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应用高亮（2009210180）导师：茅泽育老师2023/2/7城市暴雨管理模型及在雨洪利用中的应用第一章绪论第二章城市暴雨管理模型研究第三章雨洪径流的模拟计算第四章非点源污染物的模拟2第五章雨洪资源化利用分析第六章结论与展望城市暴雨管理模型及在雨洪利用中的应用第一章绪论1.1研究背景城市化导致产汇流条件改变，加大洪涝灾害的风险长期以来强调控制水灾，快速排出雨水探讨城市防洪减灾方法2023/2/73图1.1城市雨洪系统示意图图1.2城市洪水减灾方法2023/2/7城市暴雨管理模型及在雨洪利用中的应用雨洪灾害控制非点源污染控制水生态与水环境修复最佳管理措施（BMPs）减少不透水面积渗透沟等渗透设施调蓄池城市雨洪模型水质水量模拟排水系统规划雨洪利用设施设计城市雨洪利用Text4第一章绪论1.1研究背景城市暴雨管理模型及在雨洪利用中的应用第一章绪论1.2研究现状城市雨洪模型

按功能：一维、二维；按应用：单一事件、长期连续国外研究

如Park等人通过SWMM的EXTRAN模块对芝加哥地区地下室洪涝和街道漫水灾害模拟[1]Anthony等人利用SWMM模拟了极端降雨条件下尾水效应对排水系统的影响[2]Ostroff等人通过SWMM模型分析了纽约市屋顶绿化对雨水管理效果的影响[3]国内研究

刘俊利用SWMM模型对天津的进行模拟，并对模型的参数进行了率定[4]

曹韵霞利用SWMM模拟了北京市生活小区的雨水管理[5]

李彦伟等人运用SWMM模型展开了雨水管网优化的研究[6]2023/2/75城市暴雨管理模型及在雨洪利用中的应用第一章绪论1.3研究意义研究城市雨洪及其利用具有必要性探讨城市雨洪有效利用方式具有现实意义为BMPs效果评价提供依据1.4研究目标1）通过对城市化问题所展开的研究进行汇总，整理和分析，讨论城市雨洪利用问题；2）根据城市雨洪模拟的理论和方法，研究城市雨洪模型对于解决城市雨洪利用问题的作用及应用价值；3）利用城市雨洪模型对某生态小区进行水量水质模拟，并分析其雨洪利用效果；4）针对模拟结果，探讨雨洪利用所起到的实际价值，提出见解和建议。2023/2/762023/2/7城市暴雨管理模型及在雨洪利用中的应用1城市雨洪采取的措施和方法；SWMM模型在雨洪径流及非点源污染负荷计算方面的应用2建立基于SWMM的雨洪径流模型，模拟出流过程；建立基于SWMM模型非点源污染负荷模型，模拟四种典型污染物出口浓度变化过程3模拟绿色屋顶的洼蓄作用；研究铺设渗透沟的蓄水潜力；模拟增加调蓄池的出口流量及非点源污染物浓度变化7第一章绪论1.5研究内容2023/2/7城市暴雨管理模型及在雨洪利用中的应用8第一章绪论1.6研究技术路线城市暴雨管理模型及在雨洪利用中的应用第二章城市暴雨管理模型研究2.1概述城市雨洪模拟存在难点可以指导城市雨洪利用论文选用SWMM模型2.2SWMM模型介绍2023/2/79图2.1SWMM5操作界面城市暴雨管理模型及在雨洪利用中的应用第二章城市暴雨管理模型研究2.2SWMM模型简介——模块2023/2/710图2.2SWMM模块及配置关系图2.3SWMM模型结构2023/2/7城市暴雨管理模型及在雨洪利用中的应用模拟管道或自然渠道、专门的设施径流传输；模拟表面径流、降雨入渗流、额外水流及其水质的输入；模拟各种水流形式随时间变化的降雨量；蒸发量；洼地蓄水量；降雨入渗变化；非线性水库的坡面漫流污染物累积；降雨冲刷；BMPs针对减少冲刷污染负荷作用；晴天流入的生活污水；排水系统任意节点上的额外入流；排水系统的水质要素模拟径流过程模拟径流传输计算污染负荷11第二章城市暴雨管理模型研究2.2SWMM模型简介——功能2023/2/7城市暴雨管理模型及在雨洪利用中的应用SWMM功能实现方面针对不同土地利用类型水量水质模拟适用分流制管网具有一定灵活性SWMM适用性分