMM水质冲刷模型参数的方法，其特征在于步骤如下；
首先通过地表径流采样装置获取地表径流水样，在相同间隔时间段下获取不同时刻的地表径流水样并检测其污染物浓度值Wt，再由记录t时刻下的降雨强度值qt；结合旱天采集的地表沉积物检测得到污染物沉积负荷量值，由单位面积污染物沉积量初始值在t时刻下冲刷消减得到剩下污染物累积量Bt，最后将一场雨中不同时刻下的Bt、Wt和qt值代入指数冲刷函数公式
Figure BDA0001170509950000021
式中：B为单位面积污染物沉积量(kg/104m2)；W为污染物浓度(mg/L)；S1为冲刷系数；S2为冲刷指数；q为单位面积径流量(mm/h)；用excel绘出各散点，并添加趋势图和趋势函数，从而从趋势函数公式中获得确定S1和S2的值。
进一步，其特征在于，通过对地表径流污染物的和地表沉积污染物进行研究，对单一下垫面的SWMM水质冲刷模型参数S1和S2进行确定，或者对多个不同类型的下垫面SWMM水质冲刷模型参数S1和S2进行确定。
进一步，其特征在于，
Figure BDA0001170509950000031
式中：B为单位面积污染物沉积量(kg/104m2)；C为污染物的浓度(mg/L)；V为加入蒸馏水的体积(L)；A为框架取样器面积；
令：
Figure BDA0001170509950000032
式中：△t表示单位间隔时间；Bt为在第t时刻下单位面积污染物负荷量(kg/104m2)；Bn为在第n时刻下单位面积污染物负荷量(kg/104m2)；Qt为第t时刻径流量，m3/s；Qn-1为第n-1时刻径流量，(m3/s)；Wt为第t时刻下的污染物浓度值(mg/L)；W n-1为第n-1时刻下的污染物浓度值(mg/L)
根据水质模型公式(1)对其进行变形得：
Figure BDA0001170509950000033
令
Figure BDA0001170509950000034
得
Figure BDA0001170509950000035
根据单位面积沉积物Bt和降雨径流污染物监测浓度Wt确定Kt值，得：
Figure BDA0001170509950000036
根据不同降雨时刻下的位面积径流量qt、第t时刻下单位面积污染物负荷量Bt和降雨径流污染物Wt的数值得到一系列对应点的值，在Excel中根据对应点绘制出散点图，再根据散点图添加指数函数趋势线及公式，得到
Figure BDA0001170509950000037
其中k1＝S1，k2＝S2，从而获知S1和S2值的大小。
本发明收集器的优势：
(1)通过实际地表径流水质监测数据解决SWMM软件中水质参数的确定问题；
(2)将大气污染物和地表沉积污染物合并为城市地表径流的污染源，建立新的水质冲刷模型公式；
(3)通过此方法可为不同区域下构建SWMM水质模型，提供S1和S2的获取方法，为防止因地域问题给模型带来的偶然误差。
附图说明
图1离散点拟合曲线图
图2技术路线图
具体实施方式：
首先确定单位面积径流量q值，根据翻斗式雨量记录每时刻的降雨量qt，再将毫米每分钟转化成毫米每小时的降雨量；其次确定污染物浓度W，将地表径流水样在t时段中的某种污染物采用《水和废水监测分析方法》(第四版)进行检测分析获取Wt；再次确定单位面积污染物沉积量B值，通过选取面积为A的框架取样器，每次将采集的样品溶于体积为V的蒸馏水中，通过检测得出一种污染物的浓度C，将C·V得出该污染物指标的质量M，接着将污染物的质量进行单位化则用M/A得到的结果即为初始单位面积污染物的质量B，通过冲刷浓度获取t时刻下单位面积污染物负荷量Bt；最后将qt、Wt和Bt值绘制离散点，通过相关性确定SWMM水质参数S1和S2的值，在多场降雨条件下采用类似方法可获得S1和S2值的取值范围。
首先通过地表径流采样装置获取地表径流水样，需要在相同间隔时间段(Δt＝kmin)下获取不同时刻(t)的地表径流水样并检测其污染物浓度值Wt，再由翻斗式雨量计记录t时刻下的降雨强度值qt；结合旱天采集的地表沉积物检测得到污染物沉积负荷量B值，由B值在t时刻下冲刷消减得到污染物累积量Bt，最后将一场雨中不同时刻下的Bt、Wt和qt值代入指数冲刷函数公式中；并在excel上绘出不同时刻下的各散点，添加趋势图和趋势函数，从而从函数公式中获得确定S1和S2的值。该方法可经过多场降雨来获得S1和S2的取值范围。
1.SWMM的水质模型
SWMM模型中指数冲刷模型由下式表达：
Figure BDA0001170509950000051
式中：B为单位面积污染物沉积量(kg/104m2)；W为污染物浓度(mg/L)；S1为冲刷系数；S2为冲刷指数；q为单位面积径流量(mm/h)。
2.模型参数的率定方法
(1)单位面积径流量q(mm/h)的确定
单位面积径流量q即为降雨强度，根据翻斗式雨量记录每时刻的降雨量qt(q1、q2、q3、…、qn，t＝1、2、3、4、…、n，其中n表示第n次记录降雨量的次数)，再将毫米每分钟转化成毫米每小时的降雨量。
(2)污染物浓度W(mg/L)确定
根据中国环境出版社出版的《水和废水监测分析方法》(第四版)采用国标分析方法对目标地表径流污染物进行检测。
根据不同降雨间隔时间下地表径流水样，经检测获取t时段下的污染物浓度值Wt(W1、W2、W3、W4、…、Wn，t＝1、2、3、4、…、n，其中n表示第n次记录采样次数，它与第n次记录降雨次数相对应)。
