CN111047180A - 一种屋面雨水径流污染物浓度的计算方法及其控释应用 - Google Patents

Abstract

本发明属于资源与环境技术领域。现有水质模型对屋面径流污染物浓度进行计算的方法在应用时与实际差异较大。针对现有技术中的问题，本发明公开了一种屋面雨水径流污染物浓度的计算方法，步骤为：首先明确区域降雨的典型雨型公式，通过雨型公式获知该区域不同降雨重现期下降雨量的变化规律，并将这一规律应用于后续步骤中；然后设计该区域的降雨重现期P和场次降雨时长T，收集该区域的降雨前期晴天数Td，并选定某一屋面为对象，明确其长度L和坡度θ；再由式2计算出汇流时间tc，并根据汇流时间tc的大小选择相应的污染物浓度计算式描述屋面径流污染物浓度随时间的变化过程。该计算式科学性强，与实验数据的相关性高。

Description

一种屋面雨水径流污染物浓度的计算方法及其控释应用

技术领域

本发明具体涉及一种屋面雨水径流污染物浓度的计算方法及其控释应用，属于资源与环境技术领域。

背景技术

随着城市居住区范围和建筑密度的增加，屋面面积不断扩大，其表面会在晴天积累大量污染物，降雨时，这些污染物又会随雨水径流进入到城市水环境中。许多研究显示屋面径流的污染物浓度与路面径流相近，部分污染物甚至超过了路面径流，屋面径流特别是初期屋面径流已成为引起城市雨水面源污染的原因之一。在此背景下，对屋面径流水质的模拟在污染物控释和技术优化方面具有重要意义。雨水水质模型是数学程序的组合，用以描述集水区对某一特定暴雨事件或在某一段时间的水质响应，可以为面源污染的管控提供决策依据。为保证应用暴雨水质模型的科学性，需要深入了解内在的物理过程及规律，建立准确可靠的数学方程。目前，常用水质模型通常将屋面径流污染物进入受纳水体的过程概化为积聚、冲刷和输送三个过程，并建立了相应的数学模型。然而，一方面由于影响冲刷过程的因素包括降雨强度、集水区长度、坡度、污染物类型等较多因素，另一方面由于实际过程中降雨的不确定性，采用目前常用水质模型对屋面径流污染物浓度进行计算的方法存在一定的局限性，与实际差异较大。

发明内容

针对现有技术中的问题，本发明提供一种屋面雨水径流污染物浓度的计算方法及其控释应用，本发明在已有屋面径流污染物浓度计算方法的基础上，结合典型雨型条件下屋面径流的污染物检测分析结果进行拟合优化，据此得到的屋面径流污染物浓度的计算方法具有良好的科学性和可操作性，可以更切合实际地描述屋面径流污染物浓度变化过程，从而更准确地对屋面径流污染物进行控释。

为实现以上技术目的，本发明的技术方案是：

一种屋面雨水径流污染物浓度的计算方法，步骤如下：

(1)明确区域降雨的典型雨型公式f＝i(t)，通过雨型公式获知该区域不同降雨重现期下降雨量的变化规律，并将这一规律应用于后续步骤中；

(2)设计该区域的降雨重现期P和场次降雨时长T，收集该区域的降雨前期晴天数T_d，并选定某一屋面为对象，明确其长度L和坡度θ；

(3)基于上述基础数据，由式2计算出汇流时间t_c；

其中，t_c为汇流时间，s；L为屋面长度，m；θ为屋面坡度，°；m为曼宁粗糙系数，s·m^-1/3，取值范围为0.015～0.030，I为降雨强度，m/s；

(4)当汇流时间t_c占场次降雨时长T比例不超过2％时，屋面径流中污染物浓度随时间变化的过程如式3.1所示，当汇流时间t_c占场次降雨时长T比例大于2％时，屋面径流中污染物浓度随时间变化的过程如式3.2所示，其中，式3.1和式3.2中各项参数α、β、γ、k的参考范围如表1所示，各项参数的具体数值随污染物的类型有所不同；

t＞T，C(t)≈k

其中，tc为汇流时间，min；C为污染物浓度，mg/L；t为降雨历时，min；α为冲刷系数，mm^-1；β为沉积系数，mg_均/(m²·d)；γ为污染物特征因子，mg/mg_均；Td为前期晴天数，d；i为瞬时降雨强度，mm/min；k为污染物浓度背景值，mg/L。

