CN110728062B - 一种基于swmm的农村非点源污染模拟方法 - Google Patents

一种基于swmm的农村非点源污染模拟方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于SWMM的农村非点源污染模拟方法，属于非点源污染模拟领域，包括以下步骤：S1：资料收集，S2：子汇水区划分与管网概化，S3：下垫面信息获取，S4：模型建立与参数选取，S5：集水井外部入流估算及参数设定，S6：执行模拟，显示模拟结果并进行分析。该基于SWMM的农村非点源污染模拟方法更加科学合理，提供了农村地区非点源污染模拟的新方法，本发明基于农村区域非点源污染控制的现实需求与非点源污染模拟研究发展的需要，开展的对于农村区域非点源污染模拟的研究具有多重意义，模拟的结果可为污染控制策略的制定提供科学的依据，为区域内的生产和生活活动的抉择提供充分的污染排放信息。

Description

一种基于SWMM的农村非点源污染模拟方法
技术领域
本发明涉及非点源污染模拟领域，具体为一种基于SWMM的农村非点源污染模拟方法。
背景技术
目前，大部分农村的管网普及率不高，农业污水及生活污水随意排放，造成了周围水体的污染，尤其是在降雨条件下，降雨径流携带大量污染物直接进入受纳水体，给生态环境和人们的生命财产安全带来了严重的威胁。因此，对于农村非点源污染的模拟与治理不仅是环境科学发展的必然结果，也是社会安全保障的迫切需要。SWMM模型即暴雨管理模型(Storm Water Management Model)，综合考虑了径流形成的各个水文过程，可同时对地表径流的水力和水质情况进行模拟，在径流模拟领域得到了广泛应用。
为此，提出一种基于SWMM的农村非点源污染模拟方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于SWMM的农村非点源污染模拟方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于SWMM的农村非点源污染模拟方法，包括以下步骤：
S1：资料收集；
对研究区域进行资料收集与调查，包括地理位置、地形地貌、气候状况自然条件及农村经济发展状况、居民生活条件、污水排放情况；
S2：子汇水区划分与管网概化；
依据所研究区域特点选择适宜的划分方法，能获取精度较高的DEM数据时，可利用ArcGIS软件据其直接生成子汇水区，之后人工进行适当调整；在河网密集地区，可将河道概化为间隔均匀的节点，据其建立泰森多边形，之后人工进行适当调整；在多山地区，可依据等高线区分山谷、山脊，据其划分子汇水区，之后人工进行适当调整；
因缺少管网，可将受纳河流依据特点简化为管网，间隔一段距离设置集水井，河流交汇处及支流源头必须设置为集水井及以便进行污水汇入及参数率定，依据地形特点及实际情况在模型中为各汇水区径流分配集水井；
S3：下垫面信息获取；
农村区域的下垫面分为三种类型：居民区、农田、道路，利用ArcGIS软件计算每一子汇水区的面积、特征宽度、坡度、不透水面百分比及三类下垫面百分比数值；
S4：模型建立与参数选取，分为以下步骤：
S41：设定雨量计；
S42：设定水文、水力参数，建立地表产汇流模型；
S43：设定污染物累积参数和冲刷参数，建立地表污染物累积和冲刷模型；
S5：集水井外部入流估算及参数设定；
采用产生系数法分别计算生活污水日产生量、畜禽养殖废水日产生量和各类污染物日产生量；依据当地情况确定排放率，分别计算生活污水日排放量、畜禽养殖废水日排放量和各类污染物日排放量；
依据该地区农村居民生活用水、畜禽养殖废水逐时排放特点，确定基础值，基础值变化因子，时间序列，尺度因子参数,并通过SWMM模型中入流编辑器进行设置；
S6：执行模拟，显示模拟结果并进行分析。
优选的，在S2中，子汇水区划分是将一个流域概化为若干个地形差异较小的子流域，并根据每个子流域的内部特征逐一进行模拟，以便解决特征复杂的区域径流模拟问题。
