城市暴雨管理模型在雨洪利用-SWMM-application-in-zjw-project

城市暴雨管理模型及在雨洪利用中的應(yīng)用高亮（2009210180）導(dǎo)師：茅澤育老師2023/2/7城市暴雨管理模型及在雨洪利用中的應(yīng)用第一章緒論第二章城市暴雨管理模型研究第三章雨洪徑流的模擬計算第四章非點源污染物的模擬2第五章雨洪資源化利用分析第六章結(jié)論與展望城市暴雨管理模型及在雨洪利用中的應(yīng)用第一章緒論1.1研究背景城市化導(dǎo)致產(chǎn)匯流條件改變，加大洪澇災(zāi)害的風險長期以來強調(diào)控制水災(zāi)，快速排出雨水探討城市防洪減災(zāi)方法2023/2/73圖1.1城市雨洪系統(tǒng)示意圖圖1.2城市洪水減災(zāi)方法2023/2/7城市暴雨管理模型及在雨洪利用中的應(yīng)用雨洪災(zāi)害控制非點源污染控制水生態(tài)與水環(huán)境修復(fù)最佳管理措施（BMPs）減少不透水面積滲透溝等滲透設(shè)施調(diào)蓄池城市雨洪模型水質(zhì)水量模擬排水系統(tǒng)規(guī)劃雨洪利用設(shè)施設(shè)計城市雨洪利用Text4第一章緒論1.1研究背景城市暴雨管理模型及在雨洪利用中的應(yīng)用第一章緒論1.2研究現(xiàn)狀城市雨洪模型

按功能：一維、二維；按應(yīng)用：單一事件、長期連續(xù)國外研究

如Park等人通過SWMM的EXTRAN模塊對芝加哥地區(qū)地下室洪澇和街道漫水災(zāi)害模擬[1]Anthony等人利用SWMM模擬了極端降雨條件下尾水效應(yīng)對排水系統(tǒng)的影響[2]Ostroff等人通過SWMM模型分析了紐約市屋頂綠化對雨水管理效果的影響[3]國內(nèi)研究

劉俊利用SWMM模型對天津的進行模擬，并對模型的參數(shù)進行了率定[4]

曹韻霞利用SWMM模擬了北京市生活小區(qū)的雨水管理[5]

李彥偉等人運用SWMM模型展開了雨水管網(wǎng)優(yōu)化的研究[6]2023/2/75城市暴雨管理模型及在雨洪利用中的應(yīng)用第一章緒論1.3研究意義研究城市雨洪及其利用具有必要性探討城市雨洪有效利用方式具有現(xiàn)實意義為BMPs效果評價提供依據(jù)1.4研究目標1）通過對城市化問題所展開的研究進行匯總，整理和分析，討論城市雨洪利用問題；2）根據(jù)城市雨洪模擬的理論和方法，研究城市雨洪模型對于解決城市雨洪利用問題的作用及應(yīng)用價值；3）利用城市雨洪模型對某生態(tài)小區(qū)進行水量水質(zhì)模擬，并分析其雨洪利用效果；4）針對模擬結(jié)果，探討雨洪利用所起到的實際價值，提出見解和建議。2023/2/762023/2/7城市暴雨管理模型及在雨洪利用中的應(yīng)用1城市雨洪采取的措施和方法；SWMM模型在雨洪徑流及非點源污染負荷計算方面的應(yīng)用2建立基于SWMM的雨洪徑流模型，模擬出流過程；建立基于SWMM模型非點源污染負荷模型，模擬四種典型污染物出口濃度變化過程3模擬綠色屋頂?shù)耐菪钭饔茫谎芯夸佋O(shè)滲透溝的蓄水潛力；模擬增加調(diào)蓄池的出口流量及非點源污染物濃度變化7第一章緒論1.5研究內(nèi)容2023/2/7城市暴雨管理模型及在雨洪利用中的應(yīng)用8第一章緒論1.6研究技術(shù)路線城市暴雨管理模型及在雨洪利用中的應(yīng)用第二章城市暴雨管理模型研究2.1概述城市雨洪模擬存在難點可以指導(dǎo)城市雨洪利用論文選用SWMM模型2.2SWMM模型介紹2023/2/79圖2.1SWMM5操作界面城市暴雨管理模型及在雨洪利用中的應(yīng)用第二章城市暴雨管理模型研究2.2SWMM模型簡介——模塊2023/2/710圖2.2SWMM模塊及配置關(guān)