一种低影响开发设施的水量水质模拟计算方法技术

一种低影响开发设施的水量水质模拟计算方法，包括如下步骤：1、模拟研究区的水文径流、管渠水流及水质的传输过程，计算现状条件下的污染物的累积量和冲刷量；2、基于低影响开发设施各结构层的水量连续性方程及污染物一级降解反应方程求解水量水质的蓄滞与传输转化过程；3、分析低影响开发设施对水量水质的控制效果，评估低影响开发设计方案的目标可达性。该方法综合考虑各结构层对水量水质的调蓄和削减能力，从低影响开发设施各结构层的水量水质精细化模拟角度出发，实现低影响开发设施的水量水质精细化模拟，评估地表径流控制率和污染物削减率等指标。物削减率等指标。物削减率等指标。

【技术实现步骤摘要】
一种低影响开发设施的水量水质模拟计算方法


[0001]本专利技术涉及海绵城市建设中低影响开发设施模拟
，特别是涉及一种低影响开发设施的水量水质模拟计算方法。

技术介绍

[0002]近年来，海绵城市如火如荼，在提升城市排水系统能力时优先考虑把有限的雨水留下来，优先考虑利用自然力量排水，建设自然积存、自然渗透、自然净化的“海绵城市”。
[0003]在海绵城市建设中，低影响开发设施是重要的工程措施，具有控制地表径流和面源污染的作用，而低影响开发设施效果的准确评估对辅助方案设计具有重要意义。目前利用数学模型对低影响开发设施的水量水质模拟已有相关研究，然而模型中水量水质的计算方法不尽相同。