析数据和资料方面对输入数据要求较低相关经验较多选取参数可借鉴相关研究12第二章城市暴雨管理模型研究2.3SWMM模型适用性城市暴雨管理模型及在雨洪利用中的应用第三章雨洪径流的模拟计算3.1概述2023/2/713图3.1概化城市雨洪模型图3.2利用SWMM模型计算步骤2023/2/7城市暴雨管理模型及在雨洪利用中的应用动力波方法（可计算回水）Horton公式（和降雨时间有关）连续方程和曼宁方程联立求解三种类型地表单独计算输送系统水力模拟地表下渗计算地表汇流计算地表产流计算14第三章雨洪径流的模拟计算3.1概述2023/2/7城市暴雨管理模型及在雨洪利用中的应用15第三章雨洪径流的模拟计算3.2研究区域研究区域ZJW小区位于天津。面积为101900m2以居住和商用的建筑物、道路为主，也有小区公园，道路绿化，景观河（FC河）ZJW小区的排水模式采用雨、污分流制，雨水最终排入景观河FC河图3.3研究区域图3.4研究区域的降雨量与温度2023/2/7城市暴雨管理模型及在雨洪利用中的应用划分小区管网表达输入数据16第三章雨洪径流的模拟计算3.3模型概化——方法将排水小区、管网系统进行概化，输入并存入数据库排水小区、管网系统的基础数据取自设计单位CAD图分析土地利用情况，插入矢量化的CAD图用较小的网格划分尽量与实际情况吻合仅考虑主干管依据CAD背景图表达小区汇水就近流入节点流向由实际情况决定确定性参数由资料提供需识别的参考相关文献2023/2/7城市暴雨管理模型及在雨洪利用中的应用数据类型包括内容属性描述获取方式管网形状横截面的几何属性实地调查测量最大深度横截面的最大深度（m）CAD长度长度大小（m）CAD粗糙度内壁的曼宁糙率（N）调查，文献，模型手册出水&进水节点出水&进水节点名称调查制定排水小区面积面积大小（ha）实际量算宽度坡面漫流过程的特征宽度（m）A/L（面积/水流长度）坡度坡面漫流过程的坡度参考周围道路纵向坡度不透水率不透水区所占面积比例（%）实际区域地表覆盖分析不透水区N值坡面漫流穿过不透水区的曼宁糙率调查，文献，模型手册透水区N值坡面漫流穿过透水区的曼宁糙率调查，文献，模型手册不透水区洼蓄量不透水区洼蓄存贮深度（mm）调查，文献，模型手册透水区洼蓄量透水区洼蓄存贮深度（mm）调查，文献，模型手册无洼蓄量面积比例无洼蓄不透水面积率实际区域地表特征分析土壤入渗最大入渗率霍顿公式中fmax文献报道最小入渗率霍顿公式中fmin文献报道衰减指数霍顿公式中α文献报道17表3.1SWMM模型输入数据2023/2/7城市暴雨管理模型及在雨洪利用中的应用18图3.5管网概化图图3.6汇水区分区示意图第三章雨洪径流的模拟计算3.3模型概化——结果2023/2/7城市暴雨管理模型及在雨洪利用中的应用19第三章雨洪径流的模拟计算3.4水文水力参数模型参数文献7文献8文献9文献10调整值不透水率（%imperv）—0~9060~80—10~80不透水区曼宁系数（N-imperv）0.0150.010~0.0150.0300.0150.012透水区曼宁系数（N-perv）0.0320.10~0.300.0150.0320.032管道曼宁系数（roughness）0.0150.013~0.0150.0130.0150.013~0.015不透水区洼蓄量（S-imperv）/mm0.382~520.380.38透水区洼蓄量（S-perv）/mm1.523~10121.521.52霍顿模型最大入渗率（Max.Infil）/(mm/h)7576.276.27575霍顿模型最小入渗率（Min.Infil）/(mm/h)3.83.813.813.83.8霍顿模型衰减系数（α）0.0060.00060.00060.0060.006表3.2水文水力参数2023/2/7城市暴雨管理模型及在雨洪利用中的应用20第三章雨洪径流的模拟计算3.5模拟结果及其分析——不同降雨条件（p1情形/r=0）图3.7p1情