系圖2.3SWMM模型結(jié)構(gòu)2023/2/7城市暴雨管理模型及在雨洪利用中的應(yīng)用模擬管道或自然渠道、專門的設(shè)施徑流傳輸；模擬表面徑流、降雨入滲流、額外水流及其水質(zhì)的輸入；模擬各種水流形式隨時間變化的降雨量；蒸發(fā)量；洼地蓄水量；降雨入滲變化；非線性水庫的坡面漫流污染物累積；降雨沖刷；BMPs針對減少沖刷污染負荷作用；晴天流入的生活污水；排水系統(tǒng)任意節(jié)點上的額外入流；排水系統(tǒng)的水質(zhì)要素模擬徑流過程模擬徑流傳輸計算污染負荷11第二章城市暴雨管理模型研究2.2SWMM模型簡介——功能2023/2/7城市暴雨管理模型及在雨洪利用中的應(yīng)用SWMM功能實現(xiàn)方面針對不同土地利用類型水量水質(zhì)模擬適用分流制管網(wǎng)具有一定靈活性SWMM適用性分析數(shù)據(jù)和資料方面對輸入數(shù)據(jù)要求較低相關(guān)經(jīng)驗較多選取參數(shù)可借鑒相關(guān)研究12第二章城市暴雨管理模型研究2.3SWMM模型適用性城市暴雨管理模型及在雨洪利用中的應(yīng)用第三章雨洪徑流的模擬計算3.1概述2023/2/713圖3.1概化城市雨洪模型圖3.2利用SWMM模型計算步驟2023/2/7城市暴雨管理模型及在雨洪利用中的應(yīng)用動力波方法（可計算回水）Horton公式（和降雨時間有關(guān)）連續(xù)方程和曼寧方程聯(lián)立求解三種類型地表單獨計算輸送系統(tǒng)水力模擬地表下滲計算地表匯流計算地表產(chǎn)流計算14第三章雨洪徑流的模擬計算3.1概述2023/2/7城市暴雨管理模型及在雨洪利用中的應(yīng)用15第三章雨洪徑流的模擬計算3.2研究區(qū)域研究區(qū)域ZJW小區(qū)位于天津。面積為101900m2以居住和商用的建筑物、道路為主，也有小區(qū)公園，道路綠化，景觀河（FC河）ZJW小區(qū)的排水模式采用雨、污分流制，雨水最終排入景觀河FC河圖3.3研究區(qū)域圖3.4研究區(qū)域的降雨量與溫度2023/2/7城市暴雨管理模型及在雨洪利用中的應(yīng)用劃分小區(qū)管網(wǎng)表達輸入數(shù)據(jù)16第三章雨洪徑流的模擬計算3.3模型概化——方法將排水小區(qū)、管網(wǎng)系統(tǒng)進行概化，輸入并存入數(shù)據(jù)庫排水小區(qū)、管網(wǎng)系統(tǒng)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)取自設(shè)計單位CAD圖分析土地利用情況，插入矢量化的CAD圖用較小的網(wǎng)格劃分盡量與實際情況吻合僅考慮主干管依據(jù)CAD背景圖表達小區(qū)匯水就近流入節(jié)點流向由實際情況決定確定性參數(shù)由資料提供需識別的參考相關(guān)文獻2023/2/7城市暴雨管理模型及在雨洪利用中的應(yīng)用數(shù)據(jù)類型包括內(nèi)容屬性描述獲取方式管網(wǎng)形狀橫截面的幾何屬性實地調(diào)查測量最大深度橫截面的最大深度（m）CAD長度長度大?。╩）CAD粗糙度內(nèi)壁的曼寧糙率（N）調(diào)查，文獻，模型手冊出水&進水節(jié)點出水&進水節(jié)點名稱調(diào)查制定排水小區(qū)面積面積大?。