本發(fā)明涉及一種確定SWMM水質(zhì)沖刷模型參數(shù)的方法，屬于市政工程、環(huán)境工程、海綿城市建設(shè)和計(jì)算機(jī)模型軟件參數(shù)確定的交叉領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

SWMM(Storm Water Management Model)又稱暴雨洪水管理模型是美國環(huán)境保護(hù)署開發(fā)的一款動態(tài)的降水-徑流模擬模型，除了用于模擬城市某一單一降水事件或長期的水量也可以用于水質(zhì)模擬。其徑流模塊部分綜合處理各子流域所發(fā)生的降水，徑流和污染負(fù)荷。其匯流模塊部分則通過管網(wǎng)、渠道、蓄水和處理設(shè)施、水泵、調(diào)節(jié)閘等進(jìn)行水量傳輸。該模型可以跟蹤模擬不同時間步長任意時刻每個子流域所產(chǎn)生徑流的水質(zhì)和水量，以及每個管道和河道中水的流量、水深及水質(zhì)等情況。

SWMM模型可以動態(tài)的模擬降雨徑流，但在模擬水流水質(zhì)的單一或者連續(xù)方面較為常用，即城市面源污染的研究方面，該模型是模擬評估使得面源污染負(fù)荷有效降低的最佳管理措施(BMPs)。在美國、加拿大和歐洲等國家，該模型都被用來解決當(dāng)?shù)氐呐潘乃亢退|(zhì)問題，在分析有關(guān)防止雨污合流制管道的溢流情況、城市大降水管理規(guī)劃以及降低污染負(fù)荷方面時，該模型都能得到較好的模擬效果。在我國隨著海綿城市建設(shè)的推廣，城市生態(tài)系統(tǒng)的規(guī)劃，借助計(jì)算機(jī)模型可以反映城市地表徑流水質(zhì)的運(yùn)移情況，在添加LID措施的作用下通過對SWMM模型水質(zhì)參數(shù)的設(shè)定預(yù)測海綿城市建設(shè)后的水質(zhì)情況，從而反映LID措施在海綿城市規(guī)劃建設(shè)中的效果。

SWMM模型參數(shù)是美國環(huán)保署根據(jù)美國的土地利用類型、地表污染狀況以及環(huán)境質(zhì)量等因素確定的，其使用上具有局限性。由地形和城市生活環(huán)境的差異性，其參數(shù)所具有的局限性導(dǎo)致無法直接在我國城市地表徑流水質(zhì)中進(jìn)行模擬和使用。目前在國內(nèi)SWMM水質(zhì)模型的使用上，多數(shù)照搬國外SWMM模型手冊上的參數(shù)，沒有適合我國國情的一套參數(shù)，同時也沒有一套關(guān)于SWMM水質(zhì)參數(shù)的率定方法。本專利旨在提供一套根據(jù)我國國情確定SWMM水質(zhì)沖刷模型參數(shù)W為污染物濃度(mg/L)；B為單位面積污染物沉積量(kg/10⁴m²)；參數(shù)S₁為沖刷系數(shù)、S₂為沖刷指數(shù)；參數(shù)q為單位面積徑流量(mm/h)；累積模型中C₁為最大增長可能和C₂為增長速率常數(shù)等參數(shù)的方法。在原有的SWMM水質(zhì)模型的基礎(chǔ)上對其進(jìn)行繼承和改進(jìn)，并提出一套完整的測定方法，分別為：《一種直接獲得SWMM水質(zhì)模型中參數(shù)W的方法》、《一種確定SWMM軟件中地表徑流污染物參數(shù)W的方法》、《一種確定SWMM中含不同下墊面地表徑流污染物參數(shù)W的方法》、《一種受大氣污染影響自然降雨水質(zhì)參數(shù)W₁的確定方法》、《一種無大氣影響下SWMM中地表徑流水質(zhì)參數(shù)W₀的確定方法》、《一種直接獲得SWMM水質(zhì)模型參數(shù)B的方法》、《一種確定SWMM軟件中累積參數(shù)確定的方法》、《一種確定SWMM水質(zhì)沖刷模型參數(shù)的方法》，共計(jì)八個測定方法。