况下的降雨强度曲线图3.8p1=1情况下的出口流量曲线图3.9p1情况下的出口流量曲线2023/2/7城市暴雨管理模型及在雨洪利用中的应用21第三章雨洪径流的模拟计算3.5模拟结果及其分析——不同降雨条件（p1情形/r=0.375）图3.10p2情形下的降雨强度图3.11p2情况下的出口流量对比曲线0≤t≤45min45min≤t≤120min2023/2/7城市暴雨管理模型及在雨洪利用中的应用22第三章雨洪径流的模拟计算3.5模拟结果及其分析——不同降雨条件溢流情况降雨分布溢流节点号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溢流节点2023/2/7城市暴雨管理模型及在雨洪利用中的应用23第三章雨洪径流的模拟计算3.5模拟结果及其分析——不同下垫面条件屋顶增加绿化设施利用径流系数对比调整来参数图3.12屋顶有绿化设施情形下的出口流量曲线图3.13有绿化设施的屋顶与普通屋顶的流量对比图参数普通屋顶有绿化设施屋顶不透水区洼蓄量需调整0.380.40无洼蓄不透水面积率需调整5%~25%5%~18%径流系数（屋顶）已知0.90.3表3.4屋顶增加绿化设施的模型参数调整2023/2/7城市暴雨管理模型及在雨洪利用中的应用一阶衰减方程指数方程模拟冲刷指数函数模拟累积输送系统水质模拟街道清扫地表污染物冲刷地表污染物累积24第四章非点源污染物的模拟计算4.1概述2023/2/7城市暴雨管理模型及在雨洪利用中的应用25第四章非点源污染物的模拟计算4.2水质参数TSSCODTNTP实测浓度范围（mg/L）30~15020~800.8~2.80.02~0.06冲刷参数道路屋顶绿地文献11文献6文献11文献6文献11文献6TSS冲刷系数0.0080.0410.0070.0450.0040.707冲刷指数1.80.581.80.721.21.12COD冲刷系数0.0070.030.0060.0210.00350.245冲刷指数1.80.581.80.721.21.12TN冲刷系数0.0040.0110.0040.010.0020.005冲刷指数1.70.581.71.121.20.72TP冲刷系数0.0020.0920.0020.00850.0010.0042冲刷指数1.70.581.71.121.20.72累积冲刷参数道路屋顶绿地TSS最大累积量/（kg/ha）27014060累积速率/（d）111冲刷系数0.0080.0070.005冲刷指数110.8COD最大累积量/（kg/ha）1708040累积速率/（d）111冲刷系数0.0070.0060.0045冲刷指数110.8TN最大累积量/（kg/ha）6410累积速率/（d）111冲刷系数0.0040.0040.003冲刷指数110.8TP最大累积量/（kg/ha）0.20.20.6累积速率/（d）111冲刷系数0.0020.0020.0015TP冲刷指数110.8图4.3相关文献中的冲刷参数表4.1实测出口节点浓度范围表4.3论文累积冲刷参数2023/2/7城市暴雨管理模型及在雨洪利用中的应用26第四章非点源污染物的模拟计算4.3模拟结果及其分析以p1=1为例，四种污染物J37&J43模型出图图4.1p1=1情况下的出口TSS浓度变化曲线图4.2p1=1情况下的出口COD浓度变化曲线图4.3p1=1情况下的出口TN浓度变化曲线图4.4p1=1情况下的出口TP浓度变化曲线2023/2/7城市暴雨管理模型及在雨洪利用中的应用27第四章非点源污染物的模拟计算4.3模拟结果及其分析——p1情形图4.5p1情形下的出口TSS浓度变化曲线图4.6p1情况下的出口COD浓度变化曲线图4.7p1情况下的出口TN浓度变化曲线图4.8p1情况下的出口TP浓度变化曲线2023/2/7城市暴雨管理模型及在雨洪利用中的应用28第四章非点源污染物的模拟计算4.3模拟结果及其分析——p2情形图4