（市政工程专业论文）采用BODDO模型确定区域合流制管网截流倍数.pdf

采用b o d d o 模型确定区域合流制管网截流倍数 摘要 污水截流是城市水环境质量控制的重要措施。确定截流倍数要考虑的 因素比较多，如经济、环境、水文等，很难进行准确定量分析。一般而言， 截流倍数犬，则工程投资就要增加，环境效益好；截流倍数小，则工程 投资少，但对环境的负面影响大。应以水环境标准为约束条件，建立水质 模型，确定最合理的截流倍数。 从水质模型的空间维数来说，所有真实系统都是三维的结构，但在使 用上往往可简化为零维、一维或两维的水质模型。对河流水质进行规划， 一维模型已能得出较好的结果。其中河流一维b o d d o 模型是研究较为成 熟的水质模型，既对水污染控制具有普遍的适应性，又能较为真实地反映 实际情况。为此，采用河流一维b o d d o 水质模型对安庆市新河区域水环 境进行规划。 针对课题特点，本文建立起街区雨水水质及流量、污水水质及流量、河 水水质及流量等与合流制管网截流倍数之间的关系，采用显式有限差分法， 编制计算程序求解河流一维水质模型方程。为确定水质模型参数，作者通 过现场检测、取样试验方法，测定河流各段水质指标( c o d c r 、b o d 、d 0 ) ， 利用各水质指标之间关系式，运用最速下降法确定模型参数。用显式差分 法求解维水质模型。 本文利用河流一维b o d d o 模型求解水环境容量及合流制管网的截流 倍数，为老城区合流制管网截流倍数的确定提供了新途径、新方法，有助 于为合理确定该城市排水工程及污水处理厂规模。 关键词：水环境污染，水质模型，水环境容量，截流倍数 t h ea p p l i c a t i o no fb o d d o 、a t e rq u a l i t ym o d e lo nt h e d e t e r m i n a t i o no ft h es e w a g ec l o s u r ef a c t o r a b s t r a c t s e w a g ec l o s u r ei si m p o r t a n tm e a s u r ef o rm u n i c i p a lw a t e re n v i r o n m e n t a l q u a l i t yc o n t r o i r a t h e rm o r ef a c t o r ss u c ha se c o n o m i c ，e n v i r o n m e n ta n dh y d r 0 1 0 9 y s h o u l db et a k e ni n t oa c c o u n tt oc o n 矗r ms e w a g ec l o s u r em u l t i p l i c a t i o nf a c t o ra n d c a nh a r d l yb eq u a n t i t a t i v ea n a l y z e dg e n e r a l ly ，t h eb i g g e rt h ec l o s u r ef a c t o ri s ，t h e m o r et h ei n v e s t m e n tw i l lb e ，a n dt h em o r ee n v i r o n m e n t a lb e n e n tw i l lb e ：t h el e s s t h ec l o s u r ef a c t o ri s ，t h el e s st h ei n v e s t m e n tw i l lb e ，b u tt h em o r eb a c ke f f e c tw i l l b es ot h ee n v i r o n m e n ts t a n d a r ds h o u 】db et h ec o n s t r a i n tc o n d i t i o nf b rw a t e r q u a l i t ym o d e la n dd e t e r m i n et h er e a s o n a b l es e w a g ec i o s u r ef a c t o r a 1 lr e a ls y s t e m sa r eo ft h r e ed i m e n s i o n sa sw a t e rq u a l i t ym o d e lc o n c e r n e d b u t w a t e rq u a l i t ym o d e lc a no f t e nb es i m p l yr e g a 