一种直接获得SWMM水质模型参数B的方法与流程

本发明涉及一种直接获得SWMM水质模型参数B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。

通过对SWMM软件中地表沉积物参数B的确定方法，推求SWMM累积模型和冲刷模型参数，提高SWMM水质模型在区域性中准确率，为实现实际工程模拟所需提供意义。

技术实现要素：

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。

参数B在SWMM模型中称为单位面积污染物沉积量，在指数模型公式中起着至关重要的作用。单位面积污染物的沉积量通常采用三种方法获得，即框架采样方法、真空采样方法和水洗采样方法。首先根据研究区域下垫面的属性不同，从三种方法中的选取最佳采样方式获取地表沉积物；其次根据《水和废水监测分析方法》(第四版)对各下垫面沉积污染物进行检测并对数据进行处理获取目标数据“B_k”；接着根据研究区域各下垫面的面积大小，采用加权平均法(EMC法)求得沉积物中各沉积污染物的平均负荷量“B”；最后将“B”代入SWMM模型中确定为其参数。

(一)采样方法

1框架采样方法(申请号:CN201510884754.2)

1.1装置包括清扫器(毛刷)和框架取样器。

清扫器选用普通硬质毛刷，宽度为4cm，毛刷个数依不同采样点的个数而定，框架取样器面积为Acm²，且形状固定不变形。当收集到的污染物小于等于10g/m²时，可用该框架取样器在选定的采样点附近多次采样，每一次都在不同的地点采样，直到所收集到的污染物总量大于10g/m²为止。见附图1

1.2采样步骤

首先，把框架取样器按压固定在选定的城市不透水地面上(建筑屋顶，交通道路，广场)，用毛刷扫取框架取样器内的污染物，尤其将框架取样器的边角扫彻底，重复扫取5遍；接着，收集污染物，做好标签以备用；最后，全部采样结束后，做好标签送实验室。

注意：不同采样点要换用毛刷，防止毛刷造成二次污染。

1.3沉积物处理步骤

第一步：称重及其准备工作。按标签依次将收集到的污染物在103—105摄氏度下烘干2小时，连续烘干2次，移入干燥器冷却至室温，按标签依次称重各采样点污染物的重量，并做好记录。

第二步：污染程度的单位换算。采样收集到的污染物重量除以采样面积即得污染程度为x g/m²，并做好记录。

第三步：实验室化学检测分析。按标签将称重后的污染物溶于1L纯净水中，振荡均匀充分溶解，按标准方法(见下文)进行化学检测，并做好记录。

第四步：根据以上结果分析各种不同指标污染物的污染程度。

2真空采样方法(申请号:CN201510884762.7)

2.1装置和材料

装置包括：蓄电池、微型直流真空泵、通气管、广口瓶、框架取样器。

(1)蓄电池工作电压为12V，体积为15cm*15cm*15cm。

(2)微型直流真空泵，其真空度为75kpa，工作电压12V，额定流量10L/m in。

(3)通气管为直径10mm的塑料透明软管。

(4)广口瓶体积为2.5L，并带有密封胶塞。广口瓶个数依不同采样点的个数而定。

(5)框架取样器面积为A cm²，且形状固定不变形。。

装置的连接：广口瓶内事先装入1L超纯水，瓶口用胶塞塞紧，胶塞上做两个通气管，其中进气管一头置于瓶外，一头进入瓶内，距瓶底1cm，出气管一头进入瓶内10cm，一头连接微型直流真空泵的进气口。同时，微型直流真空泵与蓄电池和电源开关连接好。见附图2

2.2采样步骤

首先，将框架取样器按压固定在选定的城市不透水地面上(建筑屋顶，交通道路，广场)，框架取样器与城市不透水地表之间的空隙用橡皮泥封闭好；接着，打开电源开关，启动微型直流真空泵，用置于瓶外的通气管将框架内的污染物全部吸入广口瓶中；最后，将溶解的水样液收集起来，做好标签以便使用。

注意：(1)不同采样点要安装不同的广口瓶，防止造成二次污染；

(2)所有采样点采样结束，做好记录送实验室。

2.3样品处理步骤

第一步：将收集的水样振荡混匀之后放置在4℃的冷藏柜中静置24小时；

第二步：根据国家标准对水样中的COD、NH₄-N、TP、TN和SS进行检测。

3水洗采样方法(申请号:CN201510886443.X)