技术实现思路

[0004]本专利技术提出一种低影响开发设施的水量水质模拟计算方法，该方法综合考虑各结构层对水量水质的调蓄和削减能力，从低影响开发设施各结构层的水量水质精细化模拟角度出发，实现低影响开发设施的水量水质精细化模拟，评估地表径流控制率和污染物削减率等指标。
[0005]如上构思，本专利技术的技术方案是：一种低影响开发设施的水量水质模拟计算方法，其特征在于：包括如下步骤：
[0006]步骤一、模拟研究区的水文径流、管渠水流及水质的传输过程，计算现状条件下的污染物的累积量和冲刷量；
[0007]步骤二、基于低影响开发设施各结构层的水量连续性方程及污染物一级降解反应方程求解水量水质的蓄滞与传输转化过程；
[0008]步骤三、分析低影响开发设施对水量水质的控制效果，评估低影响开发设计方案的目标可达性。
[0009]进一步，步骤一所述水文径流计算包括地表产流和地表汇流，地表产流的入渗量通过求解霍顿Horton公式计算，地表汇流采用非线性水库方程计算，所述管渠水流及水质的传输过程的计算利用马斯京跟法或者修正的Puls方法计算，所述污染物的累积量采用指数累积算法计算，冲刷量采用指数冲刷算法或者 EMC冲刷算法计算。
[0010]进一步，所述地表产流的入渗量采用霍顿Horton公式计算的方法是：
[0011]①
雨季入渗能力和入渗量计算公式为：
[0012][0013][0014]式中：f为t时刻的入渗能力，mm/s；F为t时刻的入渗量，mm；f
∞
为最小入渗能力，mm/s；f0为最大入渗能力，mm/s；t为入渗时间，s；k
d
为入渗衰减系数，s
‑1；
[0015]②
旱季入渗能力计算公式为：
[0016][0017]式中：t
w
为地表入渗能力恢复曲线中f为f
∞
时对应的时间，k
r
为入渗恢复系数，s
‑1。
[0018]进一步，所述地表汇流采用非线性水库法求解的方法是：
[0019]地表径流计算公式为：
[0020][0021]式中：A为汇水区面积，m2；n为汇水区曼宁系数；W为汇水区特征宽度， m；S为汇水区坡度，d为地表水深，m；d
s
为地表洼蓄深度，m；
[0022]地表水深随时间的计算公式为：
[0023][0024]式中：d为地表水深，m；i为降雨强度，mm/s；e为蒸发强度，mm/s；f为入渗速率，mm/s；q为径流量，mm/s。
[0025]进一步，所述管渠水流及水质的传输过程采用马斯京根法的计算方法是：采用槽蓄方程代替动量方程，采用水量平衡方程代替连续性方程，计算公式为：
[0026][0027][0028]式中：V为槽蓄量，m3；I为入流量，m3/s；Q为出流量，m3/s；Δt为演算步长，s；i和i
‑
1分别表示当前时刻和上一时刻的物理量，K、X分别为马斯京根参数，无具体物理意义；
[0029]由公式6和7联立求解得：
[0030]Q
i
＝C
X
I
i
+C
Y
V
i
‑1ꢀꢀꢀ
(8)
[0031]其中CX、CY是K、X、Δt的函数，计算公式为：
[0032][0033][0034]限制条件为：
[0035][0036]由限制条件得到关系式为：
[0037][0038]上述为单一河段计算公式，对于多河段情况，用K/N(N为子河段数)作为新的K值参与计算。
[0039]进一步，所述管渠水流及水质的传输过程采用修正的Puls模型的计算方法是：修正的PULS模型即水平池模型，采用有限差分格式，耦合经验表达的动量方程，通过给定入流
过程线、调蓄
‑
出流关系曲线，计算管道出流；
[0040]连续性方程为：
[0041][0042][0043]式中：为时间步长内平均出流量，m3/s；为时间步长内平均入流量，m3/s； L为管道长度，m；ΔA为管道断面面积变化量，m2；ΔS为管道调蓄变化量；Δt 为时间步长，s；
[0044]假定流量在时间步长内是线性变化的，上式可写为：
[0045][0046]式中：S
i+1
为下一时刻管道调蓄量，m3；S
i
为当前时刻管道调蓄量，m3；Q
i+1
为下一时刻管道出流量，m3/s；Q
i
为当前时刻管道出流量，m3/s；I
i+1
为下一时刻管道入流量，m3/s；I
i
为当前时刻管道入流量，m3/s；
[0047]S
i+1
和Q
i+1
为未知数，可利用调蓄
‑
出流关系曲线计算唯一未知数，调蓄
‑
出流关系曲线采用曼宁公式计算。
[0048]进一步，所述指数累积法计算地表径流污染物的累积量的方法是：其基本方程为：
[0049][0050]式中：B为污染物累积量，kg/hm2；B
max
为污染物最大累积量，kg/hm2；K
B
为污染物指数累积系数，day
‑1；t为累积时间，day。
[0051]进一步，所述指数冲刷法计算地表径流污染物的冲刷量的方法是：其基本方程为：
[0052]m
B
(t)＝m
B
(0)e
‑
kt
ꢀꢀꢀ
(17)
[0053]W(t)＝m
B
(0)
‑
m
B
(t)＝m
B
(0)(1
‑
e
‑
kt
)
ꢀꢀꢀ
(18)
[0054]式中：W(t)为t时刻污染物的冲刷量，kg；m
