SWMM模型在城市不透水区地表径流模拟中的参数识别与验证

为了研究城市不透水下垫面的降雨径流过程和污染负荷,以屋面为例,选择径流管理模型SWMM,采用独立场次实测数据,应用基于不确定性分析的HSY算法和Monte Carlo采样方法对模型中的水文水力和水质参数进行识别和验证.结果表明,地表不透水区径流模型中主要包含6个关键参数,分别为不透水区初损填洼深度(S-imperv)、不透水区曼宁系数(N-imperv),指数累积方程中的最大可能累积值(max buildup)、累积常数(rate constant),指数冲刷方程中的冲刷系数(coefficient)和冲刷指数 (exponent).水文水力参数的识别可以最小二乘法偏差作为目标函数,水质参数的识别可以场次污染负荷和污染物峰值浓度作为目标函数.参数识别结果为N-imperv0.012～0.025, S-imperv 0～0.7, max buildup 15～30, rate constant0.2～0.8, coefficient0.01～ 0.05, exponent1.0～1.2.参数的区域灵敏度由大到小排序为 coefficient、S-imperv、N-imperv、max buildup、exponent、rate constant.识别后的参数可以通过模型验证,但是在模拟一些雨型特殊的降雨径流污染物浓度曲线时,仍然存在一定的困难.     

城市降雨径流模拟的参数不确定性分析

以厦门城市小流域为例,基于蒙特卡洛随机采样和区域灵敏度分析(RSA)方法,从参数的可识别性和灵敏度分析2个方面来分析城市降雨径流SWMM模型参数的不确定性.结果表明,水文水力模块中汇水单元不透水区贮水深度(Dstore-Imperv)、汇水单元透水区贮水深度(Dstore-Perv)和CN特征曲线(Curve Number)这3个参数可识别性较好,区域灵敏度高;水文水力模块的区域灵敏度的排序为:Dstore-ImpervCNDstore-Perv汇水单元透水区曼宁糙率(N-Perv)传导系数(Conductivity)管道曼宁糙率(Con-Mann)汇水单元不透水区曼宁糙率(N-Imperv).水质模块冲刷函数中地表冲刷系数(Coefficient)和地表径流幂指数(Exponent)这2个参数以及累积函数中的地表最大可累积的污染物量(Max.Buildup)的识别性较高,区域灵敏度较大.而从区域灵敏度的排序来看,3种用地类型的地表累积速率(Rate Constant)参数K-S距离最小,Max.Buildup、Coefficient和Exponent参数的K-S距离相对较大.     

降雨地表径流水质模拟中SWMM模型水质参数确定

检测城市不同功能区污染物累积和径流样本并结合模拟实验,分析不同污染物累积和冲刷规律,确定SWMM模型在降雨地表径流水质模拟中污染物累积和冲刷参数取值范围,并进行模型验证。研究结果表明,SS、COD、氨氮污染物累积量均随累积时间不断增加,并趋于稳定,其在不同功能区最大累积量C_1取值范围分别为:6.37~12.86、14.03~21.66和8.89~12.88 g/m~2,累积速率常数C_2取值范围分别为:0.055~0.100、0.061~0.085和0.133~0.167。降雨强度较大时,降雨地表径流中污染物浓度较高,但均随降雨历时不断下降,并趋于稳定。SS、COD、氨氮冲刷系数S_1取值范围分别为:0.003~0.005,0.025~0.035和0.01~0.02,冲刷指数S_2取值范围分别为:0.4~0.8,0.8~1.0和0.5~0.8。在确定的取值范围内选取SWMM模型水质参数,对某场降雨地表径流中SS、COD、氨氮污染物浓度变化过程进行模拟,模拟结果与实测数据基本吻合,表明水质参数取值范围适用于SWMM模型降雨地表径流水质模拟。     