表1式3.1和式3.2中各项参数参考范围

优选地，所述降雨重现期P>0.5。

采用上述计算方法在屋面径流污染物控释上的应用，选择屋面污染物为管控目标，明确屋面污染物控释比例η，由式4计算屋面径流的弃流时间，并将弃流时间用于指导初期雨水的弃流控释；

其中，i为降雨雨强，mm/min；C为污染物浓度，mg/L；t为降雨历时，min；T为场次降雨总时长，min；η为径流污染负荷控释比例。

从以上描述可以看出，本发明具备以下优点：

1.本发明计算方法融入了降雨雨型、前期晴天数、屋面特征、屋面径流的汇流时间等多种变量和参数，考虑的因素更为全面，且具有充分的实验基础，能够更为科学准确地体现实际冲刷条件下污染物浓度的变化规律。

2.本发明计算方法构建了包含降雨和屋面资料收集、汇流时间计算、污染物浓度计算、污染物负荷计算和弃流时间计算的完整计算体系，计算体系前后衔接紧密，具有良好的操作性，能够切合实际地体现多种污染物浓度的变化。

3.本发明控释策略可以在污染物管控层面指导海绵设施的评估和应用，完善居住社区海绵城市建设，提升海绵城市建设效能。

附图说明

图1是本发明的计算方法需要的数据及使用流程图；

图2是本发明实施例中屋面径流SS浓度变化规律；

图3是本发明实施例中屋面径流COD浓度变化规律；

图4是本发明实施例中屋面径流TN浓度变化规律；

图5是本发明实施例中屋面径流TP浓度变化规律；

图6是本发明实施例中屋面径流NH₃-N浓度变化规律；

具体实施方式

下面通过实施例子，进一步阐述本发明的特点，但不对本发明的权利要求做任何限定。

实施例1：

一种屋面雨水径流污染物浓度的计算方法，步骤如下：

(1)基于S市2017年发布的雨型公式(式1，符合典型芝加哥雨型特征)，获知S市在不同降雨重现期下降雨量的变化规律，提取该雨型公式中的特定参数c＝0.846,b＝7,r＝0.4，并将这一数据应用于后续步骤中；当0＜t≤60×r：

当60×r＜t≤60：

其中，t为降雨历时，min；r为综合雨峰位置系数；t_b为峰前降雨历时，min；t_a为峰后降雨历时，min；i(t_b)为峰前瞬时强度，mm/min；i(t_a)为峰后瞬时强度，mm/min；P为设计暴雨重现期，a；

(2)设计S市的降雨重现期P＝1a和场次降雨时长T＝1h，收集S市的降雨前期晴天数T_d＝8，并选定某一屋面为对象，该屋面长度L＝1m和坡度θ＝40°；

(3)由式2计算出汇流时间t_c＝11.45s，t_c较降雨历时60min占比较小，前11.45s的实际出流量为此段时刻降雨量的38％，较后续降雨量亦可忽略，屋面径流中污染物浓度计算公式如式3.1所示；对于不同类型的污染物，公式3.1中的参数α、β、γ、k的数值有所不同，在给定的特定参数下，式3.1可以模拟降雨时屋面径流的悬浮颗粒物(SS)、化学需氧量(COD)、总氮(TN)、总磷(TP)以及氨氮(NH3-N)的变化规律，对不同类型污染物，污染物的浓度计算公式3.1中所给定的参数数值如表2所示；

