CN112784409A - 基于lid措施的面源污染控制模拟方法 - Google Patents

基于lid措施的面源污染控制模拟方法 Download PDF

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CN112784409A CN202110053401.3A CN202110053401A CN112784409A CN 112784409 A CN112784409 A CN 112784409A CN 202110053401 A CN202110053401 A CN 202110053401A CN 112784409 A CN112784409 A CN 112784409A
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Abstract

本发明公开一种基于LID措施的面源污染控制模拟方法，包括：步骤1：使用拉格朗日插值法获取开发前降雨径流系数；步骤2：划分子汇水区域；步骤3：利用SWMM模拟面源污染物的累计‑冲刷；步骤4：根据待开发区域的清扫参数更新污染物累积量；步骤5：利用SWMM的水质编辑器，根据有效承载系数模拟LID措施对污染物的去除参数。本发明在机理模型的基础上利用暴雨管理模型模拟面源污染物的累计‑冲刷，具有数值计算简单，操作性强的优点。

Description

基于LID措施的面源污染控制模拟方法
技术领域
本发明涉及雨水管理技术，具体涉及一种基于低冲击开发(Low ImpactDevelopment， LID)技术的面源污染控制模拟方法。
背景技术
目前，我国大多数城市的雨水排水***依照传统雨水排水设计方法建造。传统的城市雨水排水设计多采用快速排出雨水的方式，在短期内保证了城市雨水排水***安全。但是，随着城市化水平的提高，城市不透水面积比例逐年增加，传统设计方式下的重现期水平已不能满足现代城市的雨水排水需求。尤其是特大暴雨发生时，对短时间内汇集的大量雨水，缺乏有效的、及时的排水方式是造成城市排水***瘫痪和内涝的根本原因。对我国而言，淡水资源十分宝贵，但雨水这种污染轻，水量大的淡水资源的利用率却很低，雨水资源的流失无疑是一种巨大的浪费。还有，雨水对地面的快速冲刷和排放又会为区域水环境带来严重的面源污染问题。
“Low Impact Development”这一术语首次于1977年Barlow等人编写的美国佛蒙特州土地利用规划报告中出现。现有研究多关注LID措施单体的性能研究，缺少与设计要素，例如措施设计规模，建设成本的关联。其次，部分研究从重现设计场景的角度出发，研究设计方案能达到的控制程度。鲜有研究从设计目标出发，通过优化设计计算直接给出在满足预期设计目标的情况下，LID措施的设计规模和建设成本。
非点源污染(non-point source pollution，NPS)又称为面源污染。非点源污染具有广泛性、随机性、不确定性和难监测等特点，其负荷计算远比点源困难，但获得准确的水体污染负荷量又是对水环境实施污染总量控制管理的基础和关键。目前使用的模拟计算方法主要有输出系数模型、实证模型和机理模型。但是输出系数模型对尺度不敏感，实证模型虽然对尺度敏感性高但是可移植性差。目前机理模型使用较多，其具有尺度敏感性高和可移植性好的优点，但是其对数据要求性高。
发明内容
本发明的目的是基于LID措施的面源污染控制模拟方法。
为解决上述技术问题，本发明通过以下的技术方案予以实现：
一种基于LID措施的面源污染控制模拟方法，包括：
步骤1：使用拉格朗日插值法获取开发前降雨径流系数
首先利用暴雨管理模型(Storm water management model，SWMM)中LID控制编辑模块，获取LID措施参数取值范围，再根据设计需要调整表面层、路面层、土壤层、蓄水层和暗渠的参数；
然后利用SWMM接收降雨数据，模拟水流在地表的运动，模拟水流和污染物的传输迁移过程；
步骤2：划分子汇水区域