优选的，在S2中，DEM数据是地形表面形态的数字化表达。
优选的，在S4中，水文、水力参数包括最大入渗率、最小入渗率、衰减系数、土壤干燥时间、不透水区洼蓄量、透水区洼蓄量、不透水区曼宁系数与透水区曼宁系数。
优选的，在S4中，农村地区的地表污染物分为COD、TN、TP、NH3-N四类，分别指化学需氧量、总氮、总磷、氨氮。
优选的，在S4中，依据所模拟区域特点，计算降雨强度，从而设定雨量计。
优选的，在S4中，采用Horton模型进行下渗模拟，Horton模型是SWMM内嵌的三种下渗子模型之一。
优选的，在S5中，集水井的外部入流有两个来源，即生活污水和畜禽养殖废水。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明提供了农村地区非点源污染模拟的新方法，本发明的非点源污染通过雨水径流、生活污水和畜禽养殖废水共同确定。利用了SWMM软件获得区域内受纳水体每一重要位置的非点源污染负荷情况；对农村地区非点源污染估算而言，传统的农村地区非点源污染估算采用产生系数法，或者实验测定雨水径流污染，无法获得区域非点源污染随时间变化情况。而目前的农村地区非点源污染情况日益严重，要求对于区域非点源污染情况进行更为深入的了解，以采取有效的污染控制措施。而基于SWMM模型的农村非点源污染模拟可较好地满足区域非点源污染管理的需要；本发明基于农村区域非点源污染控制的现实需求与非点源污染模拟研究发展的需要，开展的对于农村区域非点源污染模拟的研究具有多重意义，模拟的结果可为污染控制策略的制定提供科学的依据，为区域内的生产和生活活动的抉择提供充分的污染排放信息。
附图说明
图1为本发明的流程框图；
图2为本发明的整体流程图。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供一种技术方案：一种基于SWMM的农村非点源污染模拟方法，包括以下步骤：
S1：资料收集；
对研究区域进行资料收集与调查，包括地理位置、地形地貌、气候状况自然条件及农村经济发展状况、居民生活条件、污水排放情况；
S2：子汇水区划分与管网概化；
子汇水区划分是将一个流域概化为若干个地形差异较小的子流域，并根据每个子流域的内部特征逐一进行模拟，以便解决特征复杂的区域径流模拟问题；
依据所研究区域特点选择适宜的划分方法，能获取精度较高的DEM数据时，可利用ArcGIS软件据其直接生成子汇水区，之后人工进行适当调整，DEM数据是地形表面形态的数字化表达；
在河网密集地区，可将河道概化为间隔均匀的节点，据其建立泰森多边形，之后人工进行适当调整；
在多山地区，可依据等高线区分山谷、山脊，据其划分子汇水区，之后人工进行适当调整；
因缺少管网，可将受纳河流依据特点简化为管网，间隔一段距离设置集水井，河流交汇处及支流源头必须设置为集水井及以便进行污水汇入及参数率定；
依据地形特点及实际情况在模型中为各汇水区径流分配集水井；
S3：下垫面信息获取；
农村区域的下垫面分为三种类型：居民区、农田、道路，利用ArcGIS软件计算每一子汇水区的面积、特征宽度、坡度、不透水面百分比及三类下垫面百分比数值；
S4：模型建立与参数选取，分为以下步骤：
S41：依据地区适用暴雨强度公式，计算降雨强度，设定雨量计；
S42：设定水文、水力参数，建立地表产汇流模型；
本发明采用Horton模型进行下渗模拟；Horton模型能够准确地表示入渗率随时间变化的关系，在计算子流域的下渗中能够得到较好的应用；
依据实测流量数据，采用手动试错法并结合模型使用手册和参考文献获得全部水文、水力参数；
水文、水力参数包括最大入渗率、最小入渗率、衰减系数、土壤干燥时间、不透水区洼蓄量、透水区洼蓄量、不透水区曼宁系数与透水区曼宁系数，如表1所示；
表1所需水文、水力参数表
最大入渗率 不透水区洼蓄量
最小入渗率 透水区洼蓄量
