申请日2010.06.09
公开(公告)日2010.10.13
IPC分类号E03F1/00
摘要
本发明涉及雨水处理和利用设施的设计方法。其包括雨水处理和利用设施的选址、设施类型的选择和设施容积的计算，其中的设施容积WQV(即本领域术语水质体积)通过5个具体步骤计算得出：步骤一，取主要参数值。步骤二，把参数值代入SWMM模型软件中。步骤三，得到最佳设计雨量表确定最佳设计雨量的范围。步骤四，根据多年资料和控制目标得到最佳设计雨量的准确值。步骤五，通过水质体积WQV公式计算雨水处理和利用设施的容积。本发明在利用现有技术进行径流污染控制时将初期径流控制雨量作为主要控制因素，设计建造在控制污染前提下进行雨水收集、利用的雨水处理和利用设施。
摘要附图
权利要求书
1.一种雨水处理和利用设施的设计方法，其包括雨水处理设施的选址、设施类型的选择和设施容积的计算，其特征在于设施容积WQV通过下面计算得出：
步骤一，根据不同地区的降雨及径流雨水水质特点针对性地确定汇水面积A、污染物最大累积负荷C1、累积速率常数C2、冲刷系数S1、冲刷指数S2的具体取值;
步骤二，分别把步骤一中确定的汇水面积A、污染物最大累积负荷C1、累积速率常数C2、冲刷系数S1、冲刷指数S2等具体数值输入SWMM模型软件中，由SWMM模拟结果以及公式(4)得到不同重现期时的标准累积径流比率与标准累积污染物比率曲线图;
步骤三，根据步骤二中得到的不同重现期时的标准累积径流比率与标准累积污染物比率曲线图而得到不同重现期下的最佳设计雨量表，并由特定重现期范围得到对应的最佳设计雨量的范围;
步骤四，根据该地区近30年的降雨资料和特定SS污染控制目标得到设计雨量与污染物控制率关系曲线，最后从曲线图上得到最佳设计雨量的准确值;
步骤五，通过以下公式得到水质体积WQV：
WQV=10HψF (1)
式中：WQV-水质体积;H-设计雨量，mm;ψ-综合径流系数;F-汇水面积，hm2。
说明书
雨水处理和利用设施的设计方法
技术领域
本发明涉及雨水处理和利用设施的设计方法。
背景技术
雨水处理和利用设施近年来越来越普及，其设计和建造工程形成了一个广阔的产业。降雨过程中大量污染物随地表径流的淋洗、冲刷进入水体，这也造成了水质污染和恶化。为改善水环境质量，有效的径流污染控制至关重要。特别是随着城市化进程的加快，不透水汇水面(如屋面、硬化路面、广场、停车场等)占有比例越来越大。来自这些汇水面的径流雨水水质随降雨过程的变化存在明显的初期冲刷现象，表现为初期径流污染物浓度较高，有时甚至劣于污水处理厂的进水水质，初期雨水中包括了整场降雨的大部分污染物，降雨后期径流水质趋于平稳。
雨水处理和利用设施可以在控制径流污染的前提下进行雨水的收集、利用或处置，解决污染雨水随意排放的问题。在现有技术中，虽然雨水处理和利用设施的容积计算中大都涉及到雨水水质，但都只是从降雨事件控制率出发，没有考虑到具体的径流水质状况。
发明内容
本发明旨在克服上述现有技术中的缺陷，提出一种雨水处理和利用设施的设计方法，其包括雨水处理和利用设施的选址、设施类型的选择和设施容积的计算，其中的设施容积WQV(即本领域术语水质体积)通过下面计算得出：
步骤一，根据不同地区的降雨及径流雨水水质特点针对性地确定汇水面积A、污染物最大累积负荷C1、累积速率常数C2、冲刷系数S1、冲刷指数S2的具体数值;
步骤二，分别把步骤一中确定的汇水面积A、污染物最大累积负荷C1、累积速率常数C2、冲刷系数S1、冲刷指数S2等具体数值输入SWMM模型软件中，由SWMM模拟结果以及公式(2)得到不同重现期时的标准累积径流比率与标准累积污染物比率曲线图。以屋面模拟为例，其主要的水文水利参数见图4;
步骤三，根据步骤二中得到的不同重现期时的标准累积径流比率与标准累积污染物比率曲线图而得到不同重现期下的最佳设计雨量表，并由特定重现期范围得到对应的最佳设计雨量的范围;
