一种低影响开发设施的水量水质模拟计算方法

技术领域

本发明涉及海绵城市建设中低影响开发设施模拟技术领域，特别是涉及一种低影响开发设施的水量水质模拟计算方法。

背景技术

近年来，海绵城市如火如荼，在提升城市排水系统能力时优先考虑把有限的雨水留下来，优先考虑利用自然力量排水，建设自然积存、自然渗透、自然净化的“海绵城市”。

在海绵城市建设中，低影响开发设施是重要的工程措施，具有控制地表径流和面源污染的作用，而低影响开发设施效果的准确评估对辅助方案设计具有重要意义。目前利用数学模型对低影响开发设施的水量水质模拟已有相关研究，然而模型中水量水质的计算方法不尽相同。

发明内容

本发明提出一种低影响开发设施的水量水质模拟计算方法，该方法综合考虑各结构层对水量水质的调蓄和削减能力，从低影响开发设施各结构层的水量水质精细化模拟角度出发，实现低影响开发设施的水量水质精细化模拟，评估地表径流控制率和污染物削减率等指标。

如上构思，本发明的技术方案是：一种低影响开发设施的水量水质模拟计算方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤一、模拟研究区的水文径流、管渠水流及水质的传输过程，计算现状条件下的污染物的累积量和冲刷量；

步骤二、基于低影响开发设施各结构层的水量连续性方程及污染物一级降解反应方程求解水量水质的蓄滞与传输转化过程；

步骤三、分析低影响开发设施对水量水质的控制效果，评估低影响开发设计方案的目标可达性。

进一步，步骤一所述水文径流计算包括地表产流和地表汇流，地表产流的入渗量通过求解霍顿Horton公式计算，地表汇流采用非线性水库方程计算，所述管渠水流及水质的传输过程的计算利用马斯京跟法或者修正的Puls方法计算，所述污染物的累积量采用指数累积算法计算，冲刷量采用指数冲刷算法或者 EMC冲刷算法计算。

进一步，所述地表产流的入渗量采用霍顿Horton公式计算的方法是：

①雨季入渗能力和入渗量计算公式为：

式中：f为t时刻的入渗能力，mm/s；F为t时刻的入渗量，mm；f

②旱季入渗能力计算公式为：

式中：t

进一步，所述地表汇流采用非线性水库法求解的方法是：

地表径流计算公式为：

式中：A为汇水区面积，m

地表水深随时间的计算公式为：

式中：d为地表水深，m；i为降雨强度，mm/s；e为蒸发强度，mm/s；f为入渗速率，mm/s；q为径流量，mm/s。

进一步，所述管渠水流及水质的传输过程采用马斯京根法的计算方法是：采用槽蓄方程代替动量方程，采用水量平衡方程代替连续性方程，计算公式为：

式中：V为槽蓄量，m

由公式6和7联立求解得：

Q

其中CX、CY是K、X、Δt的函数，计算公式为：

限制条件为：

由限制条件得到关系式为：

上述为单一河段计算公式，对于多河段情况，用K/N(N为子河段数)作为新的K值参与计算。

进一步，所述管渠水流及水质的传输过程采用修正的Puls模型的计算方法是：修正的PULS模型即水平池模型，采用有限差分格式，耦合经验表达的动量方程，通过给定入流过程线、调蓄-出流关系曲线，计算管道出流；

连续性方程为：

式中：

假定流量在时间步长内是线性变化的，上式可写为：

式中：S

S

进一步，所述指数累积法计算地表径流污染物的累积量的方法是：其基本方程为：

式中：B为污染物累积量，kg/hm

进一步，所述指数冲刷法计算地表径流污染物的冲刷量的方法是：其基本方程为：

m

W(t)＝m

式中：W(t)为t时刻污染物的冲刷量，kg；m

上式由式(19)积分求得。

式中：w为冲刷速率，kg/h，

由于k和径流量有关，可表示为式(20)，

其中：K

因此，可得到式(21)，

进一步，所述EMC冲刷法计算地表径流污染物的冲刷量的方法是：将径流冲刷过程中的冲刷浓度看成同一个值，即为场均浓度。

进一步，所述步骤二的具体步骤包括：

(1)采用水量连续性方程计算低影响开发设施的水量蓄滞和传输过程；

低影响开发设施由五种结构层组成，分别为：面层、铺装层、土壤层、调蓄层和排空垫层，各结构层水量计算公式为：

面层：

土壤层：

调蓄层：

铺装层：

排空垫层：

式中：为面层空隙率；d1为面层水深，m；i为面层降雨量，m/s；q0为汇水区汇入面层的径流量，m/s；e1为面层蒸散发量，m/s；f1为面层至土壤层的入渗量，m/s；q1为面层出流量，m/s；D2为土壤层厚度，m；为土壤层含水率； e2为土壤层的蒸散发量，m/s；f2为土壤层至调蓄层的入渗量，m/s；为调蓄层孔隙率；d3为调蓄层水深，m；e3为调蓄层的蒸散发量，m/s；f3为调蓄层至下层土壤的渗入量(假定为下层土壤的饱和水力传导度)，m/s；q3为盲管出流量， m/s；φ

