雨水排水系统的水质径流污染控制

随着经济的快速发展，城市人口数量与日俱增，其中城市道路、建筑物等不透水区域。继续增加。城市不透水面积的增加会导致降雨后地表的截留和下渗，对城市的水文环境产生非常严重的影响。同时，大部分雨水会以径流的形式流入地下河，严重污染城市的自然水体。其中，城市雨水排水系统包含多种不同的污染源，其来源广泛，包括多种不同的类型。

详细分析地表径流的变化趋势，确定降雨期间城市径流的污染特征，充分合理地开发利用城市水资源，对城市的发展、城市生态环境的改善和城市经济的可持续发展具有重要意义。针对传统水质径流污染控制模型的缺陷，提出并建立了雨水排水系统水质径流污染控制模型。具体的仿真实验数据充分验证了该模型的综合有效性。

一.方法

1.1雨水排水系统水质径流污染模拟与预测

在城市降雨过程中，需要实时收集雨水，计算雨水的径流速度并加以保存。

对全市各采样点不同的雨面特征进行详细的统计和分析。在雨水排水系统中，由于各采样点不同的降雨强度和不同的面污染源，径流水质的污染浓度会随时间而变化，污染指数的相对稳定值具有重要价值。

降雨过程中会造成径流，径流中会形成大量的污染物。雨水径流排放量与污染物总量的关系具体如下，如公式(1)所示:

上式中，m代表降雨径流产生的部分污染物总量，v代表降雨产生的径流总量，Ct代表T时间段污染物总浓度，Qt代表T时间段径流水量，T代表降雨总持续时间。

公式(1)由相关的积分定义求解。由于监测数据是间歇性的，对理论方程进行近似转换，将径流过程按时间划分为N个不同的段，在每个段中选取一个径流水样，可得到如下方程(2):

上式中，δt代表采样时间间隔，Vt代表设定时间段内的径流量和雨水量。

在径流形成的初始阶段，由于径流中污染物的浓度与雨水的初始径流量不成比例，整个过程称为初始冲刷效应。由于不同采样点的初始冲刷效果不同，需要选择不同的控制方法进行合理有效的控制。

其中，初期径流总量约5%形成的污染物含量为初期冲刷量。在此基础上，建立累积曲线，判断是否出现初始冲刷效应。下面给出具体的计算公式(3):

上式中，C(t)代表T期总污染负荷，T代表所有径流的总历时，C(T)代表T期雨水污染物浓度，Q(t)代表T期径流雨水流量。

在坐标系上详细绘制累积负荷和累积径流量的变化趋势，得出两者之间的关系曲线。如果初始堆积曲线的斜率高于基线，则说明该时间段发生了冲刷作用；相反，污染物浓度可以通过相应的曲线计算出来。

在此基础上，选择雨水管理模型对研究区的径流和径流污染进行动态模拟，如公式(4)所示:

1.2雨水排水系统水质径流污染控制模型的建立

水质评价的主要目的是详细了解每个区域的水质和污染浓度。在水质模拟和水环境容量分析过程中，应根据不同污染物的特性，建立雨水排水系统的水质径流污染控制模型，具体考虑以下几个方面:

(1)适应性，(2)易用性，以及(3)经济性。

该模型的建立为区域污染总量控制提供了理论依据，提高了区域污染管理的科学性。

下面的详细流程图如图1所示。

模型的建立需要几个具有特征的输入数据。详情见表1。

将表1中的数据与化学动力学方程结合，获得一组独特的水质方程。

给出了下面的特定质量守恒方程(5):

上式中，C代表雨水排水系统水质组分浓度，Ux、Uy、Uz代表不同方向的对流速度，Ex、Ey、Ez代表不同方向的扩散系数，SL代表点源和非点源，SB代表边界负荷，Sk代表功率换算项。

溶解氧的动力学方程(6)如下所示:

在上式中，k2代表复氧系数。

氨氮的动力学方程(7)如下所示:

浮游植物的氮动力学方程如式(8)所示:

氧气的动力学方程为(9):

一些有毒物质的概述见表2。

在上述分析的基础上，需要详细分析不同雨水排水系统的水质和径流，通过GIS和水质模型建立雨水排水系统水质和径流的污染控制模型(10):

通过雨水排水系统水质径流污染控制模型，计算区域环境容量，并引入相关参数进行分配，给出相应的水质径流污染控制措施，如下图11所示:

综上所述，实现了雨水排水系统的水质径流污染控制。

二、模拟实验

为了验证雨水排水系统水质径流污染控制模型的综合有效性，有必要进行模拟实验。实验环境为:2GB内存，2.93GHZ双核CPU，WIN7旗舰操作系统，Ja-val.6开发语言，Eclipse3.6，MySQL5.5。

2.1不同控制模型响应时间的比较结果

选择文献[4]中的下述模型和文献[5]中的模型作为比较模型，分别比较各模型在不同次数实验下的响应时间。具体对比结果见表3。

从表3可以看出，不同模型的响应时间随着实验次数的变化而变化，提出的控制模型的响应时间明显低于其他两种控制模型，充分验证了提出模型的优越性。

2.2成本控制

下面详细给出了三种不同控制模型的控制成本，如图2所示。

根据图2的分析，设计的控制模型的控制成本低，其次是参考文献[4]中模型的控制成本，参考文献[5]中模型的控制成本高。通过与相关实验数据的对比，充分验证了所设计模型的综合有效性。

2.3运营效率(%)

其中，运行效率是衡量雨水排水系统径流污染控制模式效果的重要指标。三种控制模式的操作效率如下所示，如表4所示。

从表4的分析可以看出，不同控制模型的运行效率随着样本数的变化而变化。与其他两种控制模型相比，所设计的控制模型的运行效率具有明显的优势。

通过分析上述实验结果，可以得出以下实验结论:

(1)与传统控制模型相比，所设计的控制模型的响应时间明显缩短。

(2)与传统控制模型相比，所设计的控制模型的控制成本明显降低。

(3)与传统控制模型相比，设计的控制模型运行效率明显提高。

三。结论。

针对传统水质径流污染控制模型响应时间长、控制成本高、运行效率低的问题，设计并提出了雨水排水系统水质径流污染控制模型。仿真结果表明，与传统控制模型相比，所设计的模型能有效提高运行效率，缩短响应时间，降低控制成本，获得理想的控制效果。

未来的研究将集中在以下几个方面:

(1)区域水质模型将在未来阶段进一步建立。假设有足够的水动力数据，需要选取相关数据进行模拟分析，以获得更真实的模拟结果。

(2)目前，研究范围非常有限。今后将进一步扩大研究范围，使计算结果更加真实准确。(来源:武汉市政工程设计研究院有限公司)