衰减系数 不透水区曼宁系数
土壤干燥时间 透水区曼宁系数
S43：设定污染物累积参数和冲刷参数，建立地表污染物累积和冲刷模型；
农村地区的地表污染物分为COD、TN、TP、NH3-N四类，分别指化学需氧量、总氮、总磷、氨氮；
依据实测污染数据，采用手动试错法并结合模型使用手册和参考文献设定各污染物累积参数和冲刷参数，如表2所示；
表2所需设定污染物累积参数和冲刷参数表
S5：集水井外部入流估算及参数设定；
集水井的外部入流主要有两个来源，即生活污水和畜禽养殖废水，利用下述方法计算；
Qex＝QP+QL
式中：Qex为某一集水井的外部入流量(立方米)；QP为该集水区的生活污水量(立方米)；QL为该集水区的畜禽养殖废水量(立方米)；
采用产生系数法计算生活污水产生量；生活污水产生系数综合地方特点、《第一次全国污染源普查——城镇生活源产排污系数手册》、地方标准用水定额及相关研究文献进行确定；利用下述方法计算；
QP＝P*FP*δP
P＝p1+p2+…pn
pi＝Di*ai
Di＝Pi÷Ai
式中：n为所模拟区域的村庄总数(个)；P为该集水区人口总数(人)；FP为居民生活污水产生系数(升/人·天)；δP为居民生活污水排放率，依据当地情况确定；pi为村庄i分配至该集水区的人口数量(人)；Di为村庄i的人口居住密度(人/平方米)；ai为村庄i在该集水区内的面积(平方米)；Pi为村庄i的人口总数(人)；Ai为村庄i的总面积(平方米)；
采用产生系数法计算畜禽养殖废水产生量，综合地方特点、《第一次全国污染源普查——畜禽养殖业源产排污系数手册》及相关研究文献，确定各类畜禽的养殖废水产生系数，利用下述方法计算；
QL＝QL1+QL2+…QLm
QLj＝Lj*FLj*δL
Lj＝lj1+lj2+…ljn
lji＝Oji*ai
Oji＝Lji÷Ai
式中：QLj为该集水区j类畜禽养殖废水量(立方米)；m为所模拟区域畜禽养殖种类数；Lj为该集水区的j类畜禽总数(只)；FLj为j类畜禽养殖废水产生系数(升/只·天)；δL为畜禽养殖废水排放率，依据当地情况确定；lji为村庄i分配至该集水区的j类畜禽数量(只)；Oji为村庄i内畜禽j的分布密度(只/平方米)；Lji为村庄i内畜禽j的数量(只)；
采用产生系数法计算各类污染物产生量，综合地方特点、排污系数手册及相关研究文献，确定居民和各类畜禽养殖的四类污染物产生系数，利用下述方法计算；
MS,P＝P*ES,P*ηP
MS,j＝Lj*ES,j*ηL
式中：MS为污染物S的外部汇入量,S为四类污染物COD、TN、TP、NH3-N之一；MS,P为居民的污染物S产生量；MS,j为j类畜禽的污染物S产生量；ES,P为居民的污染物S产生系数；ηP为居民生活污染物的排放率，依据当地情况确定；ES,j为j类畜禽的污染物S产生系数；ηL为畜禽养殖污染物的排放率，依据当地情况确定；
上述计算得出的污水总量和污染物总量均为每日排放总量，应依据该地区农村居民生活用水、畜禽养殖废水逐时排放特点，确定基础值，基础值变化因子，时间序列，尺度因子参数；各参数间存在下述等式关系；
某时刻入流量＝基础值*基础值变化因子+尺度因子*该时刻时间序列值；
S6：执行模拟，显示模拟结果并进行分析。
本发明提供了农村地区非点源污染模拟的新方法，本发明的非点源污染通过雨水径流、生活污水和畜禽养殖废水共同确定。利用了SWMM软件获得区域内受纳水体每一重要位置的非点源污染负荷情况；对农村地区非点源污染估算而言，传统的农村地区非点源污染估算采用产生系数法，或者实验测定雨水径流污染，无法获得区域非点源污染随时间变化情况。而目前的农村地区非点源污染情况日益严重，要求对于区域非点源污染情况进行更为深入的了解，以采取有效的污染控制措施。而基于SWMM模型的农村非点源污染模拟可较好地满足区域非点源污染管理的需要；本发明基于农村区域非点源污染控制的现实需求与非点源污染模拟研究发展的需要，开展的对于农村区域非点源污染模拟的研究具有多重意义，模拟的结果可为污染控制策略的制定提供科学的依据，为区域内的生产和生活活动的抉择提供充分的污染排放信息。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定，本发明不受上述实施例的限制，在不脱离本发明精神和范围的前提下会有各种改进和变化，因此，这意味着在所附权利要求中包括属于本发明范围内的所有变化和修改。

