CN106709160A - 一种确定swmm软件中累积参数确定的方法 - Google Patents

Abstract

一种确定SWMM软件中累积参数确定的方法，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。本发明发明了SWMM软件中累积参数C₁和C₂的确定方法。采用模拟实验和现场采样相结合，确定前期晴天天数和地表沉积物累积量变化关系，从而建立前期晴天数和地表沉积物累积量的确定方法，并确定不同污染物C₁的取值范围，通过相关计算确定累积参数C₂的取值范围。该发明可为SWMM软件在降雨径流水质模拟中的实际应用提供数据支持和技术帮助。

Description

一种确定SWMM软件中累积参数确定的方法

技术领域

本发明涉及一种确定SWMM软件中累积参数确定的方法，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。

由于地表沉积污染物受大气污染物累积的影响，大气中累积污染物在雨天经雨水的冲刷作用下进入地表径流，与地表沉积污染物共同成为城市面源污染的重要来源。在SWMM软件的累积参数C₁和C₂，考虑大气污染累积因素，可提高该软件对降雨径流水质模拟的准确度，有利于SWMM软件在降雨径流水质模拟中的应用。

本发明建立了SWMM软件的累积参数C₁、C₂的确定方法，将大气污染物和地表沉积污染物合并为城市降雨径流的污染源，建立大气污染物和地表沉积物最大累积量的确定方法，为SWMM软件在降雨径流水质模拟中的应用提供帮助。同时，不同的污染物由于其沉积性能不同，在大气和地表累积规律也存在显著差异，因此本发明针对大气和地表沉积的不同的污染物进行了累积参数取值范围的确定，提高SWMM软件在降雨径流水质模拟中的精度。

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软件中累积参数的确定是制约SWMM软件在降雨径流水质模拟中的关键因素。SWMM软件中累积模型包括幂函数模型、指数函数模型、饱和浸润方程和外部时间序列。其中指数函数模型(见式(1))受到大家普遍关注，该模型中最大累积量C₁和累积速率常数C₂的确定是该模型应用的关键所在。

式中：C₁——最大累积量，g/m²；

C₂——累积速率常数，d^-1。

SWMM软件中累积参数的确定是制约SWMM软件在降雨径流水质模拟中的关键因素。SWMM软件中累积模型包括幂函数模型、指数函数模型、饱和浸润方程和外部时间序列。其中指数函数模型(见式(1))受到大家普遍关注，该模型中最大累积量C₁和累积速率常数C₂的确定是该模型是否能够准确模拟的关键所在。

式中：C₁——最大累积量，g/m²；

C₂——累积速率常数，d^-1。

一种确定SWMM软件中累积参数确定的方法，应用以下模型：

式中：C₁——最大累积量，g/m²；

C₂——累积速率常数，d^-1；

B为单位面积污染物沉积量，kg/10⁴m²；

其特征在于其步骤如下：

①分别在研究区域的不同功能区选择采样点；

②在每个采样点铺设8块地表沉积物采样装置，采样装置由厚度为2.5mm油毡及边框组成，大小为1.2m×0.6m；

③分别经过1、3、5、7、15、30、45、60天后取回采样装置，每次取回1块，采用冲刷装置对采样装置进行冲刷；

④冲刷过程：布水器对下垫面冲刷，下垫面为上述采样装置；下垫面较低一端设有收集槽，用于收集冲刷液；

⑤冲刷液搅拌促溶24h后，测定冲刷液中各类污染物浓度；

⑥计算不同功能区不同前期干旱天数下各类污染物累积总量，污染物累积总量计算公式见式(2)；

式中：L——各采样点地表沉积物总量，g/m²；

X_i——冲刷液中污染物浓度，mg/L；

V——冲刷液体积，m³；

⑦建立不同功能区地表沉积污染物累积总量与前期晴天天数曲线，确定最大累积量C₁的值；

⑧计算累积参数C₂的值；

通过转化，式(1)书写为：

将式(3)两遍取自然对数，获得关系式(4)：

通过建立与t之间的直线关系，获得各类污染物累积速率常数C₂的取值范围。

本发明收集器的优势：

(1)解决SWMM软件中水质参数确定方法欠缺问题；

(2)将大气污染物和地表沉积污染物合并为城市降雨径流的污染源，建立大气污染物和地表沉积物最大累积量的确定方法；

(3)在较大尺度范围内采用自然降雨污染物总量间接反应大气污染物总量，建立大气污染物累积量与前期晴天天数的相关关系；

(4)建立了地表沉积污染物累积量与前期晴天天数相关关系确定方法，为SWMM模型中相关参数的确定提供技术支持；

(5)确定不同污染物水质参数取值范围，为SWMM软件准确模拟

提供支持。

附图说明

图1为地表沉积物采样装置图；

图2为地表沉积物冲刷装置图。

具体实施方式

目前对该模型中C₁和C₂的确定较为困难，因此使该模型的使用受到限制。本研究发明了一种实验方法确定SWMM软件模拟降雨径流水质指数函数模型所需要的参数的确定方法，其步骤如下：

