申請日2010.06.09
公開(公告)日2010.10.13
IPC分類號E03F1/00
摘要
本發(fā)明涉及雨水處理和利用設(shè)施的設(shè)計方法。其包括雨水處理和利用設(shè)施的選址、設(shè)施類型的選擇和設(shè)施容積的計算，其中的設(shè)施容積WQV(即本領(lǐng)域術(shù)語水質(zhì)體積)通過5個具體步驟計算得出：步驟一，取主要參數(shù)值。步驟二，把參數(shù)值代入SWMM模型軟件中。步驟三，得到最佳設(shè)計雨量表確定最佳設(shè)計雨量的范圍。步驟四，根據(jù)多年資料和控制目標(biāo)得到最佳設(shè)計雨量的準(zhǔn)確值。步驟五，通過水質(zhì)體積WQV公式計算雨水處理和利用設(shè)施的容積。本發(fā)明在利用現(xiàn)有技術(shù)進行徑流污染控制時將初期徑流控制雨量作為主要控制因素，設(shè)計建造在控制污染前提下進行雨水收集、利用的雨水處理和利用設(shè)施。
摘要附圖
權(quán)利要求書
1.一種雨水處理和利用設(shè)施的設(shè)計方法，其包括雨水處理設(shè)施的選址、設(shè)施類型的選擇和設(shè)施容積的計算，其特征在于設(shè)施容積WQV通過下面計算得出：
步驟一，根據(jù)不同地區(qū)的降雨及徑流雨水水質(zhì)特點針對性地確定匯水面積A、污染物最大累積負(fù)荷C1、累積速率常數(shù)C2、沖刷系數(shù)S1、沖刷指數(shù)S2的具體取值;
步驟二，分別把步驟一中確定的匯水面積A、污染物最大累積負(fù)荷C1、累積速率常數(shù)C2、沖刷系數(shù)S1、沖刷指數(shù)S2等具體數(shù)值輸入SWMM模型軟件中，由SWMM模擬結(jié)果以及公式(4)得到不同重現(xiàn)期時的標(biāo)準(zhǔn)累積徑流比率與標(biāo)準(zhǔn)累積污染物比率曲線圖;
步驟三，根據(jù)步驟二中得到的不同重現(xiàn)期時的標(biāo)準(zhǔn)累積徑流比率與標(biāo)準(zhǔn)累積污染物比率曲線圖而得到不同重現(xiàn)期下的最佳設(shè)計雨量表，并由特定重現(xiàn)期范圍得到對應(yīng)的最佳設(shè)計雨量的范圍;
步驟四，根據(jù)該地區(qū)近30年的降雨資料和特定SS污染控制目標(biāo)得到設(shè)計雨量與污染物控制率關(guān)系曲線，最后從曲線圖上得到最佳設(shè)計雨量的準(zhǔn)確值;
步驟五，通過以下公式得到水質(zhì)體積WQV：
WQV=10HψF (1)
式中：WQV-水質(zhì)體積;H-設(shè)計雨量，mm;ψ-綜合徑流系數(shù);F-匯水面積，hm2。
說明書
雨水處理和利用設(shè)施的設(shè)計方法
技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明涉及雨水處理和利用設(shè)施的設(shè)計方法。
背景技術(shù)
雨水處理和利用設(shè)施近年來越來越普及，其設(shè)計和建造工程形成了一個廣闊的產(chǎn)業(yè)。降雨過程中大量污染物隨地表徑流的淋洗、沖刷進入水體，這也造成了水質(zhì)污染和惡化。為改善水環(huán)境質(zhì)量，有效的徑流污染控制至關(guān)重要。特別是隨著城市化進程的加快，不透水匯水面(如屋面、硬化路面、廣場、停車場等)占有比例越來越大。來自這些匯水面的徑流雨水水質(zhì)隨降雨過程的變化存在明顯的初期沖刷現(xiàn)象，表現(xiàn)為初期徑流污染物濃度較高，有時甚至劣于污水處理廠的進水水質(zhì)，初期雨水中包括了整場降雨的大部分污染物，降雨后期徑流水質(zhì)趨于平穩(wěn)。
