一種確定SWMM軟件中地表徑流污染物參數W的方法與流程
本發明涉及一種確定SWMM軟件中地表徑流污染物參數W的方法，屬于市政工程、環境工程、海綿城市建設和計算機模型軟件參數確定的交叉領域。
背景技術：
SWMM(Storm Water Management Model)又稱暴雨洪水管理模型是美國環境保護署開發的一款動態的降水-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模擬。其徑流模塊部分綜合處理各子流域所發生的降水，徑流和污染負荷。其匯流模塊部分則通過管網、渠道、蓄水和處理設施、水泵、調節閘等進行水量傳輸。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生徑流的水質和水量，以及每個管道和河道中水的流量、水深及水質等情況。
SWMM模型可以動態的模擬降雨徑流，但在模擬水流水質的單一或者連續方面較為常用，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地的排水的水量和水質問題，在分析有關防止雨污合流制管道的溢流情況、城市大降水管理規劃以及降低污染負荷方面時，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的推廣，城市生態系統的規劃，借助計算機模型可以反映城市地表徑流水質的運移情況，在添加LID措施的作用下通過對SWMM模型水質參數的設定預測海綿城市建設后的水質情況，從而反映LID措施在海綿城市規劃建設中的效果。
SWMM模型參數是美國環保署根據美國的土地利用類型、地表污染狀況以及環境質量等因素確定的，其使用上具有局限性。由地形和城市生活環境的差異性，其參數所具有的局限性導致無法直接在我國城市地表徑流水質中進行模擬和使用。目前在國內SWMM水質模型的使用上，多數照搬國外SWMM模型手冊上的參數，沒有適合我國國情的一套參數，同時也沒有一套關于SWMM水質參數的率定方法。本專利旨在提供一套根據我國國情確定SWMM水質沖刷模型參數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S1為沖刷系數、S2為沖刷指數；參數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為增長速率常數等參數的方法。在原有的SWMM水質模型的基礎上對其進行繼承和改進，并提出一套完整的測定方法，分別為：《一種直接獲得SWMM水質模型中參數W的方法》、《一種確定SWMM軟件中地表徑流污染物參數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W的方法》、《一種受大氣污染影響自然降雨水質參數W1的確定方法》、《一種無大氣影響下SWMM中地表徑流水質參數W0的確定方法》、《一種直接獲得SWMM水質模型參數B的方法》、《一種確定SWMM軟件中累積參數確定的方法》、《一種確定SWMM水質沖刷模型參數的方法》，共計八個測定方法。
由于受地域環境的影響，地表徑流污染物濃度W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，在空氣污染嚴重地區天然降雨所帶來的污染也是不可忽視的，除了通過直接檢測地表徑流污染物獲取W參數值之外，可通過實驗方法來確定W值，即分別對無大氣影響下SWMM中地表徑流水質參數W0進行測定和受大氣污染影響自然降雨水質參數W1的測定，最后將W0和W1進行累加，即可確定W值，以提高SWMM水質模型在區域性中準確率，為實現實際工程模擬的所需。
技術實現要素：
在SWMM模型中，W未考慮天然降雨污染對到地表徑流水質的影響，在天然降雨污染嚴重地區，SWMM沖刷模型凸顯局限性。近年來我國大多數城市空氣污染嚴重，降雨時雨水中夾雜的污染物比較多，成分復雜，有的污染指標甚至超過地表V類水的標準，當降落到地面時摻和到地表徑流中，給環境造成污染，因此需要對SWMM沖刷模型參數進行修正。
