建筑小区尺度下径流控制率与非点源污染负荷削减率协同关系研究

以陕西省西安市天福和园小区为例,基于SWMM原理构建了水质水量计算模型,借鉴国内外相似地区相关模型参数的选取并结合实测数据确定模型参数。设计了9种重现期和5种雨峰系数条件的45场降雨,以分析不同降雨条件下研究区域的径流控制率与非点源污染负荷削减率的协同关系。结果表明:相同雨峰系数降雨条件下,径流控制率与非点源污染负荷削减率呈线性关系,COD、TN、TP和TSS 4种污染物的拟合函数曲线的协同系数均大于0.989;雨峰系数对拟合函数曲线的斜率与截距影响不大;建筑小区尺度下径流控制率与非点源污染负荷削减率存在高度的线性关系,可根据径流控制率推算出污染负荷削减率。

矿渣堆积对河网水质影响的数值模拟分析

掌握矿山区污染物迁移转化过程对其流域河网水环境的有效治理至关重要。以十堰市小文峪河流域为例,基于水动力水质耦合模型,充分利用各支流矿渣堆属性、流域河网本底特征及地表水、矿洞水、淋溶水的水质和流量监测数据等,构建了基于GPU加速技术的矿山区河网水环境高分辨率数值模型,对小文峪河流域硫酸根离子和铁离子的空间分布进行了数值模拟,并量化分析了小文峪河污染负荷来源。结果表明:所构建模型对矿山区河网水环境模拟效果较好,可以表征硫酸根离子和铁离子空间分布特征及支流与主河道交汇处污染物浓度变化过程;各支流硫酸根离子和铁离子对主河道贡献率由大到小依次为宝泉寺、郭家沟、竹园沟、清石沟、孙家沟,其中宝泉寺和郭家沟硫酸根离子贡献率分别为39.42%和34.36%,铁离子贡献率分别为51.64%和35.10%。

西安市老城区海绵改造对雨水径流削减效益模拟研究

为了有效地评估和量化老城区海绵改造前后的内涝削减程度和海绵调蓄能力,以西安市小寨老城区海绵改造为研究对象,采用SWMM模型分别计算不同工况下的节点溢流量和管道外排量,并根据水量守恒原理,分别计算出“渗”“蓄”“排”所对应的水量,进而采用入渗量、蓄水量及外排量占比等指标分析老城区海绵措施雨水径流削减效益,并对老城区改造工程进行效果评价。结果表明:降雨量为17.2 mm且降雨历时在2 h的设计降雨条件下,建设前全区的径流控制率为67.10%,建设后全区径流控制率达82.52%,同时在其他设计重现期的条件下,建设后比建设前均有明显的提升;经过海绵改造后,雨水很大程度上被海绵措施储蓄起来,径流控制效果显著改善;海绵措施建设后,蓄水量占比较建设前显著提升,且随着重现期的增大海绵调蓄能力逐渐趋于饱和,当重现期为100 a时该区域海绵措施综合蓄水量为35.359×10^(4)m^(3)。该研究成果对城市内涝防治、老城区海绵设施成效评估具有非常重要的工程实践意义。

耦合高效高精度水动力模型的多组分污染物输移及衰减反应模型

为更好地模拟水污染事件中多组分污染物输移及衰减反应过程,全面耦合了基于图形处理器(GPU)加速技术的二维水动力模型与多组分污染物输移及衰减反应模型,通过改进模型源代码并在污染物输移控制方程中嵌入衰减项与反应项,建立了一个可应用于大区域复杂地形河道洪水演进全过程及多组分污染物输移和衰减反应的高性能耦合模型,同时引入GPU技术提升计算效率。将耦合模型应用于理想地形静水和两个复杂地形河道入流与溃坝算例的水质模拟,结果表明:多组分污染物输移及衰减反应过程在理想算例中的数值解与解析解基本吻合,在入流与溃坝算例中的模拟结果符合实际物理过程,模型运行速度快且计算效率高,可高效地模拟各类突发水污染事件并进行预警和评估。

