不同尺度低影响开发设施调控效果模拟与优化设计

摘要

目前，中国很多城市都遭受过严重的城市内涝和面源污染灾害．研究低影响开发(LID)措施的设计结构同时模拟措施效能，对解决中国城市的洪涝灾害和水污染环境问题具有重要的理论意义和实用价值。本研究以城市雨洪和面源污染Mike Flood模型和低影响开发单项设施DRAINMOD模型为研究基础，以海绵某试点区和西安某地区为研究区域，进行LID措施对城市降雨径流和径流污染的调控效果以及LID措施结构参数优化研究．主要结论如下： (1)区域尺度城市雨洪和面源污染模型方面，Mike Flood模型在模拟研究雨水管理措施时，可以兼顾水文、水力及水质3个方面。同时，该模型在模拟LID措施的调控效果时，可以针对不同土地利用情景精确描述区域开发前和开发后的状态;设施尺度低影响开发单项设施模型方面，DRAINMOD模型因其对氮素的模拟更为细致，应用较为广泛． (2)通过模拟海绵某试点区在不同降雨重现期下LID措施的调控效果。在LID措施总比例为17.75%情况下，相较于传统开发模式，溢流量减少率为22.4%~100%;超负荷管段比例减少率为0%~54.55%：径流量减少率为64.01%~81.52%．SS、COD、TN和TP的负荷减少率分别为19.20%~68.71%、19.19%~67.78%、18.72%-60.91%和19.89%~68.75%;出口平均浓度(EMC)减少率分别为0.65%~42.07%、0.65%~40.34%、0.06%~27.62%和1.51%~42.14%。同时．LID措施对内涝点淹没范围也有所控制，即不同淹没水深和淹没历时下淹没范围分别减少11.11%~100%和32.23%~100%． (3)通过模拟分析不同降雨条件下，研究区有无LID调控时水量和水质的变化规律，进行内涝风险等级划分与评估。在雨水花园总比例为2%情况下，添加雨水花园措施后，溢流量减少率为6.74%~65.23%;超负荷管段比例减少率为0%~11.15%;径流量减少率为1.93%~9.69%．SS、COD、TN和TP的峰值浓度减少率分别为0.42%~1.08%、0.25%~0.938%、0.15%~0.65%和0%~1.07%；负荷减少率分别为2.36%~30.35%、2.37%~30.11%、2.34%~30.08%和2.32%~31.35%。雨水花园调控下不同淹没水深和淹没历时下淹没范围分别减少0.30%~64.18%和7.12%~100%． (4)模拟研究了LID措施设计的参数对其调控效果的影响，并对花园参数进行优化。当蓄水层深度为20～30cm时，雨水花园年径流总量削减率提高了10.75%～11.98%;NO3-N和NH3-N的负荷削减率分别提高了16.52%～18.65%和3.69%～5.44%。当填料层深度为10～100cm时，NO3-N和NH3-N的负荷削减率分别提高了6.96%～15.35%和2.16%～4.30%。若将改良填料60%种植土+30%沙子+5%锯末+5%给水厂污泥(WTR)作为人工填料，则其对应的填料层厚度最小可达到22cm，而改良填料为种植土，其对应的填料层厚度为47cm;若要满足25cm＜换土层厚度＜120cm和水量削减率为80%～85%这两个要求，则改良填料的雨水花园能处理六种组合下的来水，传统填料的雨水花园能处理五种组合下的来水。

目录

声明

1 绪论

1.1 研究背景与意义

1.2.1低影响开发效果模拟研究进展

1.2.2 基于低影响开发的雨水管理模型应用进展

1.3 存在问题及不足

1.4.1 研究内容

1.4.2 技术路线

2 模型结构原理及方法论述

2.1 基于低影响开发的雨水管理模型的选择

2.2 模型结构及原理

2.2.1 MIKE FLOOD模型结构及原理

2.2.2 RECARGA模型结构及原理

2.2.3 DRAINMOD模型结构及原理

2.3.1参数敏感性分析

2.3.2 误差分析方法

2.4 本章小结

3新建区海绵城市调控措施效果模拟

3.1 研究区概况

3.2.1 研究区基础资料

3.2.2参数率定及模型验证

3.2.3不同条件降雨设计

3.2.4低影响开发措施的规划布置

3.3模拟结果

3.3.1一维雨水管网结果

3.3.2二维地表淹没结果

3.4本章小结

4建成区城市雨水花园调控措施效果模拟

4.1 研究区概况

4.2.1 研究区基础资料

4.2.2参数率定及模型验证

4.2.3不同条件降雨设计

4.2.4雨水花园的设计

4.3模拟结果

4.3.1一维雨水管网结果

4.3.2二维地表淹没结果

4.4 本章小结

5 雨水花园设计参数模拟与优化研究

5.1研究区概况

5.2模型建立

5.2.1参数率定及模型验证

5.2.2不同情景设计

5.3.1不同外部影响因子下雨水花园调控效果

5.3.2不同内部设计参数下雨水花园调控效果

5.4 Design-Expert对雨水花园设计参数优化

5.4.1雨水花园调控效果多元二次回归分析

5.4.2优化的最佳工况

5.5 本章小结

6.1 结论

6.2 建议

致谢

参考文献

附录