.9p2情况下的出口TSS浓度变化曲线图4.10p2情况下的出口COD浓度变化曲线图4.11p2情况下的出口TN浓度变化曲线图4.12p2情况下的出口TP浓度变化曲线2023/2/7城市暴雨管理模型及在雨洪利用中的应用29第四章非点源污染物的模拟计算4.3模拟结果及其分析增设调蓄池，考虑净化池和绿地的BMPs的净化效率BMPs效率依据调蓄池33%去除率相关实验结果在36%~53%直接净化池15%~33%去除率安装有过滤设备，植有净化群落绿地30%绿地区域亦采取净化设施表4.4三种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应用30第四章非点源污染物的模拟计算4.3模拟结果及其分析增设调蓄池，考虑净化池和绿地的BMPs的净化效率图4.13p1=1情况下的出口TSS浓度变化曲线图4.14p1=1情况下的出口COD浓度变化曲线图4.15p1=1情况下的出口TN浓度变化曲线图4.16p1=1情况下的出口TP浓度变化曲线2023/2/7城市暴雨管理模型及在雨洪利用中的应用31图4.17三种情况下的出口TSS浓度变化曲线图4.18三种情况下的出口COD浓度变化曲线图4.19三种情况下的出口TN浓度变化曲线图4.20三种情况下的出口TP浓度变化曲线第四章非点源污染物的模拟计算4.3模拟结果及其分析——增设调蓄池2023/2/7城市暴雨管理模型及在雨洪利用中的应用32第五章雨洪资源化利用5.1概述城市雨洪：降雨形成的地表径流超过城市下垫面消化能力，属于致灾因子城市雨洪资源化利用：通过工程措施收集、储存并利用雨洪图5.1雨洪资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应用33第五章雨洪资源化利用5.1概述图5.2雨洪资源化利用的三种主要方式2023/2/7城市暴雨管理模型及在雨洪利用中的应用34第五章雨洪资源化利用5.2渗透沟的利用分析图5.3渗透沟示意图t=66min2023/2/7城市暴雨管理模型及在雨洪利用中的应用35第五章雨洪资源化利用5.2渗透沟的利用分析图5.4p1=1情形下设置渗透沟后出口节点流量图5.5p1=1情形下设置渗透沟出口流量对比额外入流2023/2/7城市暴雨管理模型及在雨洪利用中的应用36第五章雨洪资源化利用5.3调蓄池的利用分析图5.6调蓄池流量控制示意图图5.7p1=1情况下增设调蓄池的出口流量曲线图5.8p1=1情况下设置调蓄池的出口流量曲线对比2023/2/7城市暴雨管理模型及在雨洪利用中的应用TEXT针对不同降雨条件：降雨强度大，出流峰值大，发生溢流的管网节点多；而雨峰偏后的雨型，发生管网溢流的节点较少。针对不同下垫面：屋顶增加绿化设施后能够起到削峰和减小出口流量的作用，随着时间的增加，作用变小。针对不同降雨条件：冲刷程度与剩余污染物的量、降雨强度、降雨历时相关。降雨强度大，径流量大，冲刷程度强烈。针对不同BMPs：增设调蓄池后，出口污染物浓度曲线发生变化，调蓄池对净化污染物具有一定的效果。针对渗透沟：雨水渗透沟的蓄积潜力很大；增设雨水渗透沟后，出口流量显著减少。针对调蓄池：调蓄池具有明显的滞留效应，增设调蓄池后，出口流量过程线峰值减小，且降雨初始的增长坡度变缓。调蓄池可以起到调节洪峰流量的作用。37雨洪径流模拟非点源污染模拟雨洪资源化利用第六章总结与展望2023/2/7城市暴雨管理模型及在雨洪利用中的应用TEXT38雨洪径流模拟非点源污染模拟第六章总结与展望研究展望改进结合实测值优化参数探讨参数取值规律考虑融雪及地下水2023/2/7城市暴雨管理模型及在雨洪利用中的应用39参考文献：[1]PARKHandT.JOEJOHNSON：HYDRODYNAMICMODELINGINSOLVINGCOMBINEDSEWERPROBLEMS:ACASESTUDY[J].Wat.Res.Vol.32，No.6，pp.1948-195