專利名稱：雨水處理和利用設施的設計方法
技術領域：
本發明涉及雨水處理和利用設施的設計方法。
背景技術：
雨水處理和利用設施近年來越來越普及，其設計和建造工程形成了一個廣闊的產 業。降雨過程中大量污染物隨地表徑流的淋洗、沖刷進入水體，這也造成了水質污染和惡 化。為改善水環境質量，有效的徑流污染控制至關重要。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 徑流雨水水質隨降雨過程的變化存在明顯的初期沖刷現象，表現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，初期雨水中包括了整場降雨的大部分污染物，降 雨后期徑流水質趨于平穩。雨水處理和利用設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。在現有技術中，雖然雨水處理和利用設施的容積計算中 大都涉及到雨水水質，但都只是從降雨事件控制率出發，沒有考慮到具體的徑流水質狀況。

發明內容
本發明旨在克服上述現有技術中的缺陷，提出一種雨水處理和利用設施的設計方 法，其包括雨水處理和利用設施的選址、設施類型的選擇和設施容積的計算，其中的設施容 積WQV(即本領域術語水質體積)通過下面計算得出步驟一，根據不同地區的降雨及徑流雨水水質特點針對性地確定匯水面積A、污染 物最大累積負荷C1、累積速率常數C2、沖刷系數S1、沖刷指數S2的具體數值；步驟二，分別把步驟一中確定的匯水面積A、污染物最大累積負荷C1、累積速率常 數C2、沖刷系數S1、沖刷指數S2等具體數值輸入SWMM模型軟件中，由SWMM模擬結果以及公 式(2)得到不同重現期時的標準累積徑流比率與標準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見圖4 ；步驟三，根據步驟二中得到的不同重現期時的標準累積徑流比率與標準累積污染 物比率曲線圖而得到不同重現期下的最佳設計雨量表，并由特定重現期范圍得到對應的最 佳設計雨量的范圍；步驟四，根據該地區近30年的降雨資料和特定SS污染控制目標得到設計雨量與 污染物控制率的關系曲線，最后從曲線圖上得到最佳設計雨量的準確值(根據特定的SS污 染控制目標查圖即可得對應的最佳設計雨量)；步驟五，最后通過以下公式得到水質體積WQV WQV=IOHfF (1)式中WQV-水質體積；H-設計雨量，mm;￥-綜合徑流系數；F-匯水面積，hm2。質量初期沖刷(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污染物，可表示為

(2)式中<α)-、時刻污染物濃度；Q (t)-、時刻徑流量；M-污染物總量；V-徑流總量；、-徑流歷時；χ-標準累禾只徑、流比率(Normalized Cumulative Flow Volume)，表示 時 刻累積徑流量與整個降雨事件中總徑流量的比值；y-標準累積污染物比率(Normalized Cumulative Mass)，表示徑流形成后 、時刻累積污染負荷與整個降雨事件中總污染負荷的比值。SWMM是由美國環保署(USEPA)在20世紀70年代開始開發的，目前經過不 斷的完善和升級，已發展到了更高版本。SWMM對雨水管、合流制管道、自然排放系統都可以進行水量水質的模擬，它包括地 面徑流、排水管網輸送、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 降雨而產生的坡面徑流和水質變化進行動態模擬，也可以對排水系統中節點、管道、匯水區 以及其他排水構筑物的流量、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、環狀管網以及各種復雜的排水構筑物。