一種確定SWMM軟件中地表徑流污染物參數W的方法，其特征在于：W由兩部分組成，一部分是降雨對地表沉積物進行沖刷形成地表徑流污染物濃度W0，另一部分是考慮受大氣污染影響下天然降雨水質濃度W1；通過將兩部分進行結合，確定地表徑流污染物參數W；
SWMM模型中指數沖刷模型由下式表達：
式(1)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；S2為沖刷指數；q為單位面積徑流量(mm/h)；
即將上述SWMM模型中指數沖刷模型修正為考慮大氣污染影響的水質模型：
令則W＝W0+W1 (3)
式(2)(3)中W1為受大氣污染的天然降雨水質參數(mg/L)；W0為不考慮降雨污染影響下的地表徑流污染物平均濃度(mg/L)。2.根據權利要求1所述的一種確定SWMM軟件中地表徑流污染物參數W的方法，其特征在于：對地表徑流中目標污染物進行檢測；
根據不同降雨間隔時間下地表徑流水樣，經檢測獲取各時段下的污染物濃度值Wt，即W1、W2、W3、W4、…、Wn，t＝1、2、3、4、…、n，其中n表示獲取地表徑流水樣第n次；
為了獲知整場模擬降雨中油氈面上的徑流污染物平均濃度，通過EMC法獲得W0，即降雨徑流中污染物濃度的加權平均值，即：
式中W0為模擬降雨條件下地表徑流污染物的參數(mg/L)；T為整個模擬降雨時間(Min)；Wt為t時刻下檢測的污染物濃度(mg/L)；Vt為t-1與t時刻之間沖刷的徑流體積(L)；V為整個沖刷過程產生的徑流體積總量(L)。
3.根據權利要求1所述的一種確定SWMM軟件中地表徑流污染物參數W的方法，其特征在于，W1的確定：
通過自動雨水采樣裝置，獲取不同時刻下天然降雨的水樣，并做好標記，等采樣結束后24小時內，對污染物進行檢測，獲得天然雨水各污染物的水質濃度W1；
該方法步驟如下：
①分別在研究區域的不同功能區選擇自然降雨采樣點，；
②采用降雨收集裝置采集自然降雨，
③根據中國環境出版社《水和廢水監測分析方法》(第四版)采用國標分析方法對地表徑流中目標污染物進行檢測，測定不同時刻自然降雨中污染物濃度Ct；
④采用自記雨量計記錄降雨量隨時間的變化Pt；
⑤采用公式(4)計算不同功能區采樣點自然降雨污染總量；
式(4)中Ct為t時刻下天然降雨水質濃度(mg/L)；Pt為天然降雨量隨時間的分布，mm；W1為整場降雨的平均濃度(mg/L)。
本發明的優勢：
(1)通過實際地表徑流水質監測數據解決SWMM軟件中水質參數的確定問題；
(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，建立新的水質沖刷模型公式；
(3)通過此方法可以在不同區域建立新的SWMM水質模型參數，為防止因地域問題給模型帶來的偶然誤差；
(4)確定不同污染物水質參數S1和S2取值范圍，為SWMM軟件準確模擬提供支持。
附圖說明
圖1地表沉積物采樣裝置圖
圖2沖刷裝置圖
圖3天然雨水采樣裝置圖
圖4技術流程圖
具體實施方式：
首先在研究區的采樣點位置放置n塊油氈面，分別經過T1、T2、T3、…、Tn天，將不同放置時間下的油氈取回，采用沖刷裝置進行沖刷，將沖刷液進行收集攪拌促溶24h，采用《水和廢水監測分析方法》(第四版)對地表徑流中目標污染物進行檢測，經檢測獲取各時段下的污染物濃度值Wt，通過EMC法獲得整個沖刷過程得到的地表徑流污染物平均濃度W0；其次，降雨前在空曠區域安裝一臺自動雨水采集器，通過自動雨水采樣裝置，獲取不同時刻下天然降雨的水樣，并做好標記，等采樣結束后24小時內，對污染物進行檢測，通過加權平均法獲取天然雨水中各污染物的水質濃度W1；最后通過將W0和W1進行累加，獲得受大氣污染的天然降雨條件下地表徑流水質濃度W值。
本發明由兩部分組成，一部分是在實驗室條件下用純凈水模擬人工降雨對地表沉積物進行沖刷形成地表徑流污染物濃度W0，另一部分是考慮受大氣污染影響下天然降雨水質濃度W1。通過將兩部分進行結合，模擬實際天然降雨條件下，地表徑流污染物參數W的確定方法，為提高SWMM軟件在降雨徑流水質模擬中的精度，提供一種可靠方法。