(2)采用污染物一级降解法计算低影响开发设施的水质削减过程；

水质计算中假定各结构层的污染物为完全混合，各结构层通过设定一级降解系数，反应污染物的去除效果，计算公式为：

式中：V为结构层水量，m3；c为结构层内水质浓度，mg/L；c

进一步，所述步骤二中，面层出流量利用曼宁公式计算，假设地表径流的宽度远大于地表径流的深度，经推导得到面层出流量计算公式为：

式中：n

面层、土壤层、调蓄层的蒸散发量计算公式为：

e

e

式中：E

当土壤层的含水量低于萎蔫点的孔隙率时，土壤层无蒸散发；若土壤层已饱和，则调蓄层中无蒸散发；若土壤层和调蓄层有面层入渗量，则无蒸散发；

土壤层至调蓄层的入渗量计算公式为：

式中：K

盲管出流量计算公式为：

式中：h

盲管以上水头计算公式为：

式中：D

铺装层计算公式为：

式中：D

排空垫层计算公式为：

式中：φ

进一步，所述步骤三选择某一全年降雨作为连续降雨数据，模拟同等降雨条件下现状工况与低影响开发设施设计方案的产汇流情况及污染负荷情况，计算年径流总量控制率及年污染物负荷削减率，分析方案的目标可达性。

本发明通过构建城市水系统控制仿真模型Simuwater来实现低影响开发设施的水量水质精细化模拟，可评估地表径流控制率和污染物削减率等指标。该模型是通过求解霍顿公式、非线性水库方程计算地表的产汇流、利用马斯京跟法或者修正的Puls方法计算管道水流的传输过程、应用污染物的指数累积算法、指数冲刷算法或者EMC冲刷算法计算污染物的累积量和冲刷量、基于低影响开发设施各结构层的水量连续性方程及污染物一级降解反应方程求解水量水质的蓄滞与传输转化过程而开发的，因此本发明与现有技术相比，具有的优点是：

(1)管渠水流水量计算采用的是马斯京跟法或修正的Puls模型方法，适合在管道数据缺失情况下快速建模，并提高了计算效率。

(2)低影响开发设施的各结构层都可设置一级降解系数，从而更加真实的反应每一结构层对污染物的削减情况。

附图说明

图1是土壤干燥过程中的地表入渗能力恢复曲线图；

图2是马斯京根法物理意义示意图；

图3是区域概况图；

图4是Simuwater模型拓扑结构图；

图5是现状径流过程线图；

图6是低影响开发设施方案径流过程线图；

图7是现状污染负荷过程线图；

图8是低影响开发设施方案污染负荷过程线图。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图对本发明作详细说明。应当理解的是，本发明的实施例是为了使本领域的研究人员更好的理解本发明，并不用于限制本发明。

本发明提供一种低影响开发设施的水量水质模拟计算方法，首先要构建基于城市水系统控制仿真模型(Simuwater)，具体实施步骤如下：

步骤1：模拟研究区的水文径流、管渠水流及水质传输过程，计算现状条件下的地表径流量和污染物负荷量。

(1)水文径流计算包括地表产流和地表汇流，Simuwater模型中地表产流的入渗量采用霍顿(Horton)公式计算，地表汇流采用非线性水库法求解。

1)霍顿入渗计算方法

霍顿入渗计算方法用于分析地表入渗能力和入渗量随时间的变化过程。

①雨季入渗能力和入渗量计算公式为：

式中：f为t时刻的入渗能力，mm/s；F为t时刻的入渗量，mm；f

②旱季入渗能力计算公式为：

式中：t

2)非线性水库计算方法

将汇水区概化为具有较浅水深的矩形地表，该地表具有统一的坡度、宽度和径流出口。降雨量扣除蒸发量、入渗量、洼蓄量后，剩余水量形成地表径流。

地表径流计算公式为：

式中：A为汇水区面积，m

地表水深随时间的计算公式为：

式中：d为地表水深，m；i为降雨强度，mm/s；e为蒸发强度，mm/s；f为入渗速率，mm/s；q为径流量，mm/s。

(2)Simuwater模型应用马斯京跟法或修正的Puls模型方法计算管渠水流。

1)马斯京跟法

马斯京根法最初被用于模拟河道水流，假设河道中的蓄水量由柱状蓄水和楔状蓄水两部分组成(如图2)。采用马斯京根法模拟管道水流时，将管道内水量传播过程近似看成河道内水量传播过程。马斯京根计算方法采用槽蓄方程代替动量方程，采用水量平衡方程代替连续性方程，计算公式为：