由于強大的模擬功能，SWMM被廣泛用于城市排水系統的水文_水動力學模擬，通 過分析模擬得出的管網運行狀態，為合理規劃管網、優化規劃方案提供決策支持。本發明水質體積法中，場地條件確定時徑流系數與匯水面積為定值，因此，決定徑 流污染控制量的關鍵參數為設計雨量。為使設計雨量能夠反映水質的控制程度從而真正實 現污染控制，本發明基于徑流污染物的累積、沖刷及其與降雨量、徑流量之間的關系探討徑 流污染控制設計雨量的確定方法。徑流污染水質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。
(3)式中B-污染物累積量，kg/ha ;Cr污染物最大累積量，kg/ha ;C2_累積速率常數； t_累積時間，min。 式中W-污染物沖刷量，mg/L ;Sr沖刷系數；S2_沖刷指數；q-單位面積上的徑流 量，mm/h ；其他參數同上。水質體積WQV是為用來確定徑流污染控制雨量的量化控制指標，即為達到控制 徑流污染、保證雨水利用的水質目標所需處理的雨水體積。水質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(該降雨事件為可統計年限的降雨事件，一般 為30年以上)，水質體積法一般可控制徑流中70% 80%的SS負荷，計算方法見式(1)， 因不同國家不同地區的污染程度和降雨特點各不相同，設計雨量(WQV的關鍵參數)取值也 不同。我國的降雨季節性強，由于地區間水文、地質、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的重要指標，也是以水質控制為主要目的時雨水 利用設施規模設計的關鍵參數。本發明利用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，改變污染物負荷、匯水面大小等參數來實現模擬 過程，并結合近30年來的降雨資料數據探討雨水徑流污染控制設計雨量的計算方法。
本發明設計雨量指在特定的徑流污染控制目標下需要控制的雨量。對于一個按設 計降雨量設計的雨水處理裝置，小于設計降雨量的降雨會全部經過處理；大于設計降雨量 的降雨，超過的部分將溢流排放，不同的設計雨量對應不同的污染控制率，設計雨量應根據 不同城市不同區域的徑流特點確定。本發明關于設計降雨量的研究不僅考慮到控制降雨場次，更重要的是得到根據具 體的雨水水質狀況經一系列模擬計算所得到的更加符合現實狀況的設計雨量，計算結果可 為雨水處理裝置的規模合理確定提供重要的設計參數。


下面參照附圖通過例子說明本發明，其中圖1是不同重現期下標準累積徑流比率與標準累積污染物比率關系曲線圖；圖2降雨量與單場降雨徑流SS負荷的關系；圖3是設計雨量與污染物控制率關系曲線圖；圖4是SWMM模型水文水力主要參數及其取值表；圖5是屋面水質模擬輸入參數表；圖6是不同重現期下的最佳設計雨量表；圖7北京城區1977 2006年降雨量與標準累積SS控制比率之間的關系表；
具體實施例方式下面以北京城區屋面徑流雨水為例，利用本發明的方法，探討設計雨量的模擬確 定方法，計算設計建造一個雨水池(徑流系數0.86，匯水面積2000m2)本文以北京城區屋面為例結合北京城區的屋面水質狀況，采用降雨歷時為24h，雨 峰系數為0. 4的芝加哥雨型進行SWMM模型的水量模擬。設屋面匯水面積為2000m2 ；由于 SS與其他污染物之間存在較強的相關性，因此進行水質模擬研究時將SS作為徑流雨水中 污染物控制的關鍵指標，北京地區雨水徑流中COD和SS相關性系數平均值約為0. 97，近似 取1. 0，可用COD污染負荷近似代替SS污染負荷，北京城區屋面單場降雨徑流COD面污染 負荷年平均值為878 1507mg/m2，通常，SWMM模擬過程中單場降雨沖刷污染負荷約為污染 物最大累積負荷的1/10 1/6，經模擬調整計算，污染物(SS)最大累積負荷Cl取9370mg/ m2 ；速率常數C2取0. 4 ；由北京降雨強度公式，設計雨量取重現期為0. 1的日降雨量(約為 19. 8mm)模擬降雨過程，經模型調整計算，確定得到如圖5所示的模擬輸入參數值。