按照待模拟的城市实际汇流情况将待开发区域划分为若干子汇水区域，形成以具有实际汇水能力的主干河流为中心的一级汇水区域；在一级汇水区内，将影响汇流途径的因子信息融入进数字高程模型(Digital Elevation Model，DEM)图，再根据细化的DEM图进行二级汇水区划分，从而形成二级汇水区；在二级汇水区内，根据排水设施空间的分布情况，利用Voronoi图进行三级划分，从而形成三级汇水区；
步骤3：利用SWMM模拟面源污染物的累计-冲刷
SWMM通过污染物增长，污染物冲刷和街道清扫参数定义土地使用类型，依据土地使用类型或地表特征设计污染物的增长情况；
假定污染物增长呈指数型增长，渐进达到最大值，使用指数函数计算污染物累计过程：
Figure BDA0002899985250000021
式中，B为污染物累积量，单位为g/m2；C1为最大增长可能，单位为g/m2；C2为增长速率常数；t为累计时间；
再利用指数冲刷法计算污染物冲刷过程，冲刷负荷与径流速率的C4次幂值和污染物增长量的乘积成正比，公式如下：
Figure BDA0002899985250000022
式中，W为冲刷负荷，单位为g/h；C3为冲刷系数；C4为冲刷指数；q为单位面积的径流速率，单位为mm/h；
步骤4：根据待开发区域的清扫参数更新污染物累积量；其中清扫参数包括：每次打扫之间的间隔天数；模拟开始时距离最近一次打扫的天数；通过清扫去除的污染物增长分数；
步骤5：利用SWMM的水质编辑器，根据有效承载系数模拟LID措施对污染物的去除参数；其中所述污染物包括TSS，CODCr和TN。
进一步的，所述步骤5中有效承载系数的获取方法如下：
利用SWMM模型构建不渗透性为100％的上游区域，获得上游区域的不透水区域面积，以及构建LID措施作为下游区域获取下游区域的LID措施面积，所述LID措施包括生物滞留池、透水路面、植草沟和绿色屋顶；
获得不透水区域面积比例：
Figure BDA0002899985250000031
调整获得的不透水区域面积比例在0-100％的区间内按5％的涨幅变动，执行模拟，得出配有各类LID措施的汇水区域在各类降雨事件下，对应不同不透水区域面积比例的开发前的径流系数；
通过Matlab对不透水面积比例进行插值计算，以开发前径流系数为插值点，得出相对应的不透水区域面积比例，计为可控制不透水比例；随后，获取有效承载系数(Effective Load Factor，ELF)：
Figure BDA0002899985250000032
式中，ELF表示有效承载系数；Rimp表示可控制不透水比例。进一步的，所述LID措施包括：生物滞留池、透水路面、植草沟和绿色屋顶。
与现有技术相比，本发明有益效果及显著进步在于：
本发明在机理模型的基础上借助雨水管理模拟工具，利用暴雨管理模型模拟面源污染物的累计-冲刷，具有数值计算简单，操作性强的优点。本发明有效的模拟面源污染控制，为海绵城市LID措施的制定和调控提供精确的数据支持，智能化程度高。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案、有益效果及显著进步更加清楚，下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所有描述的这些实施例仅是本发明的部分实施例，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。
一种基于LID措施的面源污染控制模拟方法，包括：
步骤1：使用拉格朗日插值法获取开发前降雨径流系数
首先利用SWMM中LID控制编辑模块，获取LID措施参数取值范围；再根据设计需要调整表面层、路面层、土壤层、蓄水层和暗渠的参数。
其中，所述表面层、路面层、土壤层、蓄水层和暗渠的参数见表1。
表1 LID措施过程层模拟参数
Figure BDA0002899985250000041
然后利用SWMM接收降雨数据，模拟水流在地表的运动，模拟水流和污染物的传输迁移过程。
步骤2：划分子汇水区域
按照待模拟的城市实际汇流情况将待开发区域划分为若干子汇水区域，形成以具有实际汇水能力的主干河流为中心的一级汇水区域；在一级汇水区内，将影响汇流途径的因子信息融入进DEM图，再根据细化的DEM图进行二级汇水区划分，从而形成二级汇水区；在二级汇水区内，根据排水设施空间的分布情况，利用Voronoi图进行三级划分，从而形成三级汇水区。