3.1装置和材料

装置包括清扫器(毛刷)、框架取样器、蓄电池、直流真空泵、通气管、广口瓶和超纯水。

(1)清扫器毛刷选取硬毛毛刷，宽度为4cm，不具有吸附性。毛刷个数依不同采样点的个数而定

(2)蓄电池工作电压为12V，体积为15cm*15cm*15cm。

(3)微型直流真空泵，其真空度为75kpa，工作电压12V，额定流量10L/m in。

(4)通气管为直径6mm的塑料透明软管。

(5)广口瓶体积为2.5L，并带有密封胶塞。广口瓶个数依不同采样点的个数而定

(6)框架取样器面积为A cm²，且形状固定不变形。

(7)超纯水使用实验室超纯水设备过滤消解而制成。

装置的连接：广口瓶瓶口用胶塞塞紧，胶塞上做两个通气管，其中进气管一头置于瓶外，一头进入瓶内10cm，出气管一头进入瓶内10cm，一头连接微型直流真空泵的进气口。同时，微型直流真空泵与蓄电池和电源开关连接好。见附图3

3.2装置操作步骤

首先，把框架取样器按压固定在选定的城市不透水地面上(建筑屋顶，交通道路，广场)，框架取样器与城市不透水地表之间的空隙用橡皮泥封闭好；接着，向框架取样器内倒入500ml超纯水，用事先湿润好的毛刷清扫框架取样器内的污染物，尤其将框架取样器的边角清扫彻底；再者，打开电源开关，启动微型直流真空泵，用置于瓶外的通气管将框架内的混合溶液吸入瓶中；最后，收集起来，做好标签以备用。

注意：

(1)同采样点安装不同的广口瓶，选用不同的毛刷，防止广口瓶和毛刷造成二次污染；

(2)所有采样点采样完成，做好记录送实验室。

3.3样品处理步骤

第一步：将收集的水样振荡混匀之后放置在4℃的冷藏柜中静置24小时；

第二步：根据国家标准对水样中的目标污染物进行检测。

(二)数据处理方法

当监测点的地表径流是由单一下垫面的地表径流汇集而成时，取样面积为A的框架取样器，每次将采集的样品溶于体积为V的超纯水中，根据《水和废水监测分析方法》(第四版)对各下垫面沉积污染物进行检测，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”，接着进行单位转化，即得到的结果即为单位面积污染物的质量B，公式(1)，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。

式(1)中：B为单一下垫面中单位面积污染物沉积量(kg/10⁴m²)；C为污染物的浓度(mg/L)；V为加入超纯水的体积(L)；A为框架取样器面积(cm²)；

当监测点的地表径流是由不同下垫面的地表径流汇集而成，通过各垫面的面积对地表沉积物进行加权平均，则：

式(2)中：B为多种下垫面中污染物单位面积沉积量，kg/10⁴m²；B_a为研究区域中a中下垫面地表污染物负荷，kg/10⁴m²；B_b为研究区域中b中下垫面的地表污染物负荷，kg/10⁴m²；B_k为研究区域中k种下垫面的地表污染物负荷，kg/10⁴m²；S_a表示第a种下垫面的面积，m²；S_b表示第b种下垫面的面积，m²；S_k表示第k种下垫面的面积，m²。

本方法的优势：

(1)根据地表污染物实际监测数据确定SWMM软件中水质模型参

数B值；

(2)既可以在单一下垫面获取B值也可以在根据研究区域的多种下垫面类型下获得平均值B值；

(3)确定不同污染物水质参数B取值范围，为SWMM软件准确模拟提供支持。

附图说明

图1框架采样装置图；

图2真空采样装置图；

图3水洗采样装置图；

图4技术路线图

具体实施方式：

首先从三种采样方式中采用一种，对采样点污染物进行采集，将采集的污染物溶于超纯水中，进行振荡并浸泡溶解24h；其次采用《水和废水监测分析方法》(第四版)对浸泡的水样(上清液)进行检测，获得污染物浓度值C；最后，通过取样器面积A和超纯水体积V对污染物浓度值进行处理，获得单位面积地表污染物的负荷量B值，当监测点的地表径流是由不同下垫面的地表径流汇集而成，通过各垫面的面积对地表沉积物进行加权平均获得B值。

具体效果：

三种不同采样方法各自有独自的优势，对于地表平整空隙小的下垫面适合框架取样方法也可使用水洗采样方法、地表空隙较大的下垫面适合真空取样方法，此三者方法操作简单，便于携带，取样效率高，可反映真实地表污染物的沉积状况。2016年在北京工业大学实验区西大望路上采用框架取样法获取地表污染物SS的参数B值为2.4×10⁵kg/10⁴m²,TP的参数B值为38kg/10⁴m²；TN的参数B值为493kg/10⁴m²；NH₄-N的参数B值为260kg/10⁴m²；COD的参数B值为1.64×10⁴kg/10⁴m²。