由SWMM模擬結果及公式(2)的計算得到該沖刷條件下不同重現期時標準累積徑 流比率與標準累積污染物比率的關系曲線如圖1。由圖1可知，重現期越大，要達到相同的標準累積污染物比率，所需控制的標準累 積徑流比率越小。初始徑流雨水中污染物濃度較高，隨后污染物濃度經歷先快速降低再緩慢降低的 過程，因此必然存在某一最佳控制時刻，得到最佳標準累積徑流比率和最佳標準累積污染 物比率。其具體求解過程如下，作與y = x平行的直線，與圖1中各條曲線相切，即可得到 不同重現期下的最佳污染控制點。由圖6可知，最佳設計雨量隨降雨重現期的增加而增加，SS污染控制量也隨之增 加。以水質控制為主要目的時，雨水利用設施的設計降雨重現期通常為0. 2 la，由此，綜 合考慮最佳設計雨量范圍為8 15mm。注標準累積徑流比率與標準累積降雨比率(標準 累積降雨比率表示徑流形成后、時刻形成徑流的降雨量與整個降雨事件中形成徑流的降 雨量的比值)一致，因此最佳設計雨量=降雨量X最佳標準累積徑流比率。當匯水面確定時，只有對長期的污染物控制量進行累計計算才能確定其實際的污 染物控制效果。因此，必須結合當地的長期降雨資料及徑流雨水污染負荷對不同重現期下 的降雨事件進行統計分析、模擬和計算來綜合確定要求的污染物總控制率(污染物總控制 率即為設計雨量中所控制的污染物負荷與總污染物負荷之比)所對應的設計雨量。設計雨 量的確定通過試算的方法進行，設定控制目標后，可對初定的設計雨量進行調整，最終達到 滿足控制目標的要求即可。本發明模擬計算示例匯水面參數見圖5，近30年統計降雨資料如圖7所示。SWMM模擬得到如圖2所示 的降雨量與單場降雨徑流SS負荷之間的關系曲線。圖7注降雨日值所對應雨量為多年 降雨統計數據。標準累積徑流比率設計雨量大于等于降雨日值時，標準累積徑流比率為 100 ；設計雨量小于降雨日值時，標準累積徑流比率=設計雨量/降雨日值X100。通過重 現期和標準累積徑流比率查閱圖1即可得到標準累積污染物比率。SS總控制率為雨量與標 準累積SS控制比率的加權。根據北京城區屋面匯水面的污染特征設定SS污染控制目標為80%，采用試算法 對SS控制率進行計算。由圖6可知，以水質控制為主要目的時，不同重現期所對應的最佳 設計雨量一般為8 15mm，計算時任意選取一設計雨量如15mm。如圖7所示，當降雨量為 60mm、控制雨量為15mm時的SS總控制率為15/60X 100% = 25%,對應的重現期為2. 42a， 查圖1和圖6可得到此時的標準累積污染物比率為75%。再通過總SS負荷與標準累積污 染物比率的加權值，可得SS總控制率為91. 1 %，超過了 80%的設定SS控制目標，因此降低 設計雨量值繼續試算，直至SS總控制率為80%時，其對應的設計雨量即為滿足控制目標的 設計降雨量。根據圖7的計算結果，可以得到如圖3所示的北京城區屋面基于多年降雨統計資 料的徑流污染控制設計雨量與污染物控制率之間的關系曲線(匯水面積為2000m2，污染物 最大累積量為9370mg/m2的條件下)。基于北京城區屋面具體水質狀況，需控制所有降雨過程80% (污染物總控制率， 為多年需控制的污染物負荷與總污染物負荷之比，一般取30年)的污染物量，查圖3可知其對應的設計雨量為8mm。根據本發明的水質體積計算，為在有效控制徑流污染的條件下收集雨水，該雨水 處理裝置的雨水處理池容積大小應為徑流系數0. 86，匯水面積2000m2，最佳設計降雨量為8mm。由本發明的模擬計算方法公式(1)計算可得WQV = 10HVF = 10X8X0. 86X0. 