生态调蓄池及其体积分配方法

本发明涉及一种生态调蓄池及其体积分配方法，属于调蓄池体积分配。

背景技术：

1、由于初期冲刷效应的存在，降雨时通常出现初期雨水径流污染物浓度高于后期的现象，美国国家环保署推荐的11种雨水径流特征污染物为总悬浮固体、生化需氧量、化学需氧量、总磷、溶解磷、总凯氏氮、硝氮和亚硝氮、铜、铅、锌。按照污染物特性可将其分为：颗粒物质、需氧量物质、富营养化物质和重金属。初期雨水污染物浓度较高、且普遍大大超过《地表水环境质量标准》(gb3838-2002)中iii类水体标准，若直接排入到河湖等自然水体中，n、p等富营养化物质以及重金属及杀虫剂等毒性污染物进入水环境中对水环境生态造成严重影响。

2、调蓄池作为控制初期雨水面源与径流污染的有效手段，在控制初期径流污染、削减洪峰、稳定水量方面起到重要作用，但是其受占地面积约束较大，因此利用入湖库地区开展生态调蓄池建设、完成初期雨水消能、颗粒物沉降、污染物净化等目标具有较强的可实施性。

3、颗粒物以及氮磷等富营养化物质是首要的控制污染物，因此调蓄池在完成蓄水功能的基础上实现污染物的去除对保证水环境安全具有重要意义。目前在海绵城市研究中对调蓄池生态净化的是分为蓄水区与湿地净化区，从而完成对初期雨水的净化和调蓄。

4、生态调蓄池主要完成雨水的存储和污染物净化两项功能，在蓄水区中颗粒物可以沉降并且清除部分污染物、在湿地净化区中除完成污染物净化外还承担蓄水的功能，两部分区域均存在蓄水、净化的功能，可视作一个系统、目前而言对其蓄水净化功能之间体积分配的研究较为稀少。

技术实现思路

1、为了解决上述技术问题，本发明提供一种生态调蓄池及其体积分配方法，其具体技术方案如下：

2、一种生态调蓄池，所述生态调蓄池位于地上，上游承接污水管排口，下游排入自然水体当中，具备储存水和生态净化的功能；

3、所述生态调蓄池内部从上游到下游依次包括沉淀区域和湿地净化区域，污水进入生态调蓄池后，先经过沉淀区域，完成颗粒物沉降，然后经过湿地净化区域完成初期雨水的进一步净化，保证进入自然水体水质要求；径流流量超过生态调蓄池体积时，通过溢流排入自然水体中。

4、一种生态调蓄池的体积分配方法，基于swmm模型，基于合流制溢流的沉淀区域和湿地净化区域内的污染控制目标和溢流频次控制，得出生态调蓄池优化设计容积(v)、并确定出水的污染负荷(c)，具体过程为：

5、(1)选定研究区域，对研究区域进行调查，分析其点源污染和面源污染，并对研究区域水体水质情况进行取样调查；点源污染主要是指在特定地点排放的污染物，主要是各种排污口cod、氨氮、总磷、总氮、固体悬浮物以及铅、铜的污染物的监测，面源污染主要由降雨径流污染、城乡结合部地区分散式畜禽养殖废水污染，其具有明显的区域和季节变化特征，监测污染物类型与点源污染物类型相同；

6、(2)通过资料收集和整理，对研究区域入渗参数、汇流过程参数、地表污染物累积及冲刷模型参数、街道清扫系统参数进行调研选取，用waterdesk软件提取出原始地形文件中管网长度、管径、埋深及坡度信息，建立了研究区域swmm模型；

7、(3)选用芝加哥雨型，结合研究区域当地暴雨强度公式，得到了降雨数据，结合实测降雨数据，以纳什系数法进行率定，确定了最终的建模参数，以中小重现期降雨作为背景，运用了swmm模型进行模拟分析，设计了不同重现期的降雨情景探究其溢流规律，对不同截流规模的管网出流和溢流进行统计，得到了溢流总量及其出水污染物负荷量(c)；

8、(4)用零维水质模型对水体水环境容量进行建模，执行研究区域水体水质标准，计算cod、tn、tp的污染物环境容量结果，使用origin9软件liner fit功能对不同截流倍数下污染物年截流量散点图进行拟合，得到满足执行研究区域水质标准目标环境容量的最小截流倍数，通过截流倍数法确定生态调蓄池优化设计容积(v)。

9、进一步的，由于降雨存在强度、历时、频次的特点，雨水径流总量产生差异，在调蓄池中可能出现以下三种情况：

10、(1)产生径流总量超过沉淀区域容积、不超过生态调蓄池总体积时，雨水通过溢流堰流到湿地中进行处理，处理达标后排入河湖等自然水体中；

11、(2)产生径流总量超过生态调蓄池总体积时，超过生态调蓄池体积部分通过溢流管排入自然水体中，其余部分储存在生态调蓄池内进行处理，由于初期雨水径流污染在时间上存在差异、前期污染较严重、后期污染较轻；前期污染较重雨水集中在沉淀区域，主要进行悬浮颗粒物去除，达标后进入湿地区域进行进一步净化、去除溶解性有机物，湿地净化区域中将达标的水排入到自然水体中。