B
(0)为地表初始累积量，kg；m
B
(t) 为t时刻地表累积量；kg；k为指数系数，h，
[0055]上式由式(19)积本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种低影响开发设施的水量水质模拟计算方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤一、模拟研究区的水文径流、管渠水流及水质的传输过程，计算现状条件下的污染物的累积量和冲刷量；步骤二、基于低影响开发设施各结构层的水量连续性方程及污染物一级降解反应方程求解水量水质的蓄滞与传输转化过程；步骤三、分析低影响开发设施对水量水质的控制效果，评估低影响开发设计方案的目标可达性。2.根据权利要求1所述的一种低影响开发设施的水量水质模拟计算方法，其特征在于：步骤一所述水文径流计算包括地表产流和地表汇流，地表产流的入渗量通过求解霍顿Horton公式计算，地表汇流采用非线性水库方程计算，所述管渠水流及水质的传输过程的计算利用马斯京跟法或者修正的Puls方法计算，所述污染物的累积量采用指数累积算法计算，冲刷量采用指数冲刷算法或者EMC冲刷算法计算。3.根据权利要求2所述的一种低影响开发设施的水量水质模拟计算方法，其特征在于：所述地表产流的入渗量采用霍顿Horton公式计算的方法是：
①
雨季入渗能力和入渗量计算公式为：雨季入渗能力和入渗量计算公式为：式中：f为t时刻的入渗能力，mm/s；F为t时刻的入渗量，mm；f
∞
为最小入渗能力，mm/s；f0为最大入渗能力，mm/s；t为入渗时间，s；k
d
为入渗衰减系数，s
‑1；
②
旱季入渗能力计算公式为：式中：t
w
为地表入渗能力恢复曲线中f为f
∞
时对应的时间，k
r
为入渗恢复系数，s
‑1。4.根据权利要求2所述的一种低影响开发设施的水量水质模拟计算方法，其特征在于：所述地表汇流采用非线性水库法求解的方法是：地表径流计算公式为：式中：A为汇水区面积，m2；n为汇水区曼宁系数；W为汇水区特征宽度，m；S为汇水区坡度，d为地表水深，m；d
s
为地表洼蓄深度，m；地表水深随时间的计算公式为：式中：d为地表水深，m；i为降雨强度，mm/s；e为蒸发强度，mm/s；f为入渗速率，mm/s；q为径流量，mm/s。5.根据权利要求2所述的一种低影响开发设施的水量水质模拟计算方法，其特征在于：所述管渠水流及水质的传输过程采用马斯京根法的计算方法是：采用槽蓄方程代替动量方程，采用水量平衡方程代替连续性方程，计算公式为：
式中：V为槽蓄量，m3；I为入流量，m3/s；Q为出流量，m3/s；Δt为演算步长，s；i和i
‑
1分别表示当前时刻和上一时刻的物理量，K、X分别为马斯京根参数，无具体物理意义；由公式6和7联立求解得：Q
i
＝C
X
I
i
+C
Y
V
i
‑1ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(8)其中CX、CY是K、X、Δt的函数，计算公式为：其中CX、CY是K、X、Δt的函数，计算公式为：限制条件为：由限制条件得到关系式为：上述为单一河段计算公式，对于多河段情况，用K/N(N为子河段数)作为新的K值参与计算。6.根据权利要求2所述的一种低影响开发设施的水量水质模拟计算方法，其特征在于：所述管渠水流及水质的传输过程采用修正的Puls模型的计算方法是：修正的PULS模型即水平池模型，采用有限差分格式，耦合经验表达的动量方程，通过给定入流过程线、调蓄
‑
出流关系曲线，计算管道出流；连续性方程为：连续性方程为：式中：为时间步长内平均出流量，m3/s；为时间步长内平均入流量，m3/s；L为管道长度，m；ΔA为管道断面面积变化量，m2；ΔS为管道调蓄变化量；Δt为时间步长，s；假定流量在时间步长内是线性变化的，上式可写为：式中：S
i+1
为下一时刻管道调蓄量，m3；S
i
为当前时刻管道调蓄量，m3；Q
i+1
为下一时刻管道出流量，m3/s；Q
i
为当前时刻管道出流量，m3/s；I
i+1
为下一时刻管道入流量，m3/s；I
i
为当前时刻管道入流量，m3/s；S
i+1
和Q
i+1
为未知数，可利用调蓄
‑
出流关系曲线计算唯一未知数，调蓄
‑
出流关系曲线采用曼宁公式计算。
7.根据权利要求2所述的一种低影响开发设施的水量水质模拟计算方法，其特征在于：所述指数累积法计算地表径流污染物的累积量的方法是：其基本方程为：式中：B为污染物累积量，kg/hm2；B
max
为污染物最大累积量，kg/hm2；K
B
为污染物指数累积系数，day
‑1；t为累积时间，day。8.根据权利要求2所述的一种低影响开发设施的水量水质模拟计算方法，其特征在于：所述指数冲刷法计算地表径流污染物的冲刷量的方法是：其基本方程为：m
B

【专利技术属性】
技术研发人员：王浩正，张磊，王丽娜，
申请(专利权)人：中国市政工程华北设计研究总院有限公司，
类型：发明
国别省市：