州a sz e r o ，o n eo rt w od i m e n s i o n s w a t e rm o d e lo n ed i m e n s i o n e dw a t e rq u a l i t ym o d e lc a nb ee f r e c t i v eo nr i v e rw a t e r q u a i i t yp i a n n i n go n ed i m e n s i o n e db o d d om o d e lf o rr i v e ri saw e l ls t u d i e da n d m a t u r ew a t e rq u a i i t ym o d e l ，i ti sa d a p t i v ea n dc a nr e n e c tt h er e a l i t y s ot h eo n e d i m e n s i o n e db o d d om o d e lf o rr i v e ri se m p l o y e dt op l a nt h ea n q i n gn e wr i v e r d i s t r i c tw a t e re n v i r o n m e n t a i m i n ga tt h es p e c i a l i t yo ft h et a s k ，t h ep a p e rf o r m e dr e l a t i o n s h i pm o d e l s a m o n gw a t e rq u a i i t ya n dq u a n t i t yo fr a i n w a t e r ，p o l l u t e dw a t e ra n dr i v e rw a t e r ，a n d t o g e t h e rn u xa n dm u l t i p l i c a t i o nf a c t o ro fc o m b i n e ds y s t e m e x p l i c i td i f f e r e n c e m e t h o di s e m p l o y e dt o s o l v et h eo n e d i m e n s i o n e dm o d e l ， o n s i t et e s t i n ga n d p i c k t e s tt od e c i d ec o d 、b o da n dd 0o f t h ew a t e ra n di t sv a r i e t v g r a d i e n tm e t h o d i se m p l o y e dt oc o n f i r mm a i nw a t e rq u a l i t ym o d e lp a r a m e t e f so nt h eg r o u n do f r e l a t i o n s h i p sa m o n gi n d e x e s o n e d i m e n s i o n e db o d d 0m o d e li se m p l o v e dt os o l v ew a t e re n v i r o n m e n t c a p a c j t ya n dr e a s o n a b l es e w a g ec l o s u r ef a c t or ，t h u sn e ww a y sa r ep u tu pf o rs e w a g e c l o s u r ef a c t o ro f0 1 d c i t y z o n ec o m b i n e dd f a i n a g es y s t e mw h i c hw i l lh e l pt o c o n f i r mt h es c a i eo fd r a i n a g es y s t e ma n dw a s t ew a t e rt r e a tp l a n t k e yw o r d s ： a q u a t i ce n v i r o n m e n t a lp o l l u f i o n w a t e rq u a l i t ym o d e l e n v i r o n m e n tc a p a c i t yc u t o f rm u l t i p l e 4 一l 5 1 6 一l 7 一l 插图清单 最速下降法求k 。