雨水處理和利用設(shè)施可以在控制徑流污染的前提下進行雨水的收集、利用或處置，解決污染雨水隨意排放的問題。在現(xiàn)有技術(shù)中，雖然雨水處理和利用設(shè)施的容積計算中大都涉及到雨水水質(zhì)，但都只是從降雨事件控制率出發(fā)，沒有考慮到具體的徑流水質(zhì)狀況。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明旨在克服上述現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，提出一種雨水處理和利用設(shè)施的設(shè)計方法，其包括雨水處理和利用設(shè)施的選址、設(shè)施類型的選擇和設(shè)施容積的計算，其中的設(shè)施容積WQV(即本領(lǐng)域術(shù)語水質(zhì)體積)通過下面計算得出：
步驟一，根據(jù)不同地區(qū)的降雨及徑流雨水水質(zhì)特點針對性地確定匯水面積A、污染物最大累積負(fù)荷C1、累積速率常數(shù)C2、沖刷系數(shù)S1、沖刷指數(shù)S2的具體數(shù)值;
步驟二，分別把步驟一中確定的匯水面積A、污染物最大累積負(fù)荷C1、累積速率常數(shù)C2、沖刷系數(shù)S1、沖刷指數(shù)S2等具體數(shù)值輸入SWMM模型軟件中，由SWMM模擬結(jié)果以及公式(2)得到不同重現(xiàn)期時的標(biāo)準(zhǔn)累積徑流比率與標(biāo)準(zhǔn)累積污染物比率曲線圖。以屋面模擬為例，其主要的水文水利參數(shù)見圖4;
步驟三，根據(jù)步驟二中得到的不同重現(xiàn)期時的標(biāo)準(zhǔn)累積徑流比率與標(biāo)準(zhǔn)累積污染物比率曲線圖而得到不同重現(xiàn)期下的最佳設(shè)計雨量表，并由特定重現(xiàn)期范圍得到對應(yīng)的最佳設(shè)計雨量的范圍;
步驟四，根據(jù)該地區(qū)近30年的降雨資料和特定SS污染控制目標(biāo)得到設(shè)計雨量與污染物控制率的關(guān)系曲線，最后從曲線圖上得到最佳設(shè)計雨量的準(zhǔn)確值(根據(jù)特定的SS污染控制目標(biāo)查圖即可得對應(yīng)的最佳設(shè)計雨量);
步驟五，最后通過以下公式得到水質(zhì)體積WQV：
WQV=10HψF (1)
式中：WQV-水質(zhì)體積;H-設(shè)計雨量，mm;ψ-綜合徑流系數(shù);F-匯水面積，hm2。
質(zhì)量初期沖刷(Mass First Flush，MFF)曲線表征的是徑流量與污染物濃度的變化關(guān)系(見圖1)，目的為通過控制最合適的徑流量來控制徑流目標(biāo)污染物，可表示為：
式中：C(t)-t1時刻污染物濃度;
Q(t)-t1時刻徑流量;
M-污染物總量;
V-徑流總量;
t1-徑流歷時;
x-標(biāo)準(zhǔn)累積徑流比率(Normalized Cumulative Flow Volume)，表示t1時刻累積徑流量與整個降雨事件中總徑流量的比值;
y-標(biāo)準(zhǔn)累積污染物比率(Normalized Cumulative Mass)，表示徑流形成后t1時刻累積污染負(fù)荷與整個降雨事件中總污染負(fù)荷的比值。
SWMM是由美國環(huán)保署(USEPA)在20世紀(jì)70年代開始開發(fā)的，目前經(jīng)過不斷的完善和升級，已發(fā)展到了更高版本。