╤a）實際量算寬度坡面漫流過程的特征寬度（m）A/L（面積/水流長度）坡度坡面漫流過程的坡度參考周圍道路縱向坡度不透水率不透水區(qū)所占面積比例（%）實際區(qū)域地表覆蓋分析不透水區(qū)N值坡面漫流穿過不透水區(qū)的曼寧糙率調(diào)查，文獻，模型手冊透水區(qū)N值坡面漫流穿過透水區(qū)的曼寧糙率調(diào)查，文獻，模型手冊不透水區(qū)洼蓄量不透水區(qū)洼蓄存貯深度（mm）調(diào)查，文獻，模型手冊透水區(qū)洼蓄量透水區(qū)洼蓄存貯深度（mm）調(diào)查，文獻，模型手冊無洼蓄量面積比例無洼蓄不透水面積率實際區(qū)域地表特征分析土壤入滲最大入滲率霍頓公式中fmax文獻報道最小入滲率霍頓公式中fmin文獻報道衰減指數(shù)霍頓公式中α文獻報道17表3.1SWMM模型輸入數(shù)據(jù)2023/2/7城市暴雨管理模型及在雨洪利用中的應(yīng)用18圖3.5管網(wǎng)概化圖圖3.6匯水區(qū)分區(qū)示意圖第三章雨洪徑流的模擬計算3.3模型概化——結(jié)果2023/2/7城市暴雨管理模型及在雨洪利用中的應(yīng)用19第三章雨洪徑流的模擬計算3.4水文水力參數(shù)模型參數(shù)文獻7文獻8文獻9文獻10調(diào)整值不透水率（%imperv）—0~9060~80—10~80不透水區(qū)曼寧系數(shù)（N-imperv）0.0150.010~0.0150.0300.0150.012透水區(qū)曼寧系數(shù)（N-perv）0.0320.10~0.300.0150.0320.032管道曼寧系數(shù)（roughness）0.0150.013~0.0150.0130.0150.013~0.015不透水區(qū)洼蓄量（S-imperv）/mm0.382~520.380.38透水區(qū)洼蓄量（S-perv）/mm1.523~10121.521.52霍頓模型最大入滲率（Max.Infil）/(mm/h)7576.276.27575霍頓模型最小入滲率（Min.Infil）/(mm/h)3.83.813.813.83.8霍頓模型衰減系數(shù)（α）0.0060.00060.00060.0060.006表3.2水文水力參數(shù)2023/2/7城市暴雨管理模型及在雨洪利用中的應(yīng)用20第三章雨洪徑流的模擬計算3.5模擬結(jié)果及其分析——不同降雨條件（p1情形/r=0）圖3.7p1情況下的降雨強度曲線圖3.8p1=1情況下的出口流量曲線圖3.9p1情況下的出口流量曲線2023/2/7城市暴雨管理模型及在雨洪利用中的應(yīng)用21第三章雨洪徑流的模擬計算3.5模擬結(jié)果及其分析——不同降雨條件（p1情形/r=0.375）圖3.10p2情形下的降雨強度圖3.11p2情況下的出口流量對比曲線0≤t≤45min45min≤t≤120min2023/2/7城市暴雨管理模型及在雨洪利用中的應(yīng)用22第三章雨洪徑流的模擬計算3.5模擬結(jié)果及其分析——不同降雨條件溢流情況降雨分布溢流節(jié)點號P1=0.5J17、J44P1=1J05、J17、J21、J44P1=2J03、J05、J06、J17、J21、J39、J40、J44、J45P1=5J03、J05、J06、J14、J17、J18、J19、J21、J24、J32、J35、J39、J40、J44、J45P2=0.5J05P2=1J05、J17P2=2J03、J05、J06、J17、J21、J44P2=5J03、J05、J06、J07、J14、J17、J18、J21、J39、J40、J44、J45表3.3溢流節(jié)點2023/2/7城市暴雨管理模型及在雨洪利用中的應(yīng)用23第三章雨洪徑流的模擬計算3.5模擬結(jié)果及其分析——不同下墊面條件屋頂增加綠化設(shè)施利用徑流系數(shù)對比調(diào)整來參數(shù)圖3.12屋頂有綠化設(shè)施情形下的出口流量曲線圖3.13有綠化設(shè)施的屋頂與普通屋頂?shù)牧髁繉Ρ葓D參數(shù)普通屋頂有綠化設(shè)施屋頂不透水區(qū)洼蓄量需調(diào)整0.380.40無洼蓄不透水面積率需調(diào)整5%~25%5%~18%徑流系數(shù)（屋頂）已知0.