步骤3：利用SWMM模拟面源污染物的累计-冲刷
SWMM对非点源污染的模拟方法是基于累计-冲刷，配合SWMM管道水力计算的能力，可以更好的适用于城市区域非点源污染的研究。土地的开发使用赋予了研究区域不同的地表特征，根据地表特征的不同设置不同的污染物参数是SWMM对水质模拟的前提。土地使用类型有住宅，商业，工业和未开发区域等。SWMM通过污染物增长，污染物冲刷和街道清扫来定义每一种土地使用类型。通过表5-4和表5-5的对比，在污染物累计过程中指数函数法更贴近实际污染物累积状态，计算精度较高；在污染物冲刷过程中指数型冲刷法考虑降雨径流量对冲刷过程的影响，更符合实际降雨过程。污染物累积指数函数和污染物冲刷指数函数也是SWMM中可供选择的计算方式，因此本文对污染物的模拟均采用指数型算法。
SWMM利用污染物增长，污染物冲刷和街道清扫参数定义土地使用类型，再依据确定的土地使用类型设计污染物的增长情况。
假定污染物增长呈指数型增长，渐进达到最大值，使用指数函数计算污染物累计过程：
Figure BDA0002899985250000051
式中，B为污染物累积量，单位为g/m2；C1为最大增长可能，单位为g/m2；C2为增长速率常数；t为累计时间。
再利用指数冲刷法计算污染物冲刷过程，冲刷负荷与径流速率的C4次幂值和污染物增长量的乘积成正比，公式如下：
Figure BDA0002899985250000052
式中，W为冲刷负荷，单位为g/h；C3为冲刷系数；C4为冲刷指数；q为单位面积的径流速率，单位为mm/h。
步骤4：根据待开发区域的清扫参数更新污染物累积量；其中清扫参数包括：每次打扫之间的间隔天数；模拟开始时距离最近一次打扫的天数；通过清扫去除的污染物增长分数。
步骤5：利用SWMM的水质编辑器，根据有效承载系数模拟LID措施对污染物的去除参数；其中所述污染物包括TSS，CODCr和TN。
为了避免国内外污染物污染方式定义不一致带来的模拟差异，同时考虑到我国水质指标中的主要污染物名录，本文选取TSS，CODCr，TN作为目标污染物，污染物参数表如表 2和表3所示。
表2不同土地利用方式地表污染物累积模拟参数
Figure BDA0002899985250000061
表3不同土地利用地表的不同污染因子冲刷模拟参数
Figure BDA0002899985250000062
本文对LID措施的水质模拟是在满足有效承载系数的前提下进行的，用以描述LID措施在满足径流量控制目前的前提下对TSS，CODCr，TN的去除情况，为设计工作者提供参考。模拟采用SWMM的水质编辑器，污染物的累积和冲刷均采用指数型算法，计算参数如表2和表3所示。考虑到社区打扫具有一定的周期性，以每个周期中污染物累积量最大时进行模拟，因此令每次打扫之间的间隔天数等于模拟开始时距离最近一次打扫的天数。其中道路的打扫周期设为7天，屋顶和绿地以30天时的污染物累积量为最大值，通过清扫去除的污染物增长分数设为50％。
由于非点源污染受降雨环境和时空变化的影响较大，现有实测研究中LID措施对非点源污染的去除率多以波动范围表示。因此，本文针对TSS，CODCr，TN三类污染物的模拟计算只作为LID措施满足有效承载系数条件时的去除情况，模拟结果如表4至6所示。
表4 LID措施对地表径流中TSS的去除率
Figure BDA0002899985250000071
表5 LID措施对地表径流中CODCr的去除率
Figure BDA0002899985250000072
Figure BDA0002899985250000081
表6 LID措施对地表径流中TN的去除率
Figure BDA0002899985250000082
以上各实施例和具体案例仅用以说明本发明的技术方案，而非是对其的限制，尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换，而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，本领域技术人员根据本说明书内容所做出的非本质改进和调整或者替换，均属本发明所要求保护的范围。

