一种确定SWMM中含不同下垫面地表径流污染物参数W的方法与流程

本发明涉及一种确定SWMM中含不同下垫面地表径流污染物参数W的方法，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。

在SWMM模型中地表径流污染物浓度W除了与地表沉积物状况有关之外，还与受到大气污染影响的天然降雨的水质状态有关，通过直接获取地表水样直接检测可确定某种单一下垫面的的污染物参数值W，由于在城市下垫面中汇水流域往往由不同下垫面组成，可根据各下垫面的面积通过加权平均法获得汇水区出水口污染物的平均浓度值W，从而为SWMM模型中汇水区的地表径流水质参数的确定提供一种正确可靠的方法。

技术实现要素：
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本发明为确定受大气污染影响的天然降雨水质参数提供一种便利有效的方法，也为提高SWMM软件在降雨地表径流水质模拟中的精度，提供一种水质参数的确定方法。

SWMM模型中指数冲刷模型由下式表达：

式中：B为单位面积污染物沉积量(kg/10⁴m²)；W为污染物浓度(mg/L)；S₁为冲刷系数；S₂为冲刷指数；q为单位面积径流量(mm/h)。

地表径流污染物W由地表沉积物和受大气污染的天然降雨污染物组成的，通过采样装置获取地表径流水样，在一定间隔时间段△t_i(i＝1，2，3……n)(min)下获取不同时刻的地表径流水样并检测其污染物浓度，从而获得不同时间段下的地表径流污染物浓度值；对各类型下垫面的的污染物浓度进行加权平均，得到整场降雨中的平均值，若检测点由不同下垫面的地表径流汇集而成，则根据不同下垫面面积对污染物进行加权平均，求得污染物的均值浓度，从而获得SWMM水质模型中W值的大小。

(一)地表径流污染物采集及检测方法

根据自动雨水径流收集器(见图1)的设计原理，按水质监测方案要求的时间间隔放、取水样，当有一个集水器进水时，则开始计时，其它集水器以此时刻划分时间间段点，当地表径流收集时间到达规定的间断时间点时放空集水器，将水样引入样品瓶，并贴好标签，对于不到取样时间间隔点时，集水瓶中水面已接近瓶顶，应放水至样品瓶，并记录放水时间，贴好标签，作为加测水样，或作为弃水处理，这样可防止雨水流入空气缓冲瓶，同时也可保证集水瓶中的水样是刚从取样点抽取的最新水样。但在确定的时间间隔点仍要放空所有集水器中的收集的雨水,以保证在规定的时间间隔点有采集水样。取水样和弃水时，可手动开启和关闭通气阀和放水阀，将水样放入样品瓶或弃水瓶。

(1)降雨前将雨水传感器的湿度检测探头放置在户外同时将其固定住，防止受到风雨的作用倾斜或倒塌。

(2)将室外取样器放置到位，接着铺好室外输水导管，保证输水通畅，没有折弯死角。

(3)关闭好各放水阀和通气阀，打开抽真空阀。

(4)开启电源及单片机处理器的电源插头。

(5)观察单片机处理器上的屏幕显示器，注意降雨开始记录时间。

(6)观察并记录各室内集水瓶的出流时间。

(7)降雨结束后传感器信号断开，约60s后真空泵自动关闭。此时单片机的显示屏的显示时间即为降雨历时。

(二)污染物检测及数据处理方法

根据中国环境出版社出版的《水和废水监测分析方法》(第四版)采用国标规定的分析方法对目标地表径流污染物进行检测。

根据取样获得的不同降雨间隔时间段下的地表径流水样，经检测获取各时段下不同类型下垫面K的某种污染物浓度值W_t(W₁、W₂、W₃、W₄、…、W_n，t＝1、2、3、4、…、n)，n表示K下垫面第n次收集的样品编号。

为了获知不同下垫面K在整场降雨中的某种地表径流污染物的平均浓度，通过EMC法获得W_k，即各下垫面K中场次降雨某种径流污染物浓度的加权平均值，即：

式中：W_k为整场降雨中下垫面K的某种地表污染物的平均浓度(mg/L)，M为场降雨径流排放下垫面K中某种污染物总质量，mg；V为场降雨下垫面K中径流总体积，L；W_t为径流过程下垫面K中某种污染物t时刻浓度，mg/L；Q_t为下垫面K在t时刻径流量，mm/min；△t_i为各次收集样品时的降雨时间间隔。

地表瞬时径流量往往无法通过检测获得，因此在公式中Q可以通过降雨强度q代替求得W_k，即：

式中：W_k表示第K种下垫面地表径流污染物平均浓度，mg/L；q_t表示为径流过程中第K种下垫面单位面积t时刻降雨量，mm/min；△t_i为各次收集样品时的降雨时间间隔。

根据监测点的地表径流是由不同下垫面K的地表径流汇集而成，下垫面K的面积为A_K，通过各下垫面的面积对污染物浓度值进行加权平均，则：

式中：W为整个研究区域中地表污染物的平均浓度，mg/L；A_k表示第K种下垫面的面积，m²。

(三)技术路线图

见附图图2

附图说明

图1自动雨水径流采集装置

图2技术路线图

具体实施方式

通过本发明，可以准确获得SWMM软件应用时，在不同地区、含有不同类型下垫面研究区域内的地表径流污染物参数W，使得在工程实际应用中得到符合当地实际情况的地表径流污染物参数W，而不会由于参考SWMM软件中不符合当地实际情况的推荐值而产生错误的结果。

首先获取各时段下不同类型下垫面K的某种污染物浓度值W_t(W₁、W₂、W₃、W₄、…、W_n)。

再通过加权平均获得不同下垫面K在整场降雨中的地表径流污染物的平均浓度W_k，

由不同下垫面K的地表径流汇集而成的地表径流的污染物浓度参数W为：

效果说明：

以某块含有多种下垫面研究区域为例，说明效果如下：

该区域含有三种下垫面，分别命名为A、B、C，各下垫面的平均污染物浓度分别为W₁，W₂，W₃，各占地面积1.5、1.2、1.4公顷。各取样时刻的降雨强度为0.04、0.04、0.045、0.048、0.048、0.048、0.048、0.031、0.044、0.043、0.043mm/min，时间间隔△t_i为12.00、7.00、8.00、11.00、7.00、11.00、16.00、11.00、11.00、11.00、12.00min；

A下垫面污染物浓度值W_t为43.11、40.14、28.15、37.72、38.25、37.72、38.25、17.84、30.38、31.68、12.88mg/L，通过公式(3)算得W₁为32.686mg/L。

B下垫面污染物浓度值W_t为29.46、24.7、26.4、22.82、22.32、23.22、23.92、24.5、25.08、24.62、24.97mg/L,通过公式(3)算得W₂为24.689mg/L。

C下垫面污染物浓度值W_t为42.82、35.43、31.55、28.55、22.15、19.58、18.87、19.57、17.23、31.36、30.56mg/L,通过公式(3)算得W₃为26.492mg/L。

根据公式(4)算得由下垫面A、B、C汇集而成的整个区域的地表径流的污染物浓度参数W为28.23mg/L。

本发明的优势：

(1)通过实际地表径流水质监测数据解决SWMM软件中含有不同类型下垫面的研究区域中水质参数W的确定问题；

(2)将研究区域不同下垫面地表径流污染采集、检测和处理方法运用到SWMM模型冲刷参数的率定中，为今后SWMM水质冲刷模型参数的率定提供方法依据；

(3)为防止因地域中下垫面的不同给模型验算带来的误差，通过此方法可以在不同研究区域建立新的SWMM水质模型参数W。