式中：V为槽蓄量，m

由公式6和7联立求解得：

Q

其中CX、CY是K、X、Δt的函数，计算公式为：

限制条件为：

由限制条件得到关系式为：

上述为单一河段计算公式，对于多河段情况，用K/N(N为子河段数)作为新的K值参与计算。

2)修正的Puls模型方法

修正的PULS模型即水平池模型，采用有限差分格式，耦合经验表达的动量方程，通过给定入流过程线、调蓄-出流关系曲线，计算管道出流。

连续性方程为：

式中：

假定流量在时间步长内是线性变化的，上式可写为：

式中：S

S

(3)水质计算即地表径流污染物的计算。Simuwater模型中采用指数累积法计算污染物的累积量，采用指数冲刷法或EMC冲刷法计算污染物的冲刷量。

1)指数累积法即累积量随时间呈指数增长，直至最大累积量，基本方程为：

式中：B为污染物累积量，kg/hm

2)指数冲刷法即冲刷量随时间呈指数增长，直至初始累积量，基本方程为：

m

W(t)＝m

式中：W(t)为t时刻污染物的冲刷量，kg；m

上式由式(19)积分求得。

式中：w为冲刷速率，kg/h。

由于k和径流量有关，可表示为式(20)。

其中：K

因此，可得到式(21)。

3)EMC冲刷法将径流冲刷过程中的冲刷浓度看成同一个值，即为场均浓度。

步骤2：模拟低影响开发设施水量水质的蓄滞、传输、降解过程，计算设计方案的地表径流量和污染物负荷量。

Simuwater模型中的低影响开发设施包括：生物滞留设施、雨水花园、绿色屋顶、渗渠、透水铺装、雨水罐和植草沟。计算时，作以下假设：

(1)Simuwater模型采用水量连续性方程计算低影响开发设施的水量蓄滞和传输过程

低影响开发设施由五种结构层组成，分别为：面层、铺装层、土壤层、调蓄层和排空垫层。各结构层都存在蒸散发作用，面层接收降雨及汇入径流，当面层饱和后，多余的水量一部分下渗流入土壤层、一部分流入溢流井，当土壤层饱和后，多余水量继续下渗至调蓄层，当调蓄层饱和后，多余水量继续下渗至地下，如果调蓄层设有盲管，当调蓄层水位高于盲管高度时，水量通过盲管流入溢流井。

1)生物滞留设施水量计算

生物滞留设施结构层包括面层、土壤层、调蓄层，各层的计算公式为：

面层：

土壤层：

调蓄层：

式中：φ

面层出流量利用曼宁公式计算，假设地表径流的宽度远大于地表径流的深度，经推导得到面层出流量计算公式为：

式中：n

面层、土壤层、调蓄层的蒸散发量计算公式为：

e

e

式中：E

当土壤层的含水量低于萎蔫点的孔隙率时，土壤层无蒸散发；若土壤层已饱和，则调蓄层中无蒸散发；若土壤层和调蓄层有面层入渗量，则无蒸散发。

土壤层至调蓄层的入渗量计算公式为：

式中：K

盲管出流量计算公式为：

式中：h

盲管以上水头计算公式为：

式中：D

2)雨水花园水量计算

雨水花园的结构层包括面层和土壤层，见公式(22-23)，f

3)绿色屋顶水量计算

绿色屋顶的结构层包括面层、土壤层和排空垫层，面层和土壤层的计算见公式(22-23)，排空垫层计算公式为：

式中：φ

假设排水垫层内部为明渠均匀流，排水垫层出流量计算公式为：

式中：n

4)渗渠水量计算

渗渠的结构层包括面层和调蓄层，见公式(22)和(24)。

5)透水铺装水量计算

透水铺装的结构层包括面层、铺装层、调蓄层。面层和调蓄层的计算见公式 (22)和(24)，铺装层计算公式为：

式中：D

6)雨水罐水量计算

雨水罐的结构层仅有调蓄层，且调蓄层的孔隙率为1.0，计算公式为：

式中：f

计算q

7)植草沟水量计算

植草沟的结构层仅有面层，计算公式为：

式中：A

表面积计算公式为：

式中：W

植草沟的出流量q

式中：A

A

A

(2)Simuwater模型采用污染物一级降解法计算低影响开发设施的水质削减过程

低影响开发设施通过自身的调蓄和反应作用实现对入流污染物的去除效果，水质计算中假定各结构层的污染物为完全混合，各结构层通过设定一级降解系数，反应污染物的去除效果，计算公式为：