①分别在研究区域的不同功能区(如生活区、工业区、商业区、文教区等)选择采样点，采样点一般位于距离路边1m处；

②在每个采样点铺设8块地表沉积物采样装置(见附图1)，采样装置由厚度为2.5mm油毡及边框组成，大小为1.2m×0.6m；

③分别经过1、3、5、7、15、30、45、60天后取回采样装置，每次取回1块，采用冲刷装置对采样装置进行冲刷。

④冲刷过程中采用自来水代替雨水，布水器的一端接自来水水龙头，带有压力的自来水通过两个圆形(直径为20cm)布水器对下垫面冲刷2h，冲刷强度采用600mL/min，下垫面长1.2m，宽0.6m，坡度为1‰。下垫面较低一端开直径为10cm圆形收集槽，用于收集冲刷液。

⑤冲刷液搅拌促溶24h后，测定冲刷液中各类污染物浓度；

⑥计算不同功能区不同前期干旱天数下各类污染物累积总量，污染物累积总量计算公式见式(2)；

式中：L——各采样点地表沉积物总量，g/m²；

X_i——冲刷液中各类污染物平均浓度，mg/L；

V——冲刷液体积，m³。

⑦建立不同功能区地表沉积污染物累积总量与前期晴天天数曲线，确定最大累积量C₁的值；

⑧计算累积参数C₂的值。

通过转化，式(1)可书写为：

将式(3)两遍取自然对数，获得关系式(4)：

通过建立与t之间的直线关系，可获得各类污染物累积速率常数C₂的取值范围。

具体效果

课题组在河北科技大学校园及周边选定的文教区、生活区、商业区、工业区的采样点分别铺设八块1.2m×0.6m油毡，并标注“实验区域，请勿清扫”字样，分别经过1、3、5、7、15、30、45、60天后取回油毡，采用冲刷装置对油毡进行冲刷，收集冲刷液并搅拌促溶24h；而后测定冲刷液中SS、COD和氨氮浓度，计算不同功能区污染物不同累积天数下污染物累积总量，建立不同功能区地表沉积污染物累积总量与前期晴天天数曲线，确定SS、COD、氨氮最大累积量C₁取值范围为：6.37-12.86g/m²、1.403-2.166g/m²和8.89-12.88mg/m²，并通过式(4)计算出，SS、COD、氨氮最大累积量C₂取值范围为：0.055-0.100d^-1、0.061-0.085d^-1、0.133-0.167d^-1。

Claims (1)

1.一种确定SWMM软件中累积参数确定的方法，应用以下模型：

$B=C_1(1-e^{-C_{2}t})---\left(1\right)$

式中：C₁——最大累积量，g/m²；

C₂——累积速率常数，d^-1；

B为单位面积污染物沉积量，kg/10⁴m²；

其特征在于其步骤如下：

①分别在研究区域的不同功能区选择采样点；

②在每个采样点铺设8块地表沉积物采样装置，采样装置由厚度为2.5mm油毡及边框组成，大小为1.2m×0.6m；

③分别经过1、3、5、7、15、30、45、60天后取回采样装置，每次取回1块，采用冲刷装置对采样装置进行冲刷；

④冲刷过程：布水器对下垫面冲刷，下垫面为上述采样装置；下垫面较低一端设有收集槽，用于收集冲刷液；

⑤冲刷液搅拌促溶24h后，测定冲刷液中各类污染物浓度；

⑥计算不同功能区不同前期干旱天数下各类污染物累积总量，污染物累积总量计算公式见式(2)；

$L=\frac{X_i\×V}{1.2\×0.6}---\left(2\right)$

式中：L——各采样点地表沉积物总量，g/m²；

X_i——冲刷液中污染物浓度，mg/L；

V——冲刷液体积，m³；

⑦建立不同功能区地表沉积污染物累积总量与前期晴天天数曲线，确定最大累积量C₁的值；

⑧计算累积参数C₂的值；

通过转化，式(1)书写为：

$\frac{C_1-B}{C_1}=e^{-C_{2}t}---\left(3\right)$

将式(3)两遍取自然对数，获得关系式(4)：

$ln\frac{C_1-B}{C_1}=-C_{2}t---\left(4\right)$

通过建立与t之间的直线关系，获得各类污染物累积速率常数C₂的取值范围。