由于受地域環(huán)境的影響，地表徑流沖刷模型參數(shù)S₁、S₂除了受地表沉積物影響之外還與受大氣影響的天然降雨污染物的影響，通過對原有SWMM沖刷模型參數(shù)S₁和S₂進(jìn)行率定，以提高SWMM水質(zhì)模型在區(qū)域性中準(zhǔn)確率，為實(shí)現(xiàn)實(shí)際工程模擬的所需。通過將工程實(shí)際監(jiān)測結(jié)果和模型模擬結(jié)果進(jìn)行對比發(fā)現(xiàn)，水質(zhì)參數(shù)獲取的正確性，說明該套方法具有科學(xué)性和實(shí)用價(jià)值。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明為提高SWMM軟件在降雨徑流水質(zhì)模擬中的精度，提供一種水質(zhì)參數(shù)的確定方法。

SWMM軟件中沖刷參數(shù)的確定是制約SWMM軟件在降雨徑流水質(zhì)模擬中的關(guān)鍵因素。SWMM軟件中沖刷過程包括時間平均濃度(EMC)、性能曲線和指數(shù)模型。其中指數(shù)模型(見式(1))受到大家普遍關(guān)注，該模型中沖刷系數(shù)S₁和沖刷指數(shù)S₂是該模型應(yīng)用的關(guān)鍵，本發(fā)明意在對S₁和S₂參數(shù)的率定提供一種確定方法。

1.一種確定SWMM水質(zhì)沖刷模型參數(shù)的方法，其特征在于步驟如下；

首先通過地表徑流采樣裝置獲取地表徑流水樣，在相同間隔時間段下獲取不同時刻的地表徑流水樣并檢測其污染物濃度值W_t，再由記錄t時刻下的降雨強(qiáng)度值q_t；結(jié)合旱天采集的地表沉積物檢測得到污染物沉積負(fù)荷量值，由單位面積污染物沉積量初始值在t時刻下沖刷消減得到剩下污染物累積量B_t，最后將一場雨中不同時刻下的B_t、W_t和q_t值代入指數(shù)沖刷函數(shù)公式

式中：B為單位面積污染物沉積量(kg/10⁴m²)；W為污染物濃度(mg/L)；S₁為沖刷系數(shù)；S₂為沖刷指數(shù)；q為單位面積徑流量(mm/h)；用excel繪出各散點(diǎn)，并添加趨勢圖和趨勢函數(shù)，從而從趨勢函數(shù)公式中獲得確定S₁和S₂的值。

進(jìn)一步，其特征在于，通過對地表徑流污染物的和地表沉積污染物進(jìn)行研究，對單一下墊面的SWMM水質(zhì)沖刷模型參數(shù)S₁和S₂進(jìn)行確定，或者對多個不同類型的下墊面SWMM水質(zhì)沖刷模型參數(shù)S₁和S₂進(jìn)行確定。

進(jìn)一步，其特征在于，

式中：B為單位面積污染物沉積量(kg/10⁴m²)；C為污染物的濃度(mg/L)；V為加入蒸餾水的體積(L)；A為框架取樣器面積；

令：

式中：△t表示單位間隔時間；B_t為在第t時刻下單位面積污染物負(fù)荷量(kg/10⁴m²)；B_n為在第n時刻下單位面積污染物負(fù)荷量(kg/10⁴m²)；Q_t為第t時刻徑流量，m³/s；Q_n-1為第n-1時刻徑流量，(m³/s)；W_t為第t時刻下的污染物濃度值(mg/L)；W _n-1為第n-1時刻下的污染物濃度值(mg/L)