、k 现场取样位置图 有限差分法求解一维水质模型方程流程图 街区水力计算管段划分图 拢嬲盯 表格清单 2 0 0 5 年3 月2 3 日河流d 0 实测数据2 0 邻近区域河流k 。、k 。的参考值2 0 2 0 0 5 年3 月13 日新河大湖闸至金家闸段取样实验数据2 4 2 0 0 5 年3 月2 3 目新河大湖闸至金家闸段及大湖取样实验数据2 4 规划年新河、大湖水质情况2 4 实测值最热月水环境容量计算2 9 实测值年平均温度水环境容量计算2 9 实测值最冷月水环境容量计算2 9 参考无锡内河最热月水环境容量计算3 0 参考无锡内河年平均温度水环境容量计算3 0 参考无锡内河最冷月水环境容量计算3 0 参考汉江下游河流最热月水环境容量计算3 l 参考汉江下游河流年平均温度水环境容量计算3 l 参考汉江下游河流最冷月水环境容量计算3 1 年平均气温时水环境容量汇总表3 2 零维模型求解新河环境容量3 3 暴雨时菱南路、华中路、人民路合流干管水力计算3 6 菱南路、华中路、人民路各街区污水量计算3 5 合流管道截流倍数为l 时溢流量与水质3 8 合流管道截流倍数为2 时溢流量与水质3 8 合流管道截流倍数为3 时溢流量与水质3 8 合流管道截流倍数为4 时溢流量与水质3 9 截流倍数为2 时新河水质情况3 9 截流倍数为3 时新河水质情况4 0 截流倍数为4 时新河水质情况4 0 l 2 1 2 3 l 2 3 4 5 6 7 8 9 l 1 l 2 3 4 5 0 7 s 9 1 屯 1屯书1之弋q嵋咱【 c ；3 曲1 1 1屹书q，1咱。 书曲 卜卜 卜 卜 卜铲 卜卜铲铲 铲铲 铲 铲铲铲卜 卜 卜卜 卜 卜 卜 卜 卜 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据 我所知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的 研究成果，也不包含为获得金目墨王些太堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢 意。 学位论文作者签猫签字日期：。f 掣自- 1 ) 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金g 巴王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权金 目里王些态堂可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检索，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名 签字日期：万年，倜呷日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名：m 门强 签字日期：挑厂年f 侗r 7 日 电话： 邮编： 致谢 本文是在徐得潜教授的悉心指导下完成的，论文从开题到定稿，在文献检 索、资料收集、调研考察、论文选题和论文撰写过程中，导师都给予了具体的 指导，提出了许多宝贵的意见和建议。导师严谨的治学态度，刻苦钻研、兢兢 业业的工作精神和平易近人的作风，使我深受启迪，受益匪浅。在此我向导师 致以最诚挚的敬意和深深的感谢! 在本文写作过程中，得到了陈慧老师和席鹏鸽、郭维刚同学的帮助，在此 向他们表示深深的谢意! 感谢我的家人对我学习的支持与鼓励，感谢所有在我生活、学习期间，支 持和帮助过我的老师、同学。 作者：姚晓 2 0 0 5 年l o 月 第一章绪论 随着社会经济的迅速发展，城市人口增加和生活水平的提高，人类生产和 生活过程中向自然界排放污染物的强度也愈来愈大。特别是有机化工、石油化 工、医药、农药、化肥等现代工业的迅速发展，使有机化合物的种类与时俱增， 大量有机物通过各种不同的途径进入了水体环境。这些污染物随水文循环扩散 到河流、湖泊、水库和地下水，大量水域受到污染，使我国本来就比较短缺的 水资源更趋恶化。为此，保护水资源和水环境已经成为当今面临的一项紧迫而 长期的艰巨任务，要求我们在进行水资源规划和管理时，必须及时采取各种措 施，促进经济快速增长，保护和改善自然环境，实现整个社会的可持续发展。 1 1 水环境污染及水环境容量 造成水环境污染的因素是多方面的：向水体排放未经妥善处理的城市污水 和工业废水；施用的化肥、农药以及城市地面的污染物随雨水径流进入水体； 随着大气扩散的有毒有害物质通过重力沉降或降水过程进入水体等。进入水体 的污染物种类繁多，危害各异，其分类方法依不同的要求可有多种。通常的分 类方式主要有： 按污染的属性进行分类，可归纳为物理性污染、化学性污染和生物性污染。 