[发明专利]一种实现径流定量追踪的模型方法

说明书

技术领域

数学模型模拟方法，实现模型模拟中具有水量输出的对象的水量追踪以及定量溯源，可应用于具有污染模拟功能的模型软件中，或根据此原理开发具有水量追踪功能的模型。

背景技术

国外有研究认为，1h雨量达到12.7 mm的降雨能冲刷掉90%以上的地表污染物，因此初期雨水的污染较严重。海绵城市的建设提倡源头控制径流污染，并尽可能的将珍贵的雨水资源收集、回收利用。调蓄池是海绵城市建设的一项重要工程措施，在回收利用过程中也需考虑弃流初期雨水；初期雨水截污、弃流也是黑臭水体治理的重要方式。通过模型，可以得到管网的流量、流速等状态，可以比推理公式法更加准确的评估出排水管网的排水能力，指导规划设计；但目前常用的模型方法无法跟踪雨水径流，因此在弃流井、调蓄池等设施的规划设计过程中，难以评估弃流井弃流、调蓄池收集的雨水中，有多少属于初期雨水，这些雨水分别来自哪些地块，每个地块的贡献比例。如可以定量跟踪地块径流，则可以更精细化的调控弃流井、调蓄池的参数设计，以及分析各个地块中LID设施起到的作用，优化海绵城市等相关设计。

发明内容

本文借鉴同位素标记溯源的思想，提出了一种SWMM中使用浓度恒定的污染物作为标记物，对地块产生的径流进行追踪，从而对管网及节点中的雨水进行定量溯源分析的方法。该方法可对除地块之外的其他具有水量输出的对象进行水量的追踪模拟，并可同样借鉴到其他具有污染模拟功能的模型中，或根据此原理开发模型。

1、模拟方法

对径流追踪模拟的思想为：给每个地块产生的径流附带一个名称独特的，浓度恒定的且不可分解的污染物作为标记物，通过分析下游管道节点中水流的各种标记物的浓度比例及总的流量，即可对径流进行定量溯源。若要对其他具有水量输出的对象进行追踪，则对该对象产生的水量附加一个名词独特，浓度恒定且不可分解的污染物作为标记物即可。

2样例分析

2.1模型系统图

搭建如下图所示模型，汇水区H1~4，面积均为1.15 ha，J1~4为节点，G1~4为雨水管线，O为排出口，相应管径及高程信息如图所示。

图1 模型系统示意图

Fig.1 Diagram of Model System

2.2参数设定

在Quality-Pollutants中添加标记物1~标记物4四种污染物，污染物的所有参数均为默认设定；在Quality-Land Uses中添加土地1~土地4四种土地利用类型，其中土地1参数，Washoff中，Pollutant选择标记物1，Function选择EMC（事件平均浓度冲刷），Coefficient设定为1（也可以设定其他数值，设置为1是为了便于计算），其他标记物均不改变；土地2参数中则将标记物2的Coefficient设定为1，其他不变，以此类推。

对于汇水区的设定，以H1为例，除一般需设定的参数外，Land Uses设定为土地1,100% of Area，其余为0；同理设置H2~H4。

2.3 模拟设定

设计降雨历时2 h，模拟时间6 h，从模拟开始时刻即开始降雨。

3.模拟结果

根据设定运行模拟，可查看管道及节点中各标记物的浓度。

3.1 汇水区H1产流中标记物1浓度

汇水区1产流中标记物1的浓度变化如图2所示。虽然将汇水区参数设定为了EMC，但它还是有一个浓度上升的过程。

图2 汇水区H1产流中标记物1浓度

Fig.2 Marker 1 Concentration in Runoff of Catchment H1

3.2 管线G4中各标记物的浓度

管线G4中各标记物的浓度如图3所示。标记物4浓度快速上升阶段的数据需排除。根据图可看出，四种标记物浓度的加和在任一时间都等于1，即每种标记物的浓度可代表其来源的汇水区径流在管道中所占的比例。曲线所表现出来的趋势与人的主观看法是一致的。在降雨约1 h时，G4管道中的雨水基本混合均匀并稳定；由于4个汇水区之间只有转输管道参数的不同，因此在1 h~2 h时段内G4管道内各汇水区径流所占比例比较接近。

图3 管线G4中各标记物的浓度

Fig.3 Concentration of Each Marker in Pipeline G4

4. 总结

本文通过污染物标定的方法实现了SWMM模型中对汇水区产流的定量追踪，可以应用于截流井、调蓄池及海绵城市等相关规划设计之中。该方法可同样借鉴到除地块之外的其他产流模拟对象及其他有污染模拟功能的模型中；该方法存在一定的缺陷，即标定物浓度有一个上升的过程，会一定程度上影响分析。根据本文所述的方法，可对开源的SWMM模型进行二次开发，弥补此缺陷，或根据方法开发具有水量定量追踪功能的模型。