雨水排水系統(tǒng)的水質(zhì)徑流污染控制
隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，城市人口數(shù)量與日俱增，其中城市道路、建筑物等不透水區(qū)域。繼續(xù)增加。城市不透水面積的增加會(huì)導(dǎo)致降雨后地表的截留和下滲，對(duì)城市的水文環(huán)境產(chǎn)生非常嚴(yán)重的影響。同時(shí)，大部分雨水會(huì)以徑流的形式流入地下河，嚴(yán)重污染城市的自然水體。其中，城市雨水排水系統(tǒng)包含多種不同的污染源，其來(lái)源廣泛，包括多種不同的類型。
詳細(xì)分析地表徑流的變化趨勢(shì)，確定降雨期間城市徑流的污染特征，充分合理地開(kāi)發(fā)利用城市水資源，對(duì)城市的發(fā)展、城市生態(tài)環(huán)境的改善和城市經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。針對(duì)傳統(tǒng)水質(zhì)徑流污染控制模型的缺陷，提出并建立了雨水排水系統(tǒng)水質(zhì)徑流污染控制模型。具體的仿真實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)充分驗(yàn)證了該模型的綜合有效性。
一.方法
1.1雨水排水系統(tǒng)水質(zhì)徑流污染模擬與預(yù)測(cè)
在城市降雨過(guò)程中，需要實(shí)時(shí)收集雨水，計(jì)算雨水的徑流速度并加以保存。
對(duì)全市各采樣點(diǎn)不同的雨面特征進(jìn)行詳細(xì)的統(tǒng)計(jì)和分析。在雨水排水系統(tǒng)中，由于各采樣點(diǎn)不同的降雨強(qiáng)度和不同的面污染源，徑流水質(zhì)的污染濃度會(huì)隨時(shí)間而變化，污染指數(shù)的相對(duì)穩(wěn)定值具有重要價(jià)值。
降雨過(guò)程中會(huì)造成徑流，徑流中會(huì)形成大量的污染物。雨水徑流排放量與污染物總量的關(guān)系具體如下，如公式(1)所示:
上式中，m代表降雨徑流產(chǎn)生的部分污染物總量，v代表降雨產(chǎn)生的徑流總量，Ct代表T時(shí)間段污染物總濃度，Qt代表T時(shí)間段徑流水量，T代表降雨總持續(xù)時(shí)間。
公式(1)由相關(guān)的積分定義求解。由于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)是間歇性的，對(duì)理論方程進(jìn)行近似轉(zhuǎn)換，將徑流過(guò)程按時(shí)間劃分為N個(gè)不同的段，在每個(gè)段中選取一個(gè)徑流水樣，可得到如下方程(2):
上式中，δt代表采樣時(shí)間間隔，Vt代表設(shè)定時(shí)間段內(nèi)的徑流量和雨水量。
在徑流形成的初始階段，由于徑流中污染物的濃度與雨水的初始徑流量不成比例，整個(gè)過(guò)程稱為初始沖刷效應(yīng)。由于不同采樣點(diǎn)的初始沖刷效果不同，需要選擇不同的控制方法進(jìn)行合理有效的控制。
其中，初期徑流總量約5%形成的污染物含量為初期沖刷量。在此基礎(chǔ)上，建立累積曲線，判斷是否出現(xiàn)初始沖刷效應(yīng)。下面給出具體的計(jì)算公式(3):
上式中，C(t)代表T期總污染負(fù)荷，T代表所有徑流的總歷時(shí)，C(T)代表T期雨水污染物濃度，Q(t)代表T期徑流雨水流量。
在坐標(biāo)系上詳細(xì)繪制累積負(fù)荷和累積徑流量的變化趨勢(shì)，得出兩者之間的關(guān)系曲線。如果初始堆積曲線的斜率高于基線，則說(shuō)明該時(shí)間段發(fā)生了沖刷作用；相反，污染物濃度可以通過(guò)相應(yīng)的曲線計(jì)算出來(lái)。
在此基礎(chǔ)上，選擇雨水管理模型對(duì)研究區(qū)的徑流和徑流污染進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬，如公式(4)所示:
1.2雨水排水系統(tǒng)水質(zhì)徑流污染控制模型的建立
水質(zhì)評(píng)價(jià)的主要目的是詳細(xì)了解每個(gè)區(qū)域的水質(zhì)和污染濃度。在水質(zhì)模擬和水環(huán)境容量分析過(guò)程中，應(yīng)根據(jù)不同污染物的特性，建立雨水排水系統(tǒng)的水質(zhì)徑流污染控制模型，具體考慮以下幾個(gè)方面:
(1)適應(yīng)性，(2)易用性，以及(3)經(jīng)濟(jì)性。
該模型的建立為區(qū)域污染總量控制提供了理論依據(jù)，提高了區(qū)域污染管理的科學(xué)性。
下面的詳細(xì)流程圖如圖1所示。
模型的建立需要幾個(gè)具有特征的輸入數(shù)據(jù)。詳情見(jiàn)表1。
將表1中的數(shù)據(jù)與化學(xué)動(dòng)力學(xué)方程結(jié)合，獲得一組獨(dú)特的水質(zhì)方程。
給出了下面的特定質(zhì)量守恒方程(5):
