雨水排放系統(tǒng)水質(zhì)徑流污染控制

　　隨著經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，促使城市人口數(shù)量日益增加，其中城市道路、建筑等各種不透水的面積也持續(xù)增加，城市中不透水面積的增加，會(huì)導(dǎo)致降雨后地表的截流、入滲等，對(duì)城市的水文環(huán)境造成十分嚴(yán)重的影響，同時(shí)大部分的雨水還會(huì)以徑流的形式流入到地下河中，使城市中的自然水體受到嚴(yán)重的污染。其中城市雨水排放系統(tǒng)中包含多種不同的污染源，它們的來(lái)源范圍十分廣，同時(shí)包含多種不同的類型。

　　詳細(xì)分析城市降雨過(guò)程匯總地表徑流變化趨勢(shì)，確定降雨期城市徑流中產(chǎn)流污染特征并充分合理開發(fā)以及利用城市水資源，對(duì)城市的發(fā)展，改善城市生態(tài)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)城市經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展具有十分重要的意義。針對(duì)傳統(tǒng)的水質(zhì)徑流污染控制模型存在的缺陷，提出并組建雨水排放系統(tǒng)水質(zhì)徑流污染控制模型，通過(guò)具體的仿真實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，充分驗(yàn)證了所提模型的綜合有效性。

　　一、　方法

　　1.1　雨水排放系統(tǒng)水質(zhì)徑流污染的模擬以及預(yù)測(cè)

　　在城市降雨的過(guò)程中，需要實(shí)時(shí)進(jìn)行雨水采集，同時(shí)計(jì)算雨水的徑流速度，并且將其進(jìn)行保存。

　　將城市中各個(gè)采樣點(diǎn)的不同降雨地表特征進(jìn)行詳細(xì)統(tǒng)計(jì)以及分析。在雨水排水系統(tǒng)中，由于各個(gè)采樣點(diǎn)降雨強(qiáng)度不同以及地表污染源不同，導(dǎo)致徑流水質(zhì)的污染濃度會(huì)隨著時(shí)間的變化而變化，其中污染指標(biāo)的相對(duì)穩(wěn)定值具有十分重要的價(jià)值。

　　在降雨的過(guò)程中，會(huì)引發(fā)徑流，在徑流中會(huì)形成大量的污染物，以下具體給出雨水徑流排放量和污染物總量之間的關(guān)系，如公式(1)所示：

　　上式中，M代表降雨徑流所產(chǎn)生的某種污染物的總數(shù)，v代表降雨所引發(fā)的徑流總體積，Ct代表t時(shí)間段內(nèi)的污染物總濃度，Qt代表t時(shí)間段內(nèi)的徑流水量，T代表降雨總時(shí)長(zhǎng)。

　　通過(guò)相關(guān)的積分定義，對(duì)公式(1)進(jìn)行求解。由于所監(jiān)測(cè)到的相關(guān)數(shù)據(jù)是間斷的，所以將理論方程進(jìn)行近似轉(zhuǎn)換，同時(shí)將徑流過(guò)程按照時(shí)間劃分為n個(gè)不同的小段，在各個(gè)段內(nèi)分別選取一個(gè)徑流水樣，則能夠獲取以下的方程(2)：

　　上式中，Δt代表采樣時(shí)間間隔，Vt代表設(shè)定時(shí)間段內(nèi)的徑流雨水量。

　　在徑流形成的初始階段，由于徑流中污染物濃度和雨水初期徑流量?jī)烧咧g不成比例，所以將上述整個(gè)過(guò)程稱為初期沖刷效應(yīng)。由于不同的采樣點(diǎn)具有不同的初期沖刷效應(yīng)，所以需要選取不同的控制方式對(duì)其進(jìn)行合理有效的控制。

　　其中徑流前期百分之五左右的徑流總量所形成的污染物所占含量為初期沖刷，在上述基礎(chǔ)上組建累積曲線，通過(guò)累積曲線判斷其是否發(fā)生初期沖刷效應(yīng)，以下給出具體的計(jì)算式(3)：

　　上式中，C(T)代表t時(shí)間段內(nèi)的污染負(fù)荷總量，T代表全部徑流的總時(shí)長(zhǎng)，C(t)代表在t時(shí)間段內(nèi)雨水污染物濃度，Q(t)代表t時(shí)間段內(nèi)徑流雨水流量。

　　在坐標(biāo)系上詳細(xì)繪制累積負(fù)荷量和累積徑流量的變化趨勢(shì)，同時(shí)獲取兩者之間的關(guān)系曲線。如果初期累積曲線的斜率高于基準(zhǔn)線時(shí)，則說(shuō)明該時(shí)間段內(nèi)發(fā)生了沖刷效應(yīng)，反之能夠通過(guò)相應(yīng)的曲線計(jì)算污染物濃度。

　　在上述基礎(chǔ)上，選用雨水管理模型對(duì)所研究區(qū)域內(nèi)的徑流產(chǎn)流以及徑流污染進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬，具體如公式(4)所示：

　　1.2　雨水排放系統(tǒng)水質(zhì)徑流污染控制模型的組建

　　水質(zhì)現(xiàn)狀評(píng)價(jià)的主要目的是為了詳細(xì)了解各個(gè)區(qū)域內(nèi)的水質(zhì)情況以及污染濃度。在進(jìn)行水質(zhì)模擬和水環(huán)境容量分析的過(guò)程中，針對(duì)不同污染物的特點(diǎn)，組建雨水排放系統(tǒng)水質(zhì)徑流污染控制模型，具體需要考慮以下幾方面：