物理性污染，指恶化感官性状，减弱浮游植物的光合作用，以及热污染、放射 十牛污染带来的一系列不良影响；化学性污染是指化学物质降低水体自净能力， 毒害动植物，破坏生态系统平衡，引起某些疾病和遗传变异，腐蚀工程设旋等； 生物性污染，主要是指病原微生物随水传播，造成疾病蔓延【1 。 按污染源的分布状况分类，可分为点源污染和非点源污染。点源污染主要 指工业废水和城镇生活污水，它们均有固定的排放口：非点源污染主要来自流 域广大面积上的降雨径流污染，如农药、化肥污染，常称面源污染【”。 污染物进入天然水体后，通过物理、化学和生物因素的共同作用，使污染 物的总量降低或浓度降低，曾受污染的水体部分地或完全地恢复原状。这种现 象称为水体净化或水体自净。水体自净是一个物理、化学、牛物作用的极其复 杂的过程。物理净化过程，是指污染物在水体中混合、稀释、沉淀、吸附、凝 聚、向人气挥发和病菌死亡等物理作用下使污染浓度降低的现象，例如污水排 入河流后，在下游不远的地方污染浓度会大大降低，就主要是混合、稀释的结 果。化学净化过程，是指污染物在水中由于分解和化合、氧化与还原、酸碱反 应等化学作用下，致使污染浓度降低或毒性丧失的现象，例如水在流动中大气 里的氧气不断溶入，使铁锰等离子氧化成难溶的盐类而沉淀，从而减少了它们 在水中的含量。生物净化过程，是水体内的微生物群，在它们分泌的各种酶的 作用下，使污染物分解和转化为无害物质的现象【”。 作用下，使污染物分解和转化为无害物质的现象【”。 水作为人类生活和生产所必需的重要资源，出于自然的、社会的、经济的 和历史的原因考虑，对不同的水域将赋予不同的功能，进行水功能分区，例如 有的水域被划为国家自然保护区，有的被明确规定为生活饮用水水源保护区， 或鱼类保护区，或一般工业用水区，或灌溉水源保护区等。2 0 0 2 年我国制定的 现行的地表水环境质量标准( g b 3 8 3 8 2 0 0 2 ) 。该标准按照地表水环境功能 分类，规定了水环境质量应控制的项目及限值，以及水质评价、水质项目的分 析方法和标准的实施与监督，白高到低将水质分为五类：i 类主要适用于源头 水、国家自然保护区；i i 类主要适用于集中式生活饮用水地表水源地一级保护 珍稀水生生物栖息地、鱼虾产卯场等；i i i 主要适用于集中生活饮用水地表水源 地二级保护区、鱼虾类越冬场、泅游通道、水产养殖区等渔业水域及游泳区； 类主要适用于一般工业用水区及人体非接触的娱乐用水区；v 类主要适用于 农业用水区及一般景观要求水域。 在满足水体规定的环境质量标准情况下，每年允许的最大纳污量，称水环 境容量【4 】。当水体每年接收的污染物不超过这一数量时，由于自净作用将不会 导致污染：否则，则需要对过量的排污进行截流处理。 1 2 我国水环境污染现状 我国水环境污染问题己相当严重。虽然在水污染防治方面做了很多工作， 但水污染的发展趋势仍未得到有效控制，许多江、河、湖泊、水库的水质仍在 下降。河流、湖泊、地下水都不同程度的遭受污染，我国本来就是一个缺水国 家，全国6 0 0 多个城市，目前大约有半缺水，而水污染使缺水形势更加严峻。 据全国7 大水系和内陆河流的1 1 0 个重点河段统计，属于严重污染的已占2 9 ， 并在进一步恶化，以致出现了1 9 9 4 年带有流域性的淮河大面积污染灾害，其直 接经济损失达17 亿元。洞庭湖等8 个淡水湖泊和1 0 座大型水库的水质也受到 了不同程度的污染。水环境问题已成为制约我国经济发展的一个重要因素。 2 0 0 2 年我国采用国家地表水环境质量标准( g b 3 8 3 8 2 0 0 2 ) ，对全国河 流、湖泊、水库的水质状况进行了评价，主要结果如下陋】： 河流水质在1 2 3 万公里评价河长中，i 类水河长占56 ，i i 类水河长占 3 3 1 ，i i i 类水河长占2 60 ，i v 类水河长占1 22 ，v 类水河长占5 6 ，劣v 类水河长占1 75 全国符合和优于i i i 类水的河长占总评价河长的6 47 各流域 片的水质状况是：西南诸河片、内陆河片、东南诸河片、长江片和珠江片水质 良好或尚可，符合和优于i i i 类水的河长分别占9 2 6 、9 0 3 、7 6 9 、7 68 、 7 51 ；松辽河片、海河片、黄河片、淮河片水质较差，符合和优于i 类水的 河长分别占4 31 、4 06 、3 86 、3 08 与上年相比，长江片、珠江片、松 辽河片和淮河片水质有所好转，黄河片水质略有下降，其他流域片水质变化不 大。 湖泊水质在评价的2 4 个湖泊中，6 个湖泊水质符合或优于i 类水，6 个湖 泊部分水体受到污染，1 2 个湖泊水污染严重。国家重点治理的“三湖”情况是： 太湖1 65 的面积为i i 、i i i 类水，7 5 3 的湖面为类水，8 2 的湖面为v 类水： 中营养水平的水域占太湖总面积的1 65 ，富营养水平的占8 35 云南滇池水 质为v 类和劣v 类，处于富营养状态。