上式中，C代表雨水排水系統(tǒng)水質(zhì)組分濃度，Ux、Uy、Uz代表不同方向的對(duì)流速度，Ex、Ey、Ez代表不同方向的擴(kuò)散系數(shù)，SL代表點(diǎn)源和非點(diǎn)源，SB代表邊界負(fù)荷，Sk代表功率換算項(xiàng)。
溶解氧的動(dòng)力學(xué)方程(6)如下所示:
在上式中，k2代表復(fù)氧系數(shù)。
氨氮的動(dòng)力學(xué)方程(7)如下所示:
浮游植物的氮?jiǎng)恿W(xué)方程如式(8)所示:
氧氣的動(dòng)力學(xué)方程為(9):
一些有毒物質(zhì)的概述見(jiàn)表2。
在上述分析的基礎(chǔ)上，需要詳細(xì)分析不同雨水排水系統(tǒng)的水質(zhì)和徑流，通過(guò)GIS和水質(zhì)模型建立雨水排水系統(tǒng)水質(zhì)和徑流的污染控制模型(10):
通過(guò)雨水排水系統(tǒng)水質(zhì)徑流污染控制模型，計(jì)算區(qū)域環(huán)境容量，并引入相關(guān)參數(shù)進(jìn)行分配，給出相應(yīng)的水質(zhì)徑流污染控制措施，如下圖11所示:
綜上所述，實(shí)現(xiàn)了雨水排水系統(tǒng)的水質(zhì)徑流污染控制。
二、模擬實(shí)驗(yàn)
為了驗(yàn)證雨水排水系統(tǒng)水質(zhì)徑流污染控制模型的綜合有效性，有必要進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)環(huán)境為:2GB內(nèi)存，2.93GHZ雙核CPU，WIN7旗艦操作系統(tǒng)，Ja-val.6開(kāi)發(fā)語(yǔ)言，Eclipse3.6，MySQL5.5。
2.1不同控制模型響應(yīng)時(shí)間的比較結(jié)果
選擇文獻(xiàn)[4]中的下述模型和文獻(xiàn)[5]中的模型作為比較模型，分別比較各模型在不同次數(shù)實(shí)驗(yàn)下的響應(yīng)時(shí)間。具體對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表3。
從表3可以看出，不同模型的響應(yīng)時(shí)間隨著實(shí)驗(yàn)次數(shù)的變化而變化，提出的控制模型的響應(yīng)時(shí)間明顯低于其他兩種控制模型，充分驗(yàn)證了提出模型的優(yōu)越性。
2.2成本控制
下面詳細(xì)給出了三種不同控制模型的控制成本，如圖2所示。
根據(jù)圖2的分析，設(shè)計(jì)的控制模型的控制成本低，其次是參考文獻(xiàn)[4]中模型的控制成本，參考文獻(xiàn)[5]中模型的控制成本高。通過(guò)與相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比，充分驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)模型的綜合有效性。
2.3運(yùn)營(yíng)效率(%)
其中，運(yùn)行效率是衡量雨水排水系統(tǒng)徑流污染控制模式效果的重要指標(biāo)。三種控制模式的操作效率如下所示，如表4所示。
從表4的分析可以看出，不同控制模型的運(yùn)行效率隨著樣本數(shù)的變化而變化。與其他兩種控制模型相比，所設(shè)計(jì)的控制模型的運(yùn)行效率具有明顯的優(yōu)勢(shì)。
通過(guò)分析上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可以得出以下實(shí)驗(yàn)結(jié)論:
(1)與傳統(tǒng)控制模型相比，所設(shè)計(jì)的控制模型的響應(yīng)時(shí)間明顯縮短。
(2)與傳統(tǒng)控制模型相比，所設(shè)計(jì)的控制模型的控制成本明顯降低。
(3)與傳統(tǒng)控制模型相比，設(shè)計(jì)的控制模型運(yùn)行效率明顯提高。
三。結(jié)論。
針對(duì)傳統(tǒng)水質(zhì)徑流污染控制模型響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)、控制成本高、運(yùn)行效率低的問(wèn)題，設(shè)計(jì)并提出了雨水排水系統(tǒng)水質(zhì)徑流污染控制模型。仿真結(jié)果表明，與傳統(tǒng)控制模型相比，所設(shè)計(jì)的模型能有效提高運(yùn)行效率，縮短響應(yīng)時(shí)間，降低控制成本，獲得理想的控制效果。
未來(lái)的研究將集中在以下幾個(gè)方面:
(1)區(qū)域水質(zhì)模型將在未來(lái)階段進(jìn)一步建立。假設(shè)有足夠的水動(dòng)力數(shù)據(jù)，需要選取相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬分析，以獲得更真實(shí)的模擬結(jié)果。
(2)目前，研究范圍非常有限。今后將進(jìn)一步擴(kuò)大研究范圍，使計(jì)算結(jié)果更加真實(shí)準(zhǔn)確。(來(lái)源:武漢市政工程設(shè)計(jì)研究院有限公司)
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