隨著經(jīng)濟的快速發(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導(dǎo)致降雨后地表的截留和下滲，對城市的水文環(huán)境產(chǎn)生非常嚴重的影響。同時，大部分雨水會以徑流的形式流入地下河，嚴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，其來源廣泛，包括多種不同的類型。

詳細分析地表徑流的變化趨勢，確定降雨期間城市徑流的污染特征，充分合理地開發(fā)利用城市水資源，對城市的發(fā)展、城市生態(tài)環(huán)境的改善和城市經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。針對傳統(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。具體的仿真實驗數(shù)據(jù)充分驗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

在城市降雨過程中，需要實時收集雨水，計算雨水的徑流速度并加以保存。

對全市各采樣點不同的雨面特征進行詳細的統(tǒng)計和分析。在雨水排水系統(tǒng)中，由于各采樣點不同的降雨強度和不同的面污染源，徑流水質(zhì)的污染濃度會隨時間而變化，污染指數(shù)的相對穩(wěn)定值具有重要價值。

降雨過程中會造成徑流，徑流中會形成大量的污染物。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時間段污染物總濃度，Qt代表T時間段徑流水量，T代表降雨總持續(xù)時間。

公式(1)由相關(guān)的積分定義求解。由于監(jiān)測數(shù)據(jù)是間歇性的，對理論方程進行近似轉(zhuǎn)換，將徑流過程按時間劃分為N個不同的段，在每個段中選取一個徑流水樣，可得到如下方程(2):

上式中，δt代表采樣時間間隔，Vt代表設(shè)定時間段內(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，整個過程稱為初始沖刷效應(yīng)。由于不同采樣點的初始沖刷效果不同，需要選擇不同的控制方法進行合理有效的控制。

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)。下面給出具體的計算公式(3):

上式中，C(t)代表T期總污染負荷，T代表所有徑流的總歷時，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。

在坐標系上詳細繪制累積負荷和累積徑流量的變化趨勢，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，則說明該時間段發(fā)生了沖刷作用；相反，污染物濃度可以通過相應(yīng)的曲線計算出來。

在此基礎(chǔ)上，選擇雨水管理模型對研究區(qū)的徑流和徑流污染進行動態(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)評價的主要目的是詳細了解每個區(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，具體考慮以下幾個方面:

(1)適應(yīng)性，(2)易用性，以及(3)經(jīng)濟性。

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。

下面的詳細流程圖如圖1所示。

模型的建立需要幾個具有特征的輸入數(shù)據(jù)。詳情見表1。

將表1中的數(shù)據(jù)與化學(xué)動力學(xué)方程結(jié)合，獲得一組獨特的水質(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代表不同方向的對流速度，Ex、Ey、Ez代表不同方向的擴散系數(shù)，SL代表點源和非點源，SB代表邊界負荷，Sk代表功率換算項。

溶解氧的動力學(xué)方程(6)如下所示:

在上式中，k2代表復(fù)氧系數(shù)。

氨氮的動力學(xué)方程(7)如下所示:

浮游植物的氮動力學(xué)方程如式(8)所示:

氧氣的動力學(xué)方程為(9):

一些有毒物質(zhì)的概述見表2。

在上述分析的基礎(chǔ)上，需要詳細分析不同雨水排水系統(tǒng)的水質(zhì)和徑流，通過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):

通過雨水排水系統(tǒng)水質(zhì)徑流污染控制模型，計算區(qū)域環(huán)境容量，并引入相關(guān)參數(shù)進行分配，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，實現(xiàn)了雨水排水系統(tǒng)的水質(zhì)徑流污染控制。

二、模擬實驗

為了驗證雨水排水系統(tǒng)水質(zhì)徑流污染控制模型的綜合有效性，有必要進行模擬實驗。實驗環(huán)境為:2GB內(nèi)存，2.93GHZ雙核CPU，WIN7旗艦操作系統(tǒng)，Ja-val.6開發(fā)語言，Eclipse3.6，MySQL5.5。

2.1不同控制模型響應(yīng)時間的比較結(jié)果

選擇文獻[4]中的下述模型和文獻[5]中的模型作為比較模型，分別比較各模型在不同次數(shù)實驗下的響應(yīng)時間。具體對比結(jié)果見表3。

從表3可以看出，不同模型的響應(yīng)時間隨著實驗次數(shù)的變化而變化，提出的控制模型的響應(yīng)時間明顯低于其他兩種控制模型，充分驗證了提出模型的優(yōu)越性。

2.2成本控制

下面詳細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)計的控制模型的控制成本低，其次是參考文獻[4]中模型的控制成本，參考文獻[5]中模型的控制成本高。通過與相關(guān)實驗數(shù)據(jù)的對比，充分驗證了所設(shè)計模型的綜合有效性。

2.3運營效率(%)

其中，運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。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)計的控制模型的運行效率具有明顯的優(yōu)勢。

通過分析上述實驗結(jié)果，可以得出以下實驗結(jié)論:

(1)與傳統(tǒng)控制模型相比，所設(shè)計的控制模型的響應(yīng)時間明顯縮短。

(2)與傳統(tǒng)控制模型相比，所設(shè)計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)計的控制模型運行效率明顯提高。

三。結(jié)論。

針對傳統(tǒng)水質(zhì)徑流污染控制模型響應(yīng)時間長、控制成本高、運行效率低的問題，設(shè)計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)計的模型能有效提高運行效率，縮短響應(yīng)時間，降低控制成本，獲得理想的控制效果。

未來的研究將集中在以下幾個方面:

(1)區(qū)域水質(zhì)模型將在未來階段進一步建立。假設(shè)有足夠的水動力數(shù)據(jù)，需要選取相關(guān)數(shù)據(jù)進行模擬分析，以獲得更真實的模擬結(jié)果。

(2)目前，研究范圍非常有限。今后將進一步擴大研究范圍，使計算結(jié)果更加真實準確。(來源:武漢市政工程設(shè)計研究院有限公司)

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