2 = 13. 76m3。此外，采用本發明的設計計算方法得出的設計降雨量不僅可為雨水處理裝置雨水 池容積的設計提供重要參數，當雨水污染治理設施為滯留塘、滲井、滲溝、低勢綠地、植被淺 溝或生物處理污染雨水濕地以及生物處理污染雨水景觀等時，依然可將本發明設計雨量作 為其選擇性聯合應用時的規模設計參數，通過設計雨量的具體數據，設計降雨污染處理裝 置的容積(即水質體積WQV)，該規模設計參數可由多個雨水污染處理設施分擔最終實現徑 流的污染控制目的。名詞解釋[1]SS(Suspended Solids)-懸浮物[2] COD (Chemical Oxygen Demand)-化學需氧量[3] SWMM-Storm Water Management Model-SWMM 模型SWMM是由美國環保署(USEPA)在20世紀70年代開始開發的，目前經過不斷的完 善和升級，已發展到了更高版本。SWMM對雨水管、合流制管道、自然排放系統都可以進行水量水質的模擬，它包括地 面徑流、排水管網輸送、貯水處理及受納水體的影響等。由于強大的模擬功能，SWMM被廣泛 用于城市排水系統的水文-水動力學模擬，通過分析模擬得出的管網運行狀態，為合理規 劃管網、優化規劃方案提供決策支持。SWMM由4個計算模塊和1個服務模塊組成。4個計算模塊分別為徑流模塊 (Runoff)，輸送模塊(Transport)，擴充輸送模塊(Extran)和儲存/處理模塊(Storage/ Treatment)，通過計算模塊的運行，SWMM可以對地面徑流，排水管網以及污水處理單元等的 水量水質進行動態模擬。服務模塊的主要功能是進行一些計算后的處理，如統計、繪圖等。SWMM 的網站:http //www. swmm. com/software, php
權利要求
一種雨水處理和利用設施的設計方法，其包括雨水處理設施的選址、設施類型的選擇和設施容積的計算，其特征在于設施容積WQV通過下面計算得出步驟一，根據不同地區的降雨及徑流雨水水質特點針對性地確定匯水面積A、污染物最大累積負荷C1、累積速率常數C2、沖刷系數S1、沖刷指數S2的具體取值；步驟二，分別把步驟一中確定的匯水面積A、污染物最大累積負荷C1、累積速率常數C2、沖刷系數S1、沖刷指數S2等具體數值輸入SWMM模型軟件中，由SWMM模擬結果以及公式(4)得到不同重現期時的標準累積徑流比率與標準累積污染物比率曲線圖；步驟三，根據步驟二中得到的不同重現期時的標準累積徑流比率與標準累積污染物比率曲線圖而得到不同重現期下的最佳設計雨量表，并由特定重現期范圍得到對應的最佳設計雨量的范圍；步驟四，根據該地區近30年的降雨資料和特定SS污染控制目標得到設計雨量與污染物控制率關系曲線，最后從曲線圖上得到最佳設計雨量的準確值；步驟五，通過以下公式得到水質體積WQVWQV＝10HψF(1)式中WQV-水質體積；H-設計雨量，mm；ψ-綜合徑流系數；F-匯水面積，hm2。
全文摘要
本發明涉及雨水處理和利用設施的設計方法。其包括雨水處理和利用設施的選址、設施類型的選擇和設施容積的計算，其中的設施容積WQV(即本領域術語水質體積)通過5個具體步驟計算得出步驟一，取主要參數值。步驟二，把參數值代入SWMM模型軟件中。步驟三，得到最佳設計雨量表確定最佳設計雨量的范圍。步驟四，根據多年資料和控制目標得到最佳設計雨量的準確值。步驟五，通過水質體積WQV公式計算雨水處理和利用設施的容積。本發明在利用現有技術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施。
文檔編號E03F1/00GK101858107SQ20101019570
公開日2010年10月13日 申請日期2010年6月9日 優先權日2010年6月9日
發明者李小雪, 李海燕, 車伍, 黃延 申請人:北京建筑工程學院