巢湖东半湖水质为类，西半湖水质为 v 类和劣v 类，东半湖处于中营养状态，西半湖处于富营养状态。 水库水质在评价的1 9 6 座水库中，有1 4 6 座水库水质良好，达到i 、i i 、 i i i 类水质标准。在未达到地面水i i i 类的水库中，水污染极为严重的劣v 类水质 水库有8 座。对1 6 l 座水库进行了营养化程度评价，处于中营养状态的水库1 0 5 座，处于富营养状态的水库5 6 座。 1 3 我国水环境污染的原因浅析 造成我国水环境污染的原因是多方面的，从污染源来看，主要有城市生活 污水污染，农业的农药、化肥等面源污染，工业废水的点状污染，固体废物污 染及其它污染方面。我国城市污水厂数量相对较少、污水处理率较低、城市排 水管网不完善也造成了水环境的日益恶化。 1 3 1 人口增长对水环境造成的压力 近几年我国人口以每年1 2 0 0 万的数量递增。人口预测结果表明，即使采取 严格的计划生育政策，由于人口发展的惯性，人口增长势头将不会下降，人口 过多的压力，在今后5 0 年内仍然存在。2 0 0 4 年中国水资源公报显示，2 0 0 4 年全国人均用水量为4 2 7 立方米，城镇人均生活用水量为每日2 1 2 升( 含公共 用水) ，农村居民人均生活用水量为每目6 8 升；全国污水排放总量6 9 3 亿吨， 其中工业污水占2 3 ，第三产业和城镇居民生活污水占l 3 。目前城市生活污水 处理率约2 5 左右，数量惊人的有机污染物进入河流湖海，大量废水、污水的 排放造成了城市水体的严重污染，直接影响人民健康和工农业生产。根据对全 国1 1 8 座大城市浅层地下水的调查，9 7 5 的城市受到不同程度的污染，其中 4 0 的城市受到重度污染。 1 3 2 农业生产活动对水环境的影响 现代农业大量使用化学农药和化肥，使相当一部分化学物质进入了水体， 造成水质污染和水体富营养化。据农业普查结果，1 9 9 8 年农村化肥施用量4 0 8 56 万吨，比1 9 7 8 年增加了3 6 倍，8 73 的农田施用化肥。2 0 世纪5 0 年代以来， 我国六六六、d d t 的总使用量分别高达4 0 0 万髓和5 0 多万吨。但是2 0 3 0 年 后这些农药将带来残毒的严重后果。1 9 9 8 年我国农药施用量为1 2 0 万吨，6 7 7 的农田施用农药。我国目前农用化肥和农药的使用效率在4 0 以下，其中有 相当大一部分流失而进入地表水径流。以太湖为例。流域内的农田每亩施用化 肥超过4 0 k g ，而利用率平均只有3 5 左右，大量肥分随地面径流进入河流、湖 泊，数以千计的畜禽养殖场排放的c o d 、总磷、总氮，远远超过工业污染源的 排放量。 1 3 3 工业生产活动对水环境的影响 水在工业上主要用于洗涤产品、冷却设备、产生蒸汽、输送废物和作为生 产原料等方面，几乎没有一种工业能够离开水。而且工业的用水量非常大，约 占城市用水总量的2 3 左右。据统计，生产一吨苛性钠需水1 0 0 多吨：一吨钢 需水量3 0 多吨；一吨石油化工产品、一吨纸或一千度电需水2 0 0 至5 0 0 多吨、 而制造一吨人造纤维则需水1 0 0 0 吨以上。这么大量的工业用水，相应也有大量 的废水产生，工业废水的特点是种类繁多，成份复杂。工业废水排放量约占总 废水量的三分之二左右。 1 3 4 固体疲物及其它污染对水环境的影响 农业废物、工业废物和城市垃圾的数量和种类都非常多，如果转入水中， 也会污染水质，这类污染情况相当复杂。有机物质经水中微生物分解会消耗水 中的溶解氧，各种有毒物质使接受水体具有毒性，从工厂排出的废气，如二氧 化硫，一旦随雨水转入水体时，就变成亚硫酸，它又同水中的氧作用，氧化变 成硫酸，即消耗水中的溶解氧，又使水具有酸性。特别是各种各样的污染物质 同时流进水域，有时可能会相互发生化学作用，从而产生具有更大危险性的物 质，例如含无机汞的各种废物排到水体后在水底沉积下来，经微生物分解作用， 多数可以转变为会引起水俣病的甲基汞。污染途径也是多种多样的，比如垃圾 场的垃圾经雨淋和雪溶化后可能溶于水，或发生化学作用产生有毒物质，最后 漏出场外，流入地势较低的城市的水体中，或者渗入地下，污染地下水。 1 3 5 经济发展水平对水环境的影响 改革开放以来，我国经济持续快速发展，取得了举世瞩目的成就，但我国 仍是世界上最大的发展中国家，较西方发达国家差距较大。因经济方面原因， 我国污水处理厂建设缓慢，城市工业、生活污水处理率相当低。2 0 0 4 年7 月6 日，国家环保总局副局长潘岳在通报我国城市污水处理状况时指出，我国城市 污水处理厂的建设速度远低于城市数量与规模扩张速度，现有6 6 0 个设市城市 中，6 l5 仍然没有污水处理厂。