SWMM對雨水管、合流制管道、自然排放系統(tǒng)都可以進行水量水質(zhì)的模擬，它包括地面徑流、排水管網(wǎng)輸送、貯水處理及受納水體的影響等。SWMM模型可以對單場降雨或者連續(xù)降雨而產(chǎn)生的坡面徑流和水質(zhì)變化進行動態(tài)模擬，也可以對排水系統(tǒng)中節(jié)點、管道、匯水區(qū)以及其他排水構(gòu)筑物的流量、水深和流速等時間序列的仿真模擬，還可以完整地模擬回水影響、逆流、明渠、地下管網(wǎng)、環(huán)狀管網(wǎng)以及各種復(fù)雜的排水構(gòu)筑物。
由于強大的模擬功能，SWMM被廣泛用于城市排水系統(tǒng)的水文-水動力學(xué)模擬，通過分析模擬得出的管網(wǎng)運行狀態(tài)，為合理規(guī)劃管網(wǎng)、優(yōu)化規(guī)劃方案提供決策支持。
本發(fā)明水質(zhì)體積法中，場地條件確定時徑流系數(shù)與匯水面積為定值，因此，決定徑流污染控制量的關(guān)鍵參數(shù)為設(shè)計雨量。為使設(shè)計雨量能夠反映水質(zhì)的控制程度從而真正實現(xiàn)污染控制，本發(fā)明基于徑流污染物的累積、沖刷及其與降雨量、徑流量之間的關(guān)系探討徑流污染控制設(shè)計雨量的確定方法。
徑流污染水質(zhì)模擬過程表示如下：
該過程分為污染物累積(式(3))和污染物源頭沖刷(式(4))兩個階段。
式中B-污染物累積量，kg/ha;C1-污染物最大累積量，kg/ha;C2-累積速率常數(shù);t-累積時間，min。
式中W-污染物沖刷量，mg/L;S1-沖刷系數(shù);S2-沖刷指數(shù);q-單位面積上的徑流量，mm/h;其他參數(shù)同上。
水質(zhì)體積WQV是為用來確定徑流污染控制雨量的量化控制指標(biāo)，即為達到控制徑流污染、保證雨水利用的水質(zhì)目標(biāo)所需處理的雨水體積。水質(zhì)體積法用于捕捉和處理80%～90%的多年平均降雨事件的徑流雨水(該降雨事件為可統(tǒng)計年限的降雨事件，一般為30年以上)，水質(zhì)體積法一般可控制徑流中70%～80%的SS負(fù)荷，計算方法見式(1)，因不同國家不同地區(qū)的污染程度和降雨特點各不相同，設(shè)計雨量(WQV的關(guān)鍵參數(shù))取值也不同。我國的降雨季節(jié)性強，由于地區(qū)間水文、地質(zhì)、氣象條件差異大，各城市降雨特點也有很大差別，因此WQV是控制徑流雨水水質(zhì)的重要指標(biāo)，也是以水質(zhì)控制為主要目的時雨水利用設(shè)施規(guī)模設(shè)計的關(guān)鍵參數(shù)。
本發(fā)明利用SWMM(Storm Water Management Model)模型可針對確定的匯水面進行模擬，選取不同的累積及沖刷過程參數(shù)，改變污染物負(fù)荷、匯水面大小等參數(shù)來實現(xiàn)模擬過程，并結(jié)合近30年來的降雨資料數(shù)據(jù)探討雨水徑流污染控制設(shè)計雨量的計算方法。
本發(fā)明設(shè)計雨量指在特定的徑流污染控制目標(biāo)下需要控制的雨量。對于一個按設(shè)計降雨量設(shè)計的雨水處理裝置，小于設(shè)計降雨量的降雨會全部經(jīng)過處理;大于設(shè)計降雨量的降雨，超過的部分將溢流排放，不同的設(shè)計雨量對應(yīng)不同的污染控制率，設(shè)計雨量應(yīng)根據(jù)不同城市不同區(qū)域的徑流特點確定。