不同降雨-径流过程中农业非点源污染研究

以大宁河流域为研究区域,应用SWAT模型进行了流域农业非点源污染负荷的模拟计算。利用巫溪水文站2000～2004年的实测日径流和泥沙数据进行模型的调参计算,验证结果表明模型适用于大宁河流域。利用验证后的模型分析了不同降雨-径流条件下非点源污染的产输出特性。结果表明:降雨量对径流污染负荷有较大的影响,年内丰水段,非点源污染物浓度峰值和径流峰值同步出现;年内平水段,泥沙浓度、有机氮浓度和径流峰值同步出现,硝酸盐浓度峰值滞后于径流峰值出现时间;年内枯水段,非点源污染物浓度滞后于径流峰值度出现时间;降雨—径流与污染物浓度之间存在着密切的线性相关关系。     

城市地表径流污染物浓度数学模型的建立及验证

针对目前描述城市地表径流污染物排放过程的数学模型不能完全适用于不同降雨过程的情况,本研究建立了一个全新的P/r模型.P/r模型以地表沉积物量(P)与降雨强度(r)的比值为主要参数,描述了降雨过程产生的地表径流中污染物的排放规律.基于对发生在陕西省西安市的3场降雨事件的实测数据的模拟,本研究建立的P/r模型的预测值与实测值的归一化目标函数、相关系数和相关指数均优于Sartor-Boyd冲刷模型.根据对P/r模型进行的不确定性分析,当Nash-Sutcliffe效率系数为0.46时,采用P/r模型对陕西省西安市地表径流中的污染物浓度进行模拟时应采用的最大比浓度常数(Km)和径流冲刷能力半饱和常数(KS)的取值范围分别为0.65~1.35 kg·min·L-1和0.16~0.22kg·min·mm-1·L-1.P/r模型的预测带平均相对宽度(ARIL)为1.21,预测带对实测值的覆盖度为67%.Sartor-Boyd冲刷模型对具有地表径流初期冲刷效应且降雨强度波动较小的降雨事件的模拟结果较好,但对于不具有地表径流初期冲刷效应的降雨事件、间歇性降雨事件及降雨强度波动较大的降雨事件并不适用.本研究建立的P/r模型的适用范围广泛,对于上述Sartor-Boyd冲刷模型不能适用的降雨事件均可适用.与Sartor-Boyd冲刷模型相比,P/r模型能够更好的描述城市地表径流的污染物排放规律.P/r模型的提出能够进一步推动地表径流排污过程数学模型的发展.     

SWMM模型应用于城市住宅区非点源污染负荷模拟计算

以温州市典型住宅区非点源污染为对象,基于SWMM(storm water management model)模型的模拟机理,借鉴国内外相关研究的模型参数,结合降雨径流实测数据率定模型参数,将模型"本地化",构建了基于SWMM模型的研究区非点源污染负荷计算模型,并设计了4种不同降雨情景,分析在不同降雨条件下研究区非点源污染固体悬浮物(TSS)、CODCr、TN和TP的污染负荷量及其累积变化过程.结果表明,构建的SWMM模型的模拟值可以较好地与实测值相吻合,4种污染物模拟的相对误差均小于10%.在设计的4种降雨情景下:①污染物浓度峰值出现在降雨30～40 min内,降雨强度越大,出现浓度峰值的时间越早;②高强度降雨较低强度降雨可对受纳水体造成更大的污染.      

广州番禺区不同地类的非点源污染排放特征

在广州番禺区建设代表城市、农田、村镇、园地4类典型集水区的径流试验小区,对每个径流小区采集3场有效降雨径流以研究不同土地利用类型的非点源污染负荷输出特征。结果表明,不同土地利用类型的污染物输出浓度差别较大,TSS和COD输出浓度(EMC值)的大小排列顺序为园地>农田>村镇>城市;NH3--N为农田>城市>园地>村镇;NO3--N为城市>农田>村镇>园地;TN为农田>城市>园地>村镇;TP为农田>园地>城市>村镇。对于农田集水区,TSS和COD的输出明显受降雨的影响,而N、P污染物的输出受施肥的影响更为显著;对于城市集水区,晴天累积污染物的数量和降雨情况是决定初期径流中污染负荷的主要因素。污染负荷与径流量之间相关性显著,且颗粒物是携带污染物的重要载体。各径流小区的初始冲刷效应分析结果显示,不透水地面更易发生降雨初期冲刷;降雨强度是影响降雨径流初始冲刷的关键因素。     