　　(1)適應(yīng)性，(2)易用性，(3)經(jīng)濟(jì)性。

　　模型的組建為區(qū)域污染總量控制提供一定的理論依據(jù)，提高其科學(xué)管理性。

　　以下給出詳細(xì)的流程圖見圖1。

　　其中模型的組建需要幾個(gè)具有特性的輸入數(shù)據(jù)，具體見表1。

　　將表1中的數(shù)據(jù)和化學(xué)動(dòng)力學(xué)方程相結(jié)合，獲取唯一一組水質(zhì)方程。

　　以下給出具體的質(zhì)量守恒方程(5)：

　　上式中，C代表雨水排放系統(tǒng)水質(zhì)組分的濃度，Ux、Uy、Uz代表不同方向上的對(duì)流速度，Ex、Ey、Ez代表不同方向的擴(kuò)散系數(shù)，SL代表點(diǎn)源以及面源，SB代表邊界負(fù)荷，Sk代表動(dòng)力轉(zhuǎn)換項(xiàng)。

　　以下給出溶解氧的動(dòng)力學(xué)方程(6)：

　　上式中，k2代表復(fù)氧系數(shù)。

　　以下具體給出氨氮的動(dòng)力學(xué)方程(7)：

　　浮游植物的氮?jiǎng)恿W(xué)方程如公式(8)所示：

　　有機(jī)氧的動(dòng)力學(xué)方程為(9)：

　　見表2給出部分有毒物質(zhì)的概況

　　在上述分析的基礎(chǔ)上，需要對(duì)不同的雨水排放系統(tǒng)水質(zhì)徑流進(jìn)行詳細(xì)分析，同時(shí)通過(guò)GIS以及水質(zhì)模型組建雨水排放系統(tǒng)水質(zhì)徑流污染控制模型(10)：

　　通過(guò)雨水排放系統(tǒng)水質(zhì)徑流污染控制模型去區(qū)域環(huán)境容量進(jìn)行計(jì)算，同時(shí)引入相關(guān)的參數(shù)進(jìn)行分配，給出相應(yīng)的水質(zhì)徑流污染控制措施，具體如下所示(11)：

　　綜上，實(shí)現(xiàn)雨水排放系統(tǒng)水質(zhì)徑流污染控制。

　　二、　仿真實(shí)驗(yàn)

　　為了驗(yàn)證雨水排放系統(tǒng)水質(zhì)徑流污染控制模型的綜合有效性，需要進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)環(huán)境為：2GB內(nèi)存，2.93GHZ雙核CPU，WIN7旗艦版操作系統(tǒng)，Ja-val.6開發(fā)語(yǔ)言，Eclipse3.6、MySQL5.5。

　　2.1　不同控制模型的響應(yīng)時(shí)間對(duì)比結(jié)果

　　以下選用文獻(xiàn)[4]模型以及文獻(xiàn)[5]模型作為對(duì)比模型，分別對(duì)比各個(gè)模型在不同實(shí)驗(yàn)次數(shù)下的響應(yīng)時(shí)間，具體對(duì)比結(jié)果見表3。

　　分析表3可知，不同模型的響應(yīng)時(shí)間隨著實(shí)驗(yàn)次數(shù)的變化而變化，其中所提控制模型的響應(yīng)時(shí)間明顯低于其它兩種控制模型，充分驗(yàn)證了所提模型的優(yōu)越性。

　　2.2　控制成本

　　以下詳細(xì)給出3種不同控制模型的控制成本，具體見圖2。

　　分析圖2可知，所設(shè)計(jì)控制模型的控制成本為最低，文獻(xiàn)[4]模型的控制成本為次之，文獻(xiàn)[5]模型的控制成本最高。對(duì)比相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，充分驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)模型的綜合有效性。

　　2.3　運(yùn)行效率(%)

　　其中運(yùn)行效率是衡量雨水排放系統(tǒng)水質(zhì)徑流污染控制模型效果好壞的重要指標(biāo)，以下分別給出3種控制模型的運(yùn)行效率，見表4。

　　分析表4可知，不同控制模型的運(yùn)行效率隨著樣本數(shù)量的變化而變化。相比其它兩種控制模型，所設(shè)計(jì)控制模型的運(yùn)行效率有較為明顯的優(yōu)勢(shì)。

　　分析上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果，能夠獲取以下的實(shí)驗(yàn)結(jié)論：

　　(1)相比傳統(tǒng)控制模型，所設(shè)計(jì)控制模型的響應(yīng)時(shí)間有了明顯下降。

　　(2)所設(shè)計(jì)控制模型的控制成本相比傳統(tǒng)控制模型有了較為明顯的下降。

　　(3)所設(shè)計(jì)控制模型的運(yùn)行效率相比傳統(tǒng)的控制模型有了明顯的提升。

　　三、　結(jié)語(yǔ)

　　針對(duì)傳統(tǒng)的水質(zhì)徑流污染控制模型存在的響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)、控制成本較高、運(yùn)行效率較低等問(wèn)題，設(shè)計(jì)并提出雨水排放系統(tǒng)水質(zhì)徑流污染控制模型。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，相比傳統(tǒng)的控制模型，所設(shè)計(jì)模型能夠有效提高運(yùn)行效率，降低響應(yīng)時(shí)間，減少控制成本，獲取較為理想的控制效果。

　　未來(lái)階段將重點(diǎn)針對(duì)以下幾個(gè)方面展開研究：

　　(1)未來(lái)階段將進(jìn)一步組建區(qū)域水質(zhì)模型，假設(shè)具備足夠的水動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)，需要選取相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬分析，能夠獲取更加真實(shí)的模擬效果。

　　(2)現(xiàn)階段的研究范圍十分有限，未來(lái)階段將會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)大研究范圍，促使計(jì)算結(jié)果更加真實(shí)準(zhǔn)確。(來(lái)源：武漢市政工程設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司)