表2污染物浓度计算公式中不同类型污染物对应的各项参数数值

(4)在式3.1中输入数据后，得到污染物浓度随时间的变化过程，污染物浓度变化数据如表3所示，变化过程线如图2～图6所示；

表3多种污染物在降雨冲刷下的浓度变化(P＝1a，T_d＝8d，降雨时长T＝1h)

在不同降雨强度下进行降雨实验，将降雨实验中冲刷出的污染物浓度数据与按公式3.1计算出的污染物浓度数据进行对比，以验证计算公式3.1的科学性，如表4所示，结果显示本发明污染物浓度随时间的变化过程线输出的结果与实验数据的相关性高。

表4屋面径流污染物浓度计算公式与实验数据的相关性分析(R²)

采用上述计算方法在屋面径流污染物控释上的应用，选择屋面污染物为管控目标，明确屋面污染物控释比例η，如选择弃流80％的污染物，由式4计算出屋面径流的弃流时间t＝7min，将弃流时间用于指导初期雨水的弃流控释，即需要弃流7min的初期雨水。

本发明计算方法充分考虑了区域降雨特征和屋面情况：在气候变化的大背景下，各地年降雨量有不同程度的增长，但雨型特征没有明显变化；对于应用经典雨型的城市，在相关单位更新区域雨型公式后，仅需要对部分参数进行调整，即可应用本方法计算强降雨场次的屋面径流污染物浓度变化特征；在城市大规模扩张的背景下，不透水的斜屋面都得到了不同程度的应用，计算方法只需要基于屋面的长度和坡度资料，即可得到对应屋面的径流污染物浓度变化规律，从而为居住区域内海绵城市建设提供参考，提高海绵城市设施的污染物控制效能。

可以理解的是，以上关于本发明的具体描述，仅用于说明本发明而并非受限于本发明实施例所描述的技术方案。本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换，以达到相同的技术效果；只要满足使用需要，都在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种屋面雨水径流污染物浓度的计算方法，其特征在于，步骤如下：

(1)明确区域降雨的典型雨型公式f＝i(t)，通过雨型公式获知该区域不同降雨重现期下降雨量的变化规律，并将这一规律应用于后续步骤中；

(2)设计该区域的降雨重现期P和场次降雨时长T，收集该区域的降雨前期晴天数T_d，并选定某一屋面为对象，明确其长度L和坡度θ；

(3)基于上述基础数据，由式2计算出汇流时间t_c；

其中，t_c为汇流时间，s；L为屋面长度，m；θ为屋面坡度，°；m为曼宁粗糙系数，s·m^-1/3，取值范围为0.015～0.030；

(4)当汇流时间t_c占场次降雨时长T比例不超过2％时，屋面径流中污染物浓度随时间变化的过程如式3.1所示，当汇流时间t_c占场次降雨时长T大于2％时，屋面径流中污染物浓度随时间变化的过程如式3.2所示，其中，式3.1和式3.2中各项参数α、β、γ、k的参考范围如表1所示，各项参数的具体数值随污染物的类型有所不同；

t＞T，C(t)≈k

其中，tc为汇流时间，min；C为污染物浓度，mg/L；t为降雨历时，min；α为冲刷系数，mm^-1；β为沉积系数，mg均/(m²·d)；γ为污染物特征因子，mg/mg_均；Td为前期晴天数，d；i为瞬时降雨强度，mm/min；k为污染物浓度背景值，mg/L。

表1式3.1和式3.2中各项参数参考范围

2.如权利要求1所述的计算方法，其特征在于，所述降雨重现期P>0.5。

3.如权利要求1或2所述的计算方法在屋面径流污染物控释上的应用，其特征在于，选择屋面污染物为管控目标，明确屋面污染物控释比例η，由式4计算屋面径流的弃流时间，并将弃流时间用于指导初期雨水的弃流控释；

其中，i为降雨雨强，mm/min；C为污染物浓度，mg/L；t为降雨历时，min；T为场次降雨总时长，min；η为径流污染负荷控释比例。

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