12、(3)产生径流总量不超过沉淀区域容积时，将沉淀之后的水通过泵泵入到湿地中进行处理，稳定达标后排入河湖等自然水体中。

13、进一步的，所述步骤(3)中建模参数的确定过程如下：

14、(1)对沉淀区域体积的约束，

15、体积不变v＝vs+vp，

16、vs:沉淀区域体积，

17、vp:净化区域体积，

18、(2)约束条件

19、ηc<c净化区域进水；

20、c净化区域出水<c受纳水体，

21、η是沉淀效率；c是污染物浓度，

22、1)沉淀区域效率与沉淀区域构筑物尺寸之间数学关系

23、

24、l：池长，b：池宽，

25、2)沉淀区域进水流量约束，

26、qmin≤q≤qmax

27、qmin：沉淀区域稳定运行所允许的最小流量，

28、qmax：沉淀区域稳定运行所允许的最大流量，4)沉淀区域长宽比约束

29、kmin≤k≤kmax

30、kmin：沉淀区域颗粒物达标去除所允许的最小长宽比，

31、kmax：沉淀区域颗粒物达标去除所允许的最大长宽比，5)沉淀时间约束

32、tmin≤t≤tmax

33、tmin：沉淀区域颗粒物达标去除所允许的最小沉淀时间，

34、tmax：沉淀区域颗粒物达标去除所允许的最大沉淀时间，6)出水水质

35、ηmin c≤ηc≤ηmaxc

36、ηmin：沉淀区域出水可进入净化湿地所允许的最大颗粒物浓度，ηmax：沉淀区域出水可进入净化湿地所允许的最小颗粒物浓度，7)水深约束

37、h min≤h≤h max

38、tmin：沉淀区域颗粒物达标去除所允许的最小深度，

39、tmax：沉淀区域颗粒物达标去除所允许的最大深度，

40、8)湿地净化区域的动态平衡为

41、

42、xf—出水中颗粒性组分的浓度，mg/l，

43、ζi—人工湿地为基质过滤吸附作用对颗粒性组分去除率，

44、ri—颗粒性组分反应速率；

45、9)出水水质约束

46、xf≤xfmax

47、xfmax：湿地净化出水满足最差水质条件；

48、建立沉淀区域、净化区域输入变量和输出变量之间的关系，利用多模块偏最小二乘法是对上述变量之间进行优化分析、进行求解，得出满足出水要求的沉淀区域、湿地净化区域体积比，在确定体积之后，对各部分进行优化，最终提高生态调蓄池的运行效率。

49、进一步的，所述多模块偏最小二乘(multi-block pls,mbpls)是在一个模型中涵盖多个数据矩阵或模块，模块类型既可以是回归建模矩阵、也可是响应变量矩阵，因此mbpls方法适用与包含可被划分为多个独立模块的变量数据集；mbpls主要包括回归模块和响应变量模块，找到模块间共有的潜变量空间，使得回归模块的矩阵和响应变量矩阵间的协方差最大，同时确定每个模块的潜变量结构，建立每个模块自身及所有模块的潜变量空间；

50、沉淀区域与净化区域为分开的两个单元，但功能之间具有协同，回归变量(x)为生态调蓄池内沉淀区域、净化区域体积及影响污染物去除的构造参数，响应变量(y)为出水水质综合指数，因此，通过mbpls模型对生态调蓄池不同构造及运行结果进行分析，确定满足出水要求的沉淀区域、湿地净化区域最优体积比，生态调蓄池mbpls模型主要包含回归变量(x)和响应变量(y)两个矩阵的信息以及之间的相互关系，将回归变量(x)和响应变量(y)在潜变量空间中投影的方程如下：

51、考虑p个变量y1、y2…yp与m个因变量x1、x2...xm的建模问题，其主要步骤如下所示

52、a.先在自变量中集中提取第一成分t1，其中t1是自变量x的线性组合，记为t1＝ω11x1+ω11x2+...+ω1mxm t1＝ω11x1+ω11x2+...+ω1mxm，用矩阵表示为：使得t1尽可能多的提取原自变量中的变异信息；

53、b.接着提取因变量y的第一成分μ1，同理

54、ω1、v1分别是回归变量(x)和响应变量(y)回归变量(x)和响应变量(y)的潜变量空间

55、c.保证t1与μ1的相关程度最大，然后建立原始因变量y1、y2…yp与t1的回归，如果回归方程已经达到要求的精度，则算法终止，否则继续第二成分的提取，直到达到满意的精度为止；