根據(jù)水質(zhì)模型公式(1)對其進(jìn)行變形得：

令得

根據(jù)單位面積沉積物B_t和降雨徑流污染物監(jiān)測濃度W_t確定K_t值，得：

根據(jù)不同降雨時刻下的位面積徑流量q_t、第t時刻下單位面積污染物負(fù)荷量B_t和降雨徑流污染物W_t的數(shù)值得到一系列對應(yīng)點(diǎn)的值，在Excel中根據(jù)對應(yīng)點(diǎn)繪制出散點(diǎn)圖，再根據(jù)散點(diǎn)圖添加指數(shù)函數(shù)趨勢線及公式，得到其中k₁＝S₁，k₂＝S₂，從而獲知S₁和S₂值的大小。

本發(fā)明收集器的優(yōu)勢：

(1)通過實(shí)際地表徑流水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)解決SWMM軟件中水質(zhì)參數(shù)的確定問題；

(2)將大氣污染物和地表沉積污染物合并為城市地表徑流的污染源，建立新的水質(zhì)沖刷模型公式；

(3)通過此方法可為不同區(qū)域下構(gòu)建SWMM水質(zhì)模型，提供S₁和S₂的獲取方法，為防止因地域問題給模型帶來的偶然誤差。

附圖說明

圖1離散點(diǎn)擬合曲線圖

圖2技術(shù)路線圖

具體實(shí)施方式：

首先確定單位面積徑流量q值，根據(jù)翻斗式雨量記錄每時刻的降雨量q_t，再將毫米每分鐘轉(zhuǎn)化成毫米每小時的降雨量；其次確定污染物濃度W，將地表徑流水樣在t時段中的某種污染物采用《水和廢水監(jiān)測分析方法》(第四版)進(jìn)行檢測分析獲取W_t；再次確定單位面積污染物沉積量B值，通過選取面積為A的框架取樣器，每次將采集的樣品溶于體積為V的蒸餾水中，通過檢測得出一種污染物的濃度C，將C·V得出該污染物指標(biāo)的質(zhì)量M，接著將污染物的質(zhì)量進(jìn)行單位化則用M/A得到的結(jié)果即為初始單位面積污染物的質(zhì)量B，通過沖刷濃度獲取t時刻下單位面積污染物負(fù)荷量B_t；最后將q_t、Wt和B_t值繪制離散點(diǎn)，通過相關(guān)性確定SWMM水質(zhì)參數(shù)S₁和S₂的值，在多場降雨條件下采用類似方法可獲得S₁和S₂值的取值范圍。

首先通過地表徑流采樣裝置獲取地表徑流水樣，需要在相同間隔時間段(Δt＝k min)下獲取不同時刻(t)的地表徑流水樣并檢測其污染物濃度值W_t，再由翻斗式雨量計(jì)記錄t時刻下的降雨強(qiáng)度值q_t；結(jié)合旱天采集的地表沉積物檢測得到污染物沉積負(fù)荷量B值，由B值在t時刻下沖刷消減得到污染物累積量B_t，最后將一場雨中不同時刻下的B_t、W_t和q_t值代入指數(shù)沖刷函數(shù)公式中；并在excel上繪出不同時刻下的各散點(diǎn)，添加趨勢圖和趨勢函數(shù)，從而從函數(shù)公式中獲得確定S₁和S₂的值。該方法可經(jīng)過多場降雨來獲得S₁和S₂的取值范圍。

1.SWMM的水質(zhì)模型

SWMM模型中指數(shù)沖刷模型由下式表達(dá)：

式中：B為單位面積污染物沉積量(kg/10⁴m²)；W為污染物濃度(mg/L)；S₁為沖刷系數(shù)；S₂為沖刷指數(shù)；q為單位面積徑流量(mm/h)。