武汉汉阳地区城市集水区尺度降雨径流污染过程与排放特征

2005年4月至8月对武汉市汉阳地区十里铺集水区进行了8次径流污染过程的水量、水质研究.结果表明,城市集水区尺度径流污染过程是降雨径流对整个集水区地表、排水系统中累积污染物的冲刷、携带过程,受集水区累积污染物数量、污染物可冲刷性和降雨径流特征的共同影响.城市降雨径流中初期污染物浓度显著高于后期,污染物浓度的峰值提前于径流的峰值,具有明显的初期冲刷效应.8次监测结果的算术平均值,初期5 mm、10 mm和15 mm降雨径流中TSS的负荷分别占总负荷的48%、68%和78%.初期径流中TSS的负荷与晴天累积天数呈线性正相关关系.     

基于4S技术的环湖截污模型构建

基于SWMM模型,利用GIS、RS及GPS技术构建滇池流域东南岸的非点源污染量化模型。结合排水系统的特点,划分子排水单元,并进行参数灵敏度分析、率定及模型验证,完成模型的建立,模拟昆明主城城市降雨径流污染。进行模型的设计降雨重现期,对环湖截污系统各污水处理厂相应的干渠汇水断面来水的水质水量过程进行模拟,并对滇池环湖截污系统进行效能分析。     

不透水地表粗糙度对城市面源颗粒物的累积和冲刷影响

目前国内外关于不透水地表微观结构特征如何影响街尘对径流输出过程的研究鲜见报道.本研究基于12场降雨事件的野外观测,以粗糙度（构造深）量化不透水地表微观结构特征,分析粗糙度与晴天街尘的累积特征及雨天冲刷特征之间的相关关系.结果表明,不透水地表粗糙度显著影响街尘的晴天累积-雨天冲刷过程,晴天累积天数对粗糙度与街尘累积量的相关性（r=0.664,P<0.01）具有增强效应,降雨量对粗糙度与街尘冲刷量的相关性（r=0.527,P<0.01）具有增强效应;各粒径段街尘累积量与粗糙度的相关性（0.529≤ r<0.757）随颗粒物粒径变大而提高,各粒径段街尘冲刷量与粗糙度的相关性（0.603 > r > 0.209）随颗粒物粒径变大而降低.通过建立粗糙度和降雨量的线性回归模型可以较好地预测场降雨径流中TSS累积污染负荷.粗糙度和降雨量对<20 μm以及>250 μm粒径段的累积负荷作用效果显著.上述结果揭示了粗糙度和降雨量对街尘输出为地表径流污染物的作用,为准确模拟城市面源颗粒污染物的径流冲刷过程提供了科学依据.     

前期晴天时间对城市降雨径流污染水质的影响

识别影响城市降雨径流污染的主要因子是城市降雨径流污染治理和管理的前提和基础.为此,从2006年5月开始,选择镇江具有代表性的土地使用类型监测城市地表径流水质,分析前期晴天时间对城市地表降雨径污染物的影响.结果表明,随着前期晴天时间的增加,径流中粒径<40 μm的颗粒物粒径体积分数增加;径流中主要水质参数(TN、TP、Zn、Pb、Cu、TSS和COD)与前期晴天时间呈显著正相关,初期地表径流中溶解态污染物增加,说明前期晴天时间是影响城市径流污染浓度和形态的主要因子,从而为城市降雨径流污染的控制和治理提供科学依据.     