(3)单位面积污染物沉积量B(kg/104m2)的确定
选取面积为A的框架取样器，每次将采集的样品溶于体积为V的蒸馏水中，通过检测得出一种污染物的浓度C，将C·V得出该污染物指标的质量M，接着将污染物的质量进行单位化则用M/A得到的结果即为单位面积污染物的质量B，公式(4)，为了防止单个取样点的选取具有偶然性，可同一个下垫面下取得的三个平行样的平均污染物单位负荷量。
Figure BDA0001170509950000052
式中：B为沉积物的质量(kg/104m2)；C为污染物的浓度(mg/L)；V为加入蒸馏水的体积(L)；A为框架取样器面积，一般取0.04m2；
令：
Figure BDA0001170509950000061
式中：△t表示单位间隔时间；Bt为在第t时刻下单位面积污染物负荷量(kg/104m2)；Bn为在第n时刻下单位面积污染物负荷量(kg/104m2)；Qt为第t时刻径流量，m3/s；Qn-1为第n-1时刻径流量，(m3/s)；Wt为第t时刻下的污染物浓度值(mg/L)；Wn-1为第n-1时刻下的污染物浓度值(mg/L)
(4)SWMM指数冲刷系数S1和冲刷指数S2的确定
根据水质模型公式(1)对其进行变形得：
Figure BDA0001170509950000062
令
Figure BDA0001170509950000063
得
Figure BDA0001170509950000064
根据单位面积沉积物Bt和降雨径流污染物监测浓度Wt可以确
定Kt值，得：
Figure BDA0001170509950000065
根据不同降雨时刻下的位面积径流量qt、地表沉积物Bt和降雨径流污染物Wt的数值得到一系列对应点的值，如下表：
Figure BDA0001170509950000066
在Excel中根据对应点绘制出散点图，再根据散点图(见附图1)添加指数函数趋势线及公式，得到
Figure BDA0001170509950000067
其中k1＝S1，k2＝S2，从而获知S1和S2值的大小。
再由多场降雨条件下采用类似方法获得S1和S2值的取值范围。
具体效果：
通过采用该方法确定冲刷参数，选取2015年3月31日北京工业大学实测资料将SWMM模拟地表浓度曲线和实测地表径流水质曲线进行对比发现，校园降雨径流污染物SS、COD、氨氮模拟结果数据与实测数据相对偏差介于0.013-1.117之间，标准偏差均小于2.96％，满足模拟要求，表明所确定的SWMM水质参数取值范围合理，说明该方法的正确性。

Claims (3)

1.一种确定SWMM水质冲刷模型参数的方法，其特征在于步骤如下；
首先通过地表径流采样装置获取地表径流水样，在相同间隔时间段下获取不同时刻的地表径流水样并检测其污染物浓度值Wt，再由记录t时刻下的降雨强度值qt；结合旱天采集的地表沉积物检测得到污染物沉积负荷量值，由单位面积污染物沉积量初始值在t时刻下冲刷消减得到剩下污染物累积量Bt，最后将一场雨中不同时刻下的Bt、Wt和qt值代入指数冲刷函数公式
Figure FDA0001170509940000011
式中：B为单位面积污染物沉积量(kg/104m2)；W为污染物浓度(mg/L)；S1为冲刷系数；S2为冲刷指数；q为单位面积径流量(mm/h)；用excel绘出各散点，并添加趋势图和趋势函数，从而从趋势函数公式中获得确定S1和S2的值。
2.按照权利要求1所述的一种确定SWMM水质冲刷模型参数的方法，其特征在于，通过对地表径流污染物的和地表沉积污染物进行研究，对单一下垫面的SWMM水质冲刷模型参数S1和S2进行确定，或者对多个不同类型的下垫面SWMM水质冲刷模型参数S1和S2进行确定。
3.按照权利要求1所述的一种确定SWMM水质冲刷模型参数的方法，其特征在于，
Figure FDA0001170509940000012
式中：B为单位面积污染物沉积量(kg/104m2)；C为污染物的浓度(mg/L)；V为加入蒸馏水的体积(L)；A为框架取样器面积；
令：
Figure FDA0001170509940000013
式中：△t表示单位间隔时间；Bt为在第t时刻下单位面积污染物负荷量(kg/104m2)；Bn为在第n时刻下单位面积污染物负荷量(kg/104m2)；Qt为第t时刻径流量，m3/s；Qn-1为第n-1时刻径流量，(m3/s)；Wt为第t时刻下的污染物浓度值(mg/L)；Wn-1为第n-1时刻下的污染物浓度值(mg/L)
根据水质模型公式(1)对其进行变形得：
Figure FDA0001170509940000021
令
Figure FDA0001170509940000022
得
Figure FDA0001170509940000023
根据单位面积沉积物Bt和降雨径流污染物监测浓度Wt确定Kt值，得：
Figure FDA0001170509940000024
根据不同降雨时刻下的位面积径流量qt、第t时刻下单位面积污染物负荷量Bt和降雨径流污染物Wt的数值得到一系列对应点的值，在Excel中根据对应点绘制出散点图，再根据散点图添加指数函数趋势线及公式，得到
Figure FDA0001170509940000025
其中k1＝S1，k2＝S2，从而获知S1和S2值的大小。
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