Claims (3)

1.一种基于LID措施的面源污染控制模拟方法，其特征在于，所述方法包括：
步骤1：使用拉格朗日插值法获取开发前降雨径流系数
首先利用暴雨管理模型(Storm water management model，SWMM)中LID控制编辑模块，获取LID措施参数取值范围；再根据设计需要调整表面层、路面层、土壤层、蓄水层和暗渠的参数；
然后利用SWMM接收降雨数据，模拟水流在地表的运动，模拟水流和污染物的传输迁移过程；
步骤2：划分子汇水区域
按照待模拟的城市实际汇流情况将待开发区域划分为若干子汇水区域，形成以具有实际汇水能力的主干河流为中心的一级汇水区域；在一级汇水区内，将影响汇流途径的因子信息融入进数字高程模型(Digital Elevation Model，DEM)图，再根据细化的DEM图进行二级汇水区划分，从而形成二级汇水区；在二级汇水区内，根据排水设施空间的分布情况，利用Voronoi图进行三级划分，从而形成三级汇水区；
步骤3：利用SWMM模拟面源污染物的累计-冲刷
SWMM利用污染物增长，污染物冲刷和街道清扫参数定义土地使用类型，再依据确定的土地使用类型设计污染物的增长情况；
假定污染物增长呈指数型增长，渐进达到最大值，使用指数函数计算污染物累计过程：
Figure FDA0002899985240000011
式中，B为污染物累积量，单位为g/m2；C1为最大增长可能，单位为g/m2；C2为增长速率常数；t为累计时间；
再利用指数冲刷法计算污染物冲刷过程，冲刷负荷与径流速率的C4次幂值和污染物增长量的乘积成正比，公式如下：
Figure FDA0002899985240000012
式中，W为冲刷负荷，单位为g/h；C3为冲刷系数；C4为冲刷指数；q为单位面积的径流速率，单位为mm/h；
步骤4：根据待开发区域的清扫参数更新污染物累积量；其中清扫参数包括：每次打扫之间的间隔天数；模拟开始时距离最近一次打扫的天数；通过清扫去除的污染物增长分数；
步骤5：利用SWMM的水质编辑器，根据有效承载系数模拟LID措施对污染物的去除参数；其中所述污染物包括TSS，CODCr和TN。
2.根据权利要求1所述的基于LID措施的面源污染控制模拟方法，其特征在于，所述步骤5中有效承载系数的获取方法如下：
利用SWMM模型构建不渗透性为100％的上游区域，获得上游区域的不透水区域面积，以及构建LID措施作为下游区域获取下游区域的LID措施面积，所述LID措施包括生物滞留池、透水路面、植草沟和绿色屋顶；
获得不透水区域面积比例：
Figure FDA0002899985240000021
调整获得的不透水区域面积比例在0-100％的区间内按5％的涨幅变动，执行模拟，得出配有各类LID措施的汇水区域在各类降雨事件下，对应不同不透水区域面积比例的开发前的径流系数；
通过Matlab对不透水面积比例进行插值计算，以开发前径流系数为插值点，得出相对应的不透水区域面积比例，计为可控制不透水比例；随后，获取有效承载系数(EffectiveLoad Factor，ELF)：
Figure FDA0002899985240000022
式中，ELF表示有效承载系数；Rimp表示可控制不透水比例。
3.根据权利要求1所述的基于LID措施的面源污染控制模拟方法，其特征在于，所述LID措施包括：生物滞留池、透水路面、植草沟和绿色屋顶。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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