Claims (8)

1.一种基于SWMM的农村非点源污染模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：资料收集；
对研究区域进行资料收集与调查，包括地理位置、地形地貌、气候状况自然条件及农村经济发展状况、居民生活条件、污水排放情况；
S2：子汇水区划分与管网概化；
依据所研究区域特点选择划分方法，获取DEM数据，利用ArcGIS软件据其直接生成子汇水区，之后人工进行调整；在河网密集地区，将河道概化为间隔均匀的节点，据其建立泰森多边形，之后人工进行调整；在多山地区，依据等高线区分山谷、山脊，据其划分子汇水区，之后人工进行调整；
因缺少管网，将受纳河流依据特点简化为管网，间隔一段距离设置集水井，河流交汇处及支流源头必须设置为集水井及以便进行污水汇入及参数率定，依据地形特点及实际情况在模型中为各汇水区径流分配集水井；
S3：下垫面信息获取；
农村区域的下垫面分为三种类型：居民区、农田、道路，利用ArcGIS软件计算每一子汇水区的面积、特征宽度、坡度、不透水面百分比及三类下垫面百分比数值；
S4：模型建立与参数选取，分为以下步骤：
S41：设定雨量计；
S42：设定水文、水力参数，建立地表产汇流模型；
S43：设定污染物累积参数和冲刷参数，建立地表污染物累积和冲刷模型；
S5：集水井外部入流估算及参数设定；
采用产生系数法分别计算生活污水日产生量、畜禽养殖废水日产生量和各类污染物日产生量；依据当地情况确定排放率，分别计算生活污水日排放量、畜禽养殖废水日排放量和各类污染物日排放量；
依据该地区农村居民生活用水、畜禽养殖废水逐时排放特点，确定基础值，基础值变化因子，时间序列，尺度因子参数,并通过SWMM模型中入流编辑器进行设置；其中，各参数间存在下述等式关系：某时刻入流量＝基础值*基础值变化因子+尺度因子*该时刻时间序列值；
S6：执行模拟，显示模拟结果并进行分析。
2.根据权利要求1所述的一种基于SWMM的农村非点源污染模拟方法，其特征在于：在S2中，子汇水区划分是将一个流域概化为若干个存在地形差异的子流域，并根据每个子流域的内部特征逐一进行模拟，以便解决特征复杂的区域径流模拟问题。
3.根据权利要求1所述的一种基于SWMM的农村非点源污染模拟方法，其特征在于：在S2中，DEM数据是地形表面形态的数字化表达。
4.根据权利要求1所述的一种基于SWMM的农村非点源污染模拟方法，其特征在于：在S4中，水文、水力参数包括最大入渗率、最小入渗率、衰减系数、土壤干燥时间、不透水区洼蓄量、透水区洼蓄量、不透水区曼宁系数与透水区曼宁系数。
5.根据权利要求1所述的一种基于SWMM的农村非点源污染模拟方法，其特征在于：在S4中，农村地区的地表污染物分为COD、TN、TP、NH3-N四类，分别指化学需氧量、总氮、总磷、氨氮。
6.根据权利要求1所述的一种基于SWMM的农村非点源污染模拟方法，其特征在于：在S4中，依据所模拟区域特点，计算降雨强度，从而设定雨量计。
7.根据权利要求1所述的一种基于SWMM的农村非点源污染模拟方法，其特征在于：在S4中，采用Horton模型进行下渗模拟，Horton模型是SWMM内嵌的三种下渗子模型之一。
8.根据权利要求1所述的一种基于SWMM的农村非点源污染模拟方法，其特征在于：在S5中，集水井的外部入流有两个来源，即生活污水和畜禽养殖废水。
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