SWMM模型中指數沖刷模型由下式表達：
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；S2為沖刷指數；q為單位面積徑流量(mm/h)。
考慮大氣污染影響修正后的水質模型：
令則W＝W0+W1(3)
式中W1為受大氣污染的天然降雨水質參數(mg/L)；W0為不考慮降雨污染影響下的
地表徑流污染物平均濃度(mg/L)。
(1)W0的確定
在研究區的采樣點位置放置n塊油氈面，面積為A，分別經過T1、T2、T3、…、Tn天(T1表示第一塊油氈面放置時間，T2表示第二塊油氈放置時間，Tn表示第n塊油氈面放置時間)，接著將不同放置時間下的油氈取回，采用沖刷裝置進行沖刷，沖刷裝置將清水通過兩個布水器(面積為0.05m2)距離下墊面2.0m，沖刷2h，沖刷強度800mL/min，下墊面長1.2m，寬0.6m，下墊面較低一端開收集槽(10cm×10cm)，用于收集沖刷液，并對沖刷液進行攪拌促溶24h。
根據中國環境出版社《水和廢水監測分析方法》(第四版)采用國標分析方法對地表徑流中目標污染物進行檢測。
根據不同降雨間隔時間下地表徑流水樣，經檢測獲取各時段下的污染物濃度值Wt(W1、W2、W3、W4、…、Wn，t＝1、2、3、4、…、n，其中n表示獲取地表徑流水樣第n次)。
為了獲知整場模擬降雨中油氈面上的徑流污染物平均濃度，通過EMC法獲得W0，即降雨徑流中污染物濃度的加權平均值，即：
式中W0為模擬降雨條件下地表徑流污染物的參數(mg/L)；T為整個模擬降雨時間(Min)；Wt為t時刻下檢測的污染物濃度(mg/L)；Vt為t-1與t時刻之間沖刷的徑流體積(L)；V為整個沖刷過程產生的徑流體積總量(L)
(2)W1的確定
降雨前在空曠區域安裝一臺自動雨水采集器，通過自動雨水采樣裝置，獲取不同時刻下天然降雨的水樣，并做好標記，等采樣結束后24小時內，對污染物進行檢測，獲得天然雨水各污染物的水質濃度W1。
該方法步驟如下：
①分別在研究區域的不同功能區(如生活區、工業區、商業區、文教區等)選擇自然降雨采樣點，采樣點四周盡量避開高大樹木或建筑物；
②采用降雨收集裝置采集自然降雨(見圖3)，
③根據中國環境出版社《水和廢水監測分析方法》(第四版)采用國標分析方法對地表徑流中目標污染物進行檢測，測定不同時刻自然降雨中污染物濃度Ct；
④采用自記雨量計記錄降雨量隨時間的變化Pt。
⑤采用公式(4)計算不同功能區采樣點自然降雨污染總量。
式(4)中Xt為t時刻下天然降雨水質濃度(mg/L)；Pt為天然降雨量隨時間的分布，mm；W1為整場降雨的平均濃度(mg/L)
(3)W的確定
根據實驗室模擬方法得到純凈水條件下地表徑流水質濃度W0，通過對天然降雨的采集和檢測獲取受大氣污染影響下天然降雨水質參數W1，將W0和W1進行疊加，獲得受大氣污染的天然降雨條件下地表徑流水質濃度W。
W＝W0+W1(5)
式中W為受大氣污染的天然降雨條件下地表徑流水質濃度W(mg/L)；W1為受大氣污染的天然降雨水質參數(mg/L)；W0為不考慮降雨污染影響下的地表徑流污染物平均濃度(mg/L)。
具體效果：
根據2016年對北京市主城區的天然降雨和地表徑流污染物的監測發現，COD方面，天然雨水的污染物負荷占地表徑流污染負荷的6.9％～38.7％；TN方面，天然雨水的污染物負荷占地表徑流污染負荷的17.2％～83.3％；TP方面，天然雨水的污染物負荷占地表徑流污染負荷的85.6％～156.7％；SS方面，天然雨水的污染物負荷占地表徑流污染負荷的20％～91.2％。說明我國天然雨水的污染較為嚴重，在地表徑流污染物中占據一定的比例，在SWMM模型中，只有將天然雨水中的污染物W1和地表沉積物經沖刷形成的徑流污染物W0合并在一起才能反映我國城區地表徑流污染物W的實際狀況。
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