2.模型參數(shù)的率定方法

(1)單位面積徑流量q(mm/h)的確定

單位面積徑流量q即為降雨強(qiáng)度，根據(jù)翻斗式雨量記錄每時刻的降雨量q_t(q₁、q₂、q₃、…、q_n，t＝1、2、3、4、…、n，其中n表示第n次記錄降雨量的次數(shù))，再將毫米每分鐘轉(zhuǎn)化成毫米每小時的降雨量。

(2)污染物濃度W(mg/L)確定

根據(jù)中國環(huán)境出版社出版的《水和廢水監(jiān)測分析方法》(第四版)采用國標(biāo)分析方法對目標(biāo)地表徑流污染物進(jìn)行檢測。

根據(jù)不同降雨間隔時間下地表徑流水樣，經(jīng)檢測獲取t時段下的污染物濃度值W_t(W₁、W₂、W₃、W₄、…、W_n，t＝1、2、3、4、…、n，其中n表示第n次記錄采樣次數(shù)，它與第n次記錄降雨次數(shù)相對應(yīng))。

(3)單位面積污染物沉積量B(kg/10⁴m²)的確定

選取面積為A的框架取樣器，每次將采集的樣品溶于體積為V的蒸餾水中，通過檢測得出一種污染物的濃度C，將C·V得出該污染物指標(biāo)的質(zhì)量M，接著將污染物的質(zhì)量進(jìn)行單位化則用M/A得到的結(jié)果即為單位面積污染物的質(zhì)量B，公式(4)，為了防止單個取樣點(diǎn)的選取具有偶然性，可同一個下墊面下取得的三個平行樣的平均污染物單位負(fù)荷量。

式中：B為沉積物的質(zhì)量(kg/10⁴m²)；C為污染物的濃度(mg/L)；V為加入蒸餾水的體積(L)；A為框架取樣器面積，一般取0.04m²；

令：

式中：△t表示單位間隔時間；B_t為在第t時刻下單位面積污染物負(fù)荷量(kg/10⁴m²)；B_n為在第n時刻下單位面積污染物負(fù)荷量(kg/10⁴m²)；Q_t為第t時刻徑流量，m³/s；Q_n-1為第n-1時刻徑流量，(m³/s)；W_t為第t時刻下的污染物濃度值(mg/L)；W_n-1為第n-1時刻下的污染物濃度值(mg/L)

(4)SWMM指數(shù)沖刷系數(shù)S₁和沖刷指數(shù)S₂的確定

根據(jù)水質(zhì)模型公式(1)對其進(jìn)行變形得：

令得根據(jù)單位面積沉積物B_t和降雨徑流污染物監(jiān)測濃度W_t可以確

定K_t值，得：

根據(jù)不同降雨時刻下的位面積徑流量q_t、地表沉積物B_t和降雨徑流污染物W_t的數(shù)值得到一系列對應(yīng)點(diǎn)的值，如下表：

在Excel中根據(jù)對應(yīng)點(diǎn)繪制出散點(diǎn)圖，再根據(jù)散點(diǎn)圖(見附圖1)添加指數(shù)函數(shù)趨勢線及公式，得到其中k₁＝S₁，k₂＝S₂，從而獲知S₁和S₂值的大小。

再由多場降雨條件下采用類似方法獲得S₁和S₂值的取值范圍。

具體效果：

通過采用該方法確定沖刷參數(shù)，選取2015年3月31日北京工業(yè)大學(xué)實(shí)測資料將SWMM模擬地表濃度曲線和實(shí)測地表徑流水質(zhì)曲線進(jìn)行對比發(fā)現(xiàn)，校園降雨徑流污染物SS、COD、氨氮模擬結(jié)果數(shù)據(jù)與實(shí)測數(shù)據(jù)相對偏差介于0.013-1.117之間，標(biāo)準(zhǔn)偏差均小于2.96％，滿足模擬要求，表明所確定的SWMM水質(zhì)參數(shù)取值范圍合理，說明該方法的正確性。