56、d.步骤c过程已经建立了y与t的回归关系，将t与x代换，即可得到原始变量y与x的不同模块矩阵之间的偏最小二乘归方程式；

57、步骤a-d中：自变量x1、x2...xm代表沉淀区域池长，沉淀区域池宽，沉淀区域进水流量，沉淀区域进水水质、沉淀区域长宽比，沉淀区域出水污染物浓度，净化区域基质吸附率，净化区域池长，净化区域池宽；因变量y代表生态调蓄池出水污染物浓度。

58、进一步的，所述回归方程式计算过程如下：

59、对数据进行标准化处理，即均值为0，标准差为1，设因变量组和自变量组的n次化观测数据矩阵分别为

60、

61、f0为标准化响应变量(y)，e0为标准化回归变量(x)，p代表响应变量的个数，m代表回归变量的个数，n代表进行n次化处理得到的标准化矩阵

62、由上述描述的多模块最小二乘回归的步骤可得：

63、(1)先提取自变量和因变量的第一成分，为了回归分析的需要如下要求：

64、1)t1与μ1尽可能的提取所在变量组的变异信息

65、2)t1与u1的相关程度尽可能大

66、t1、u1分别代表标准化响应变量(y)和标准化回归变量(x)的第一主要成分，

67、对于第一点要求，采用方差最大的方式来约束，描述性统计量，方差，可以反映变量的变异信息，也可以代表变量组携带的信息量的多少，用变异的大小来刻画信息，在统计里对应方差，方差的大小，可以用来描述变量信息的多少，综合上述的分析，可以得到，保证t1与u1各自的方差最大，即可得到需要的权值系数；

68、对于第二点要求，可以用协方差来刻画，两个变量的皮尔逊相关系数的表达式为：

69、

70、由于自变量和因变量都进行了标准化处理，所以标准差为1，均值为0，因此

71、

72、即相关系数可以用协方差表示,进而可以转化为向量的内积运算,内积运算可以用矩阵乘法来表示，式子中的n是矩阵的变量维度，由于t1与u1都是线性组合，其系数矩阵可以视为一维向量，二者写到-起可以构成n*2的矩阵，因此变量的维度为2,即n＝2，因此上式可以进一步化简为：

73、ρxy＝x，y＝xty

74、由两组变量集的标准化观测数据矩阵e0和f0，可以计算第一对成分的得分向量，记为t1和u1，则有：

75、

76、

77、有上述两个条件分析可知，此问题的目的为求为和的权值系数，可以转化为数学上的优化问题，即条件极值问题

78、

79、由拉格朗日乘数法可得

80、

81、分别对ω1和v1求偏导，可得

82、

83、

84、上式分别乘上和可得：

85、

86、

87、可以得到λ＝0

88、带入并消除v1可得：

89、

90、由矩阵的特征根和特征向量的形式可以看出来，问题转化为求m*m的矩阵的特征根和特征向量，且m的最大特征根是λ2，相应的特征向量就是ω1，带入可得

91、(2)建立原始因变量y1、y2…yn与t1的回归

92、由主成分分析的思路，将样本表示成为成分的线性组合的形式，可以得到

93、

94、

95、式子中的e1和g1是残差矩阵

96、由于t1和μ1具有很高的相关性，y可以用t1来表示会，则有

97、

98、由普通最小二乘可以得到

99、

100、

101、p1和r1为模型的效应负荷量。

102、(3)用残差e1和f1代替回归矩阵e0和响应变量f0重复上述步骤

103、记则有残差如果残差矩阵f1中的元素的绝对值非常接近于0，则可终止抽取成分、认为第一成分已满足需要，此时将替换，即可以直接建立y和x之间的关系，否则，需要用残差e1和f1代替e0和f0重复上述步骤；

104、(3)假设一共抽取k个成分，达到要求，则

105、

106、

107、把t1＝ωi1x1+ωi2x2+...ωinxm，(i＝1，2，3，...k)带入到

108、y＝t1r1+t2r2+...+tkrk中可以得到y和x之间的回归方程式为

109、yj＝aj1 x1+αj2x2+...+αjmxm，(j＝1，2，3，...p)

110、其中

111、由此可以求出满足出水水质条件的生态调蓄池的出水条件的沉淀区域和净化区域之间的关系，依据上述swmm模型所得总体积、则可进一步确定沉淀区域、净化区域的体积；如需进一步提高净化效果，则可在沉淀区域放置斜板、斜管或者投入絮凝剂等措施进行进一步强化，在净化区域则可投入原生、后生动物构建小型生态系统，提高溶解性污染物的去除效果。

112、本发明的有益效果是：

113、通过优选消能设施、筛选净化材料等措施，在污染处理达标基础上进一步优化各工序的配置与布局，建立沉淀区域、湿地净化区域数学关系；并通过mbpls模型算法确定最优体积分配比；并根据可变因素对模型结果的敏感性分析，识别关键影响因素，为性能提升提供支撑。