不同强度降雨径流对水源水库热分层和水质的影响

基于西安金盆水库2012~2019年汛期多场不同强度的降雨径流水质数据,对水温、浊度、总氮、总磷及含砂率等指标进行分析,全面探究不同强度降雨径流潜入过程及其对水源水库热分层与水质的影响.结果发现,不同强度降雨潜入库区位置不同,径流量较小时（洪峰流量<500m³/s）,径流为等温度层潜流,从温跃层上部进入库区;中径流（洪峰流量为500~1500m³/s）受温度和含沙量共同作用,潜入点下移,以中部层间流方式进入库区;大径流（洪峰流量>1500m³/s）受含沙量影响显著,潜流层厚度变大,径流以底部潜流方式进入库区.不同强度降雨径流对库区热分层影响也不同,小径流影响较小;中径流会破坏水体上部的温跃层,并在底部形成温度梯度较小的温跃层;大径流则会使中底部水体完全更新混合,导致中底部水体水温均匀一致,由温跃层直接过渡到恒温层.不同径流量、来水水质和潜流位置对主库区水质影响不同,TN主要以溶解态为主,占比在76%以上,TP则以颗粒态为主,占比达61%;径流量较低时,温跃层上部氮磷浓度较高,随径流量的增大,冲刷效果的增强,潜流层水体氮磷浓度变高,当热分层被打破时,整个断面浓度均明显升高.     

A vertically integrated eutrophication model and its application to a river-style reservoir-Fuchunjiang,China

Based on a 2-D hydrodynamic model, a vertically integrated eutrophication model was developed. The physical sub-model can be used for calculation of water density at different depths and the water quality sub-model was for calculation of algal growth. Suspended solids were divided into two types of sediment which named cohesive and non-cohesive sediments and simulated using separate methods. The light extinction coefficient used in the underwater light regime sub-model was linearly related to the sum of sediment and phytoplankton biomass. Some components less important to the model were simplified to improve practicability and calculation efficiency. Using field data from Fuchunjiang Reservoir, we calculated the sensitivity of ecological parameters included in this model and validated the model. The results of sensitivity analysis showed that the parameters strongly influenced the phytoplankton biomass including phytoplankton maximum growth rate, respiration rate, non-predatory mortality rate, and settling rate, zooplankton maximum filtration rate, specific extinction coefficient for suspended solids and sediment oxygen demand rate. The model was calibrated by adjusting these parameters. Total chlorophyll a (chl-a) concentrations at different layers in the water column were reproduced very well by the model simulations. The simulated chl-a values were positively correlated to the measured values with Pearson correlation coefficient of 0.92. The mean difference between measured and simulated chl-a concentrations was 12% of the measured chl-a concentration. Measured and simulated DO concentrations were also positively correlated (r=0.74) and the mean difference was 4% of measured DO concentrations. The successful validation of model indicated that it would be very useful in water quality management and algal bloom prediction in Fuchunjiang Reservoir and a good tool for water quality regularation in other river-style reservoirs.     

晋江金鸡闸断面面源污染负荷及水质敏感期的确定

晋江金鸡闸断面是泉州市重要饮用水取水口断面,其水质安全对实现区域经济社会发展具有重要意义. 以晋江金鸡闸断面水文水质监测资料为基础,借助水文统计及降雨径流与面源污染关系分析,提出确定不同水平年典型污染物质量浓度年际及年内变化的方法,进而确定面源污染负荷和水质敏感期. 结果表明:从枯水年到丰水年,COD_Mn、NH₃-N、TP的面源污染贡献率随降雨径流量的增多而增大,分别为30%~74%、53%~61%、39%~62%;ρ(NH₃-N)和ρ(TP)的年均值随降雨径流量的增大而减小,ρ(COD_Mn)与降雨径流量关系不密切. 在丰水年、偏丰年及平水年ρ(COD_Mn)、ρ(NH₃-N)、ρ(TP)的年均值变化均较小,而在偏枯年和枯水年变化较大;三者年内变化规律相近,ρ(NH₃-N)和ρ(TP)的峰值一般出现在3月、4月,并且峰值大小与年降雨径流量呈反势,ρ(COD_Mn)峰值及与年降雨径流量关系不明显. 除3月、4月外,ρ(COD_Mn)、ρ(NH₃-N)大多达到GB 3838—2002《地表水环境质量标准》Ⅱ类水质标准限值,而ρ(TP)基本达到Ⅲ类水质标准限值.      