步骤四，根据该地区近30年的降雨资料和特定SS污染控制目标得到设计雨量与污染物控制率的关系曲线，最后从曲线图上得到最佳设计雨量的准确值(根据特定的SS污染控制目标查图即可得对应的最佳设计雨量);
步骤五，最后通过以下公式得到水质体积WQV：
WQV=10HψF (1)
式中：WQV-水质体积;H-设计雨量，mm;ψ-综合径流系数;F-汇水面积，hm2。
质量初期冲刷(Mass First Flush，MFF)曲线表征的是径流量与污染物浓度的变化关系(见图1)，目的为通过控制最合适的径流量来控制径流目标污染物，可表示为：
式中：C(t)-t1时刻污染物浓度;
Q(t)-t1时刻径流量;
M-污染物总量;
V-径流总量;
t1-径流历时;
x-标准累积径流比率(Normalized Cumulative Flow Volume)，表示t1时刻累积径流量与整个降雨事件中总径流量的比值;
y-标准累积污染物比率(Normalized Cumulative Mass)，表示径流形成后t1时刻累积污染负荷与整个降雨事件中总污染负荷的比值。
SWMM是由美国环保署(USEPA)在20世纪70年代开始开发的，目前经过不断的完善和升级，已发展到了更高版本。
SWMM对雨水管、合流制管道、自然排放系统都可以进行水量水质的模拟，它包括地面径流、排水管网输送、贮水处理及受纳水体的影响等。SWMM模型可以对单场降雨或者连续降雨而产生的坡面径流和水质变化进行动态模拟，也可以对排水系统中节点、管道、汇水区以及其他排水构筑物的流量、水深和流速等时间序列的仿真模拟，还可以完整地模拟回水影响、逆流、明渠、地下管网、环状管网以及各种复杂的排水构筑物。
由于强大的模拟功能，SWMM被广泛用于城市排水系统的水文-水动力学模拟，通过分析模拟得出的管网运行状态，为合理规划管网、优化规划方案提供决策支持。
本发明水质体积法中，场地条件确定时径流系数与汇水面积为定值，因此，决定径流污染控制量的关键参数为设计雨量。为使设计雨量能够反映水质的控制程度从而真正实现污染控制，本发明基于径流污染物的累积、冲刷及其与降雨量、径流量之间的关系探讨径流污染控制设计雨量的确定方法。
径流污染水质模拟过程表示如下：
该过程分为污染物累积(式(3))和污染物源头冲刷(式(4))两个阶段。
式中B-污染物累积量，kg/ha;C1-污染物最大累积量，kg/ha;C2-累积速率常数;t-累积时间，min。
式中W-污染物冲刷量，mg/L;S1-冲刷系数;S2-冲刷指数;q-单位面积上的径流量，mm/h;其他参数同上。
水质体积WQV是为用来确定径流污染控制雨量的量化控制指标，即为达到控制径流污染、保证雨水利用的水质目标所需处理的雨水体积。水质体积法用于捕捉和处理80%～90%的多年平均降雨事件的径流雨水(该降雨事件为可统计年限的降雨事件，一般为30年以上)，水质体积法一般可控制径流中70%～80%的SS负荷，计算方法见式(1)，因不同国家不同地区的污染程度和降雨特点各不相同，设计雨量(WQV的关键参数)取值也不同。我国的降雨季节性强，由于地区间水文、地质、气象条件差异大，各城市降雨特点也有很大差别，因此WQV是控制径流雨水水质的重要指标，也是以水质控制为主要目的时雨水利用设施规模设计的关键参数。
本发明利用SWMM(Storm Water Management Model)模型可针对确定的汇水面进行模拟，选取不同的累积及冲刷过程参数，改变污染物负荷、汇水面大小等参数来实现模拟过程，并结合近30年来的降雨资料数据探讨雨水径流污染控制设计雨量的计算方法。
本发明设计雨量指在特定的径流污染控制目标下需要控制的雨量。对于一个按设计降雨量设计的雨水处理装置，小于设计降雨量的降雨会全部经过处理;大于设计降雨量的降雨，超过的部分将溢流排放，不同的设计雨量对应不同的污染控制率，设计雨量应根据不同城市不同区域的径流特点确定。