90.3表3.4屋頂增加綠化設(shè)施的模型參數(shù)調(diào)整2023/2/7城市暴雨管理模型及在雨洪利用中的應(yīng)用一階衰減方程指數(shù)方程模擬沖刷指數(shù)函數(shù)模擬累積輸送系統(tǒng)水質(zhì)模擬街道清掃地表污染物沖刷地表污染物累積24第四章非點源污染物的模擬計算4.1概述2023/2/7城市暴雨管理模型及在雨洪利用中的應(yīng)用25第四章非點源污染物的模擬計算4.2水質(zhì)參數(shù)TSSCODTNTP實測濃度范圍（mg/L）30~15020~800.8~2.80.02~0.06沖刷參數(shù)道路屋頂綠地文獻11文獻6文獻11文獻6文獻11文獻6TSS沖刷系數(shù)0.0080.0410.0070.0450.0040.707沖刷指數(shù)1.80.581.80.721.21.12COD沖刷系數(shù)0.0070.030.0060.0210.00350.245沖刷指數(shù)1.80.581.80.721.21.12TN沖刷系數(shù)0.0040.0110.0040.010.0020.005沖刷指數(shù)1.70.581.71.121.20.72TP沖刷系數(shù)0.0020.0920.0020.00850.0010.0042沖刷指數(shù)1.70.581.71.121.20.72累積沖刷參數(shù)道路屋頂綠地TSS最大累積量/（kg/ha）27014060累積速率/（d）111沖刷系數(shù)0.0080.0070.005沖刷指數(shù)110.8COD最大累積量/（kg/ha）1708040累積速率/（d）111沖刷系數(shù)0.0070.0060.0045沖刷指數(shù)110.8TN最大累積量/（kg/ha）6410累積速率/（d）111沖刷系數(shù)0.0040.0040.003沖刷指數(shù)110.8TP最大累積量/（kg/ha）0.20.20.6累積速率/（d）111沖刷系數(shù)0.0020.0020.0015TP沖刷指數(shù)110.8圖4.3相關(guān)文獻中的沖刷參數(shù)表4.1實測出口節(jié)點濃度范圍表4.3論文累積沖刷參數(shù)2023/2/7城市暴雨管理模型及在雨洪利用中的應(yīng)用26第四章非點源污染物的模擬計算4.3模擬結(jié)果及其分析以p1=1為例，四種污染物J37&J43模型出圖圖4.1p1=1情況下的出口TSS濃度變化曲線圖4.2p1=1情況下的出口COD濃度變化曲線圖4.3p1=1情況下的出口TN濃度變化曲線圖4.4p1=1情況下的出口TP濃度變化曲線2023/2/7城市暴雨管理模型及在雨洪利用中的應(yīng)用27第四章非點源污染物的模擬計算4.3模擬結(jié)果及其分析——p1情形圖4.5p1情形下的出口TSS濃度變化曲線圖4.6p1情況下的出口COD濃度變化曲線圖4.7p1情況下的出口TN濃度變化曲線圖4.8p1情況下的出口TP濃度變化曲線2023/2/7城市暴雨管理模型及在雨洪利用中的應(yīng)用28第四章非點源污染物的模擬計算4.3模擬結(jié)果及其分析——p2情形圖4.9p2情況下的出口TSS濃度變化曲線圖4.10p2情況下的出口COD濃度變化曲線圖4.11p2情況下的出口TN濃度變化曲線圖4.12p2情況下的出口TP濃度變化曲線2023/2/7城市暴雨管理模型及在雨洪利用中的應(yīng)用29第四章非點源污染物的模擬計算4.3模擬結(jié)果及其分析增設(shè)調(diào)蓄池，考慮凈化池和綠地的BMPs的凈化效率BMPs效率依據(jù)調(diào)蓄池33%去除率相關(guān)實驗結(jié)果在36%~53%直接凈化池15%~33%去除率安裝有過濾設(shè)備，植有凈化群落綠地30%綠地區(qū)域亦采取凈化設(shè)施表4.4三種BMPs措施的去除率2023/2/7城市暴雨管理模型及在雨洪利用中的應(yīng)用30第四章非點源污染物的模擬計算4.3模擬結(jié)果及其分析增設(shè)調(diào)蓄池，考慮凈化池和綠地的BMPs的凈化效率圖4.13p1=1情況下的出口TSS濃度變化曲線圖4.14p1=1情況下的出口COD濃度變化曲線圖4.15p1=1情況下的出口TN濃度變化曲線圖4.16p1=1情況下的出口TP濃度變化曲線2023/2/7城市暴雨管理模型及在雨洪利用中的應(yīng)用31圖4.17三種情況下的出口TSS濃度變化曲線圖4.18三種情況下的出口COD濃度變化曲線圖4.19三種情況下的出口TN濃度變化曲線圖4.20三種情況下的出口TP濃度變化曲線第四章非點源污染物的模擬計算4.3模擬結(jié)果及其分析——增設(shè)調(diào)蓄池2023/2/7城市暴雨管理模型及在雨洪利用中的應(yīng)用32第五章雨洪資源化利用5.1概述城市雨洪：降雨形成的地表徑流超過城市下墊面消化能力，屬于致災(zāi)因子城市雨洪資源化利用：通過工程措施收集、儲存并利用雨洪圖5.1雨洪資源化利用的主要方式2023/2/7城市暴雨管理模型及在雨洪利用中的應(yīng)用33第五章雨洪資源化利用5.1概述圖5.2雨洪資源化利用的三種主要方式2023/2/7城市暴雨管理模型及在雨洪利用中的應(yīng)用34第五章雨洪資源化利用5.2滲透溝的利用分析圖5.3滲透溝示意圖t=66min2023/2/7城市暴雨管理模型及在雨洪利用中的應(yīng)用35第五章雨洪資源化利用5.2滲透溝的利用分析圖5.4p1=1情形下設(shè)置滲透溝后出口節(jié)點流量圖5.5p1=1情形下設(shè)置滲透溝出口流量對比額外入流2023/2/7城市暴雨管理模型及在雨洪利用中的應(yīng)用36第五章雨洪資源化利用5.3調(diào)蓄池的利用分析圖5.6調(diào)蓄池流量控制示意圖圖5.7p1=1情況下增設(shè)調(diào)蓄池的出口流量曲線圖5.8p1=1情況下設(shè)置調(diào)蓄池的出口流量曲線對比2023/2/7城市暴雨管理模型及在雨洪利用中的應(yīng)用TEXT針對不同降雨條件：降雨強度大，出流峰值大，發(fā)生溢流的管網(wǎng)節(jié)點多；而雨峰偏后的雨型，發(fā)生管網(wǎng)溢流的節(jié)點較少。針對不同下墊面：屋頂增加綠化設(shè)施后能夠起到削峰和減小出口流量的作用，隨著時間的增加，作用變小。針對不同降雨條件：沖刷程度與剩余污染物的量、降雨強度、降雨歷時相關(guān)。降雨強度大，徑流量大，沖刷程度強烈。針對不同BMPs：增設(shè)調(diào)蓄池后，出口污染物濃度曲線發(fā)生變化，調(diào)蓄池對凈化污染物具有一定的效果。針對滲透溝：雨水滲透溝的蓄積潛力很大；增設(shè)雨水滲透溝后，出口流量顯著減少。針對調(diào)蓄池：調(diào)蓄池具有明顯的滯留效應(yīng)，增設(shè)調(diào)蓄池后，出口流量過程線峰值減小，且降雨初始的增長坡度變緩。調(diào)蓄池可以起到調(diào)節(jié)洪峰流量的作用。37雨洪徑流模擬非點源污染模擬雨洪資源化利用第六章總結(jié)與展望2023/2/7城市暴雨管理模型及在雨洪利用中的應(yīng)用TEXT38雨洪徑流模擬非點源污染模擬第六章總結(jié)與展望研究展望改進結(jié)合實測值優(yōu)化參數(shù)探討參數(shù)取值規(guī)律考慮融雪及地下水2023/2/7城市暴雨管理模型及在雨洪利用中的應(yīng)用39參考文獻：[1]PARKHandT.JOEJOHNSON：HYDRODYNAMICMODELINGINSOLVINGCOMBINEDSEWERPROBLEMS:ACASESTUDY[J].Wat.Res.Vol.32，No.6，pp.1948-195