式中：V为结构层水量，m3；c为结构层内水质浓度，mg/L；c

基于以上所述计算方法构建基于城市水系统控制仿真模型Simuwater。

步骤3：分析低影响开发设施对水量水质的控制效果，评估低影响开发设计方案的目标可达性。

选择某一全年降雨作为连续降雨数据，模拟同等降雨条件下现状工况与低影响开发设施设计方案的产汇流情况及污染负荷情况，计算年径流总量控制率及年污染物负荷削减率，分析方案的目标可达性。

(1)低影响开发设施的年径流总量控制效果分析

统计排口处的径流量变化值，分析低影响开发设施对洪峰流量、年径流总量的控制效果。

(2)低影响开发设施的污染物负荷削减效果分析

统计排口处的污染物浓度变化值及每日的污染负荷量，分析低影响开发设施对污染负荷的削弱效果。

(3)目标可达性分析

计算低影响开发设施的年径流总量控制率及年污染物负荷削减率，分析方案的目标可达性。

以下提供本发明的具体应用实例，其具体实施步骤如下：

步骤1：构建Simuwater现状水量、水质模型

首先，结合土地利用图、排水管道走向图、小区道路图等区域矢量信息(如图3)将研究区域划分为26个汇水区，根据汇水区、管道、检查井等拓扑关系建立Simuwater模型拓扑结构(如图4)。

其次，设置模型参数，包括汇水区的面积、流长、不透水百分比、透水地表曼宁系数、不透水地表曼宁系数、透水地表洼蓄量、不透水地表洼蓄量、入渗、土地利用面积占比等参数；管道的管径、长度、坡度等参数；污染物的类别；不同下垫面的累积参数和冲刷参数。

最后，设置模型的降雨、蒸发、模拟时长、模拟步长等参数。

步骤2：构建Simuwater低影响开发设施水量水质模型

首先，根据设计方案，确定研究区域内低影响开发设施类别，并计算其在各个汇水区的面积及面积占比。

其次，设置模型的低影响开发设施参数，包括各结构层的物理参数及一级降解参数。其中面层物理参数包括护堤高度、植被覆盖率、表面粗糙率、表面坡度等；土壤层物理参数包括厚度、孔隙率、实际含水容量、凋萎点、传导率、传导率坡度等；调蓄层物理参数包括厚度、空隙率、渗漏率等；铺装层物理参数包括厚度、空隙率、渗透率等；排水垫层物理参数包括排水系数、排水指数、排水偏移高度等。

最后，计算模型并查看模型的连续性误差等参数，分析是否在合理范围内。

步骤3：统计分析水量水质模拟结果，评估低影响开发设施效果。

首先，提取步骤1和步骤2模型排口处的径流量过程线，并统计年径流总量。分析低影响开发设施对洪峰流量、年径流总量的控制情况(如图5-6)。

其次，提取步骤1和步骤2模型排口处的污染物浓度过程线，并计算每日的污染物负荷量及年污染物负荷总量。分析低影响开发设施对污染物负荷的削减情况(如图7-8)。

最后，评估低影响开发设施的效果。经分析可知，低影响开发设施明显削减了排口处的洪峰流量及年径流总量，年径流总量控制率达到83％，满足设计方案中年径流总量控制率为72％的设计目标；低影响开发设施明显削减了排口处的年污染物负荷总量，使年污染物负荷削减率达到50.2％，满足设计方案中面源污染物削减率大于45％的设计目标。由此说明，设计方案可达到年径流总量和年污染物负荷总量控制的目标。

以上是对本发明所提供的一种低影响开发设施的水量水质模拟计算方法所做的详细介绍。应当理解的是，本发明并不局限于上述的方法步骤及计算过程，上述的具体实施方式仅是示意性的，并非局限性的，本领域的研究人员，可在本发明的基础上，对本发明做相应变化和改动，这些均属于本发明的保护范围之内。