海绵改造对城市内涝过程的时空影响分析

为了分析降雨对海绵改造前后内涝过程在时间和空间上的影响,采用了耦合水文和地表及管网水动力过程的数值模型,以小寨海绵改造二标段为研究区域,对海绵改造前后不同设计暴雨重现期下城市内涝过程进行模拟并在时间和空间上对比分析。结果表明:相对于暴雨峰值时间,在2 a、5 a、10 a、20 a、30 a、50 a设计暴雨重现期下,重现期越小,海绵改造对城市内涝积水总量峰值迟滞时间及内涝积水面积峰值迟滞时间延后作用越显著,且均随着重现期的增大呈递减趋势,前者延后时间最大为0.133 h,最小为0.117 h,后者延后时间最大为0.084 h,最小为-0.016 h;随着重现期的增大,改造后内涝积水总量与面积峰值较改造前的削减量均逐渐增大且趋于稳定,两者相对于改造前的占比随重现期增大均呈递减的趋势,前者最大为71.37%,最小为22.76%;后者最大为68.87%,最小为15.08%。本研究有助于更加精准有效的防治内涝、对城市内涝准确预报预警,为城乡居民出行提供有效信息,减小生命财产损失。

西安市极端降雨时间演变特征分析

全球气候变化导致城市洪涝灾害频发,极端降雨具有历时短、成灾快的特点,是造成城市内涝的主要原因,研究极端降雨的变化趋势,可为城市应对内涝提供参考。为分析西安市极端降雨事件的时间演变特征,采用滑动平均、线性回归、M-K突变性检验和Hurst指数分析等方法对西安市1990—2020年的降雨资料进行分析,得出西安市近30年降雨事件随时间的变化特征,并对未来变化趋势进行预测分析。结果表明:1)西安市年降雨量无明显变化趋势,但极端降雨量以每10年29 mm的速率呈增加趋势,并且在2002年突变性增加;2)极端降雨频次以每10年0.85次的速率呈增加趋势,并且在2014年突变性增加;3)极端降雨量和极端降雨频次的Hurst指数分别为0.974和0.893,具有较强的持续性,这表明两者变化趋势与过去相一致,未来西安市的极端降雨事件会呈持续增加趋势。

建筑小区雨水花园空间布局对径流过程影响规律研究

为探究建筑小区雨水花园空间布局对径流过程的影响规律,采用耦合SWMM(暴雨洪水管理模型)管网模块和GAST模型(基于GPU加速技术的地表水动力数值模型)的一二维耦合水动力模型,并以西咸新区天福和园小区为例,模拟计算了实测降雨条件下的径流过程。以雨水花园为研究对象,分别在该小区上、中、下游布设雨水花园,模拟6种重现期,共18种典型工况下其对管网出口径流的调控效果。结果表明:该耦合模型可精确可靠地模拟城市管网排水及地表积涝过程,纳什效率系数为0.80和0.76,模拟结果较好;随着设计降雨重现期增加,径流总量控制率逐渐降低;在相同重现期下,将雨水花园布设于下游侧的径流总量控制率较布设于上游侧时提升了5.33~8.74百分点,提升效果较明显。可见,该研究结果可为优化建筑小区雨水花园空间布局提供参考。

基于代理模型辅助PSO算法的排水管网优化设计

近年来城市暴雨洪涝灾害日益严重,设计良好的排水管网则是缓解城市洪涝最为经济有效的方式之一。但目前排水管网一般采用经验方法进行设计,不仅设计成本较高,而且管网排水能力有限。基于此,利用程序将SWMM模型嵌入粒子群算法寻优过程,以管道溢流量最小为目标,并以经济成本和水力特性为约束条件建立优化模型;同时,为了克服粒子群算法最优解波动较大和计算效率较低问题,通过耦合Kriging模型,提出了一种基于在线代理模型辅助粒子群算法的排水管网优化设计方法。以西安市某排水分区为例进行验证,并与常规的设计方法进行对比,结果表明,所提出的方法可在满足约束条件下实现洪涝缓解效果的最大化,相比于规划设计方法,管道溢流量降低了33.35%。此外,与标准粒子群算法优化结果相比,平均计算时间减少了27.56%,且优化效果更为显著。

基于SWMM的LID设施空间格局优化模拟研究

为研究LID设施空间格局对径流控制和雨水径流污染负荷的影响,以雨水花园为例,采用SWMM构建的城市雨洪过程模型进行数值模拟,根据雨水花园在研究区汇水面上、中、下游区布设位置的不同来拟定优化方案,计算不同设计降雨重现期下雨水花园不同空间格局对径流调控和雨水径流污染负荷削减的提升效果。结果表明:(1)对于3种方案,径流总量控制率与设计降雨重现期呈负相关,将雨水花园布设在下游时,对径流总量控制率的提升效果最好;(2)在不同设计降雨重现期下,不同优化方案均对雨水径流污染负荷具有一定的调控效果,且雨水花园位于下游时对雨水径流污染负荷的净化效果最好,雨水花园对TSS和COD的削减效果整体要好于对NH_(3)-N和TP的削减效果。