江川农场旱田改水田对水环境的影响研究

黑龙江省江川农场实施旱田改水田后,粮食产量持续上升,同时也暴露了以总氮和总磷为主的非点源污染问题。农田氮磷流失主要包括以下几个方面：降雨径流（排水）过程、土壤侵蚀和泥沙输移过程、污染物迁移转化过程。文章基于美国通用土壤流失方程（USLE）和降雨径流模型（SCS）,结合调查资料,分别估算2013年江川农场水田和旱田的总氮和总磷的年输出负荷,从而得出旱改水对水环境的影响结论。     

综合水质模型参数识别研究

针对综合水质模型参数众多，难以同时估算的特点，介绍了二种参数优化方法，分别为：基因法，罗森布瑞克法和单纯形法，在分析了每种方法特点的基础上，结合具体实例进行比较验证，最后提出先进行模型参数灵敏度分析，再选用基因法对灵敏度高的参数进行优选，将优选结果作为罗森布瑞克法和单纯形法初始值，并进一步优选的设计思路。     

地下水污染模拟模型的不确定性分析

为同时分析源汇项和水文地质参数不确定性对地下水污染数值模拟模型输出结果的影响,以抚顺市某煤矸石堆放场为研究实例展开研究.首先以硫酸根离子作为模拟因子,建立该场地地下水污染数值模拟模型.然后,分别采用局部灵敏度分析和全局灵敏度分析两种方法对模拟模型参数进行灵敏度分析并对比二者的结果,最终筛选出对模型输出结果影响较大的两个参数作为模型的随机参数.为减少反复调用模拟模型产生的计算负荷,分别对3口观测井应用克里格、核极限学习机、支持向量机和BP神经网络4种方法建立模拟模型的替代模型,根据这4种替代模型在不同井的拟合效果,为每口井优选出一个表现最好的替代模型,并利用优选出的替代模型完成蒙特卡洛随机模拟.最后,对随机模拟的结果进行统计分析与风险评估.结果表明,在置信度为80%时,1,2,3号三口井浓度的置信区间分别为:211.48~845.04mg/L,0~406.98mg/L,231.42~958.37mg/L.此外,依据《地下水质量标准》和各井的污染物浓度分布函数曲线得出:1号井和3号井的水质达标Ⅴ类水的概率分别为90.1%和93.1%,2号井达标Ⅲ类水的概率为80.7%,藉此为地下水资源管理和污染防治提供合理依据.     

引江济巢对巢湖的水环境影响分析

建立了巢湖一维水质模型DYRESM-CAEDYM,并利用2005年的实测水质、水文、气象等数据对模型进行了参数率定,确立了适用于巢湖水环境特征的水质模型参数. 应用该模型模拟了调水对巢湖TN,TP和Chl-a指标的影响,结果表明,年调水量为9.57×108 m3时可使巢湖的ρ(TN)和ρ(TP)下降约16%和19%,ρ(Chl-a)峰值从51.42 μg/L降至38.96 μg/L,ρ(Chl-a)超过30 μg/L的天数从26 d减少到16 d,对巢湖夏季蓝藻暴发具有一定的缓解作用. 对比分析了流域污染综合治理对巢湖水环境的改善效果,结果显示,如果各支流的入湖污染负荷能够削减5%,同时开展底泥清淤工作,可使巢湖的ρ(TN)和ρ(TP)得到较大程度的改善,与没有治理的情况相比分别降低约24.9%和33.3%,使巢湖夏季的ρ(Chl-a)峰值从51.42 μg/L降至32.72 μg/L,ρ(Chl-a)超过30 μg/L的天数从26 d减少到7 d.      

地下水渗流补给-内源释放耦合作用下河流水质不确定模拟

针对河流-地下水环境系统的模糊性、不精确性及随机不确定性,采用梯形模糊数描述和表征河流水文、水质及水文地质参数,构建了集成地下水渗流补给与内源释放耦合影响的一维河流水质模糊模拟模型.在此基础上,就地下水渗流补给与内源释放的可能组合,设置5种情景,分别进行水质模拟,并对计算结果进行分析、对比.实例研究表明,对地下水渗流补给与内源释放耦合作用下的河流水质衰减变化规律,梯形模糊数有较好的模拟效果.