尽管国家安排了大量国债资金用于建设城市 污水处理厂，却出现投资浪费、管网设施不配套、运行费用不落实的问题，国 家投巨资建设的城市污水处理设施无法得到有效利用，部分建成污水处理厂能 力闲置，约2 3 的污水未经处理就直接排入江河。 d 另外，我国有2 3 以上的污水处理厂仍然是“纯”事业单位，企业对成本和 收益的控制能力较差，政府的监督管理也难以到位。多数城市污水处理费开征 面小、标准偏低、收缴率不高，征收的费用无法保证污水处理设施的正常运营， 导致污水处理厂建成后，只要运行每天都会赔本，成为当地政府的个经济包 袱。 1 4 本课题研究内容 当前我国城市河流及其它水体的环境质量日趋严峻，为了解决可用水资源 的减少和水质不断恶化问题，大多数城市己经兴建或正着手筹建集中污水处理 厂及配套管网收集系统。在这些城市中，除开发区及一些新建区采用雨、污分 流排水体制外，其余地区大都采用旧合流制排水管渠系统，通过直排式合流管 渠，将雨水和生活污水就近排入城市水体，旧城区雨水与污水合流制排水系统 的改造己成为当务之急。 安庆市新河为历史上修建的人工河道，用于安庆市区内东南部地区的排水。 现阶段因生活污水和工业废水过量排放己造成新河水污染严重。自上世纪8 0 年代起，安庆市城市建设相关规划就将大湖和新河区域确定为风景区，而当前 大湖和新河水质均因污染达不到规划要求的景观用水标准1 6 ”。为改善整个大 湖风景区的环境状况，已完成了大湖周边及新河两岸部分工业企业污水和居民 生活污水的截流改道，同时规划对新河两岸污水进行截流，本课题研究的目的 就是为截流式合流制管网确定合理的截流倍数，使新河水质达到规划的景观用 永水质。 本课题研究的主要内容有： 1 、收集与新河相关水文、水质、气象等观测、实验资料和污染情况材料， 并预测分析规划年新河区域污水排放量： 2 、根据新河水质的物理、化学、生物变化规律，建立新河水质模型。 3 、通过对现状水文水质条件的调查，结合规划年新河水文条件，确定模型 的相关参数。 4 、运用水质模型，对各排污口不同排污量与新河水质的关系进行综合分 析，确定新河合流制管网的截流倍数，使新河水质符合景观用水水质标准， 同时为合理确定城市排水工程和污水处理厂规模提供必要的基础数据。 第二章新河地理环境状况 2 1 自然地理及社会经济概况 新河位于安庆市市区中部，现状河宽l o 一2 7 m 不等，是历史上修建的人工河 道，新河南起金家闸，经龙狮桥至大湖闸，转向东面秦潭湖，用于安庆市区内东 南部地区的排水与蓄水。大湖周边及新河两侧工矿企业外排废水在新河闸口交 汇排入长江，现状新河生活污水和工业废水过量排放已造成河水污染严重 1 8 】_ 【12 1 。 新河两岸用地主要有：工业用地、居住用地、农业菜地及鱼塘。新河沿线 工业企业主要有南风化工1 、市化工总厂、香皂厂及高河造纸厂卫生纸分厂等。 新河两岸尚有行政事业单位6 家，小学一所，用地均较少。该区域现总居住人 口近l 万人，居住用地主要分五片集中： 片：新河以西包括新河小区、地质新村、四七七厂宿舍等住宅小区，现 居住人口约6 2 0 0 人： 二片：位于新河以东，菱湖南路与化工总厂污水处理站之间，现状大多均 为农民自建的居民区，局部为南风化工厂的宿舍； 三片：香皂厂宿舍，居住2 1 6 人； 四片：龙狮桥蔬菜开发公司住宅，居住5 2 5 人； 五片：郊区水利局宿舍区居住人口约3 6 0 人。 2 2 新河排水现状 本次整治新河段从金家闸泵站至太湖闸全长21 k m ，是大湖通往长江的重 要通道，又是接纳截污大沟汇集雨水的渠道，它担负着周边2 5k m 2 汇水区的排 水任务。现阶段新河年接纳工业废水约4 0 0 万吨，大湖年接纳工业废水约为1 5 0 万吨，大潮接纳的污水全部经新河排入长江。 新河上游大湖闸湖口处有安庆市福利建材厂及安庆市氮肥厂污水排入：大 湖闸处有d n l 2 0 0 及d n 8 0 0 污水管按入新河；菱南桥以东的路南有1 5 0 0 1 5 0 0 雨水排水箱涵接入新河，桥西有6 0 0 0 1 6 0 0 截污箱涵排入新河；华中路有 d n 4 0 0 、d n 6 0 0 、d n 8 0 0 接入：人民路桥南端东、西两侧分别有一个排水箱涵 排入新河。新河两侧工矿企业废水及沿岸居民区及单位生活污水也都经直泄式 合流制管道排入新河，自大湖闸至金家闸段沿河两岸有十几个污水排放口，排 水状况比较混乱。 6 2 3 新河排水存在问题 新河区域排水缺乏统一规划和管理，目前存在的问题主要有： l河水污染严重，同时由于多年未清淤，河道淤积较多，部分河道日渐 变窄影响排涝能力。 2 新河两岸环境卫生极差，雨季脏水横流。 3新河两岸市政基础设施不齐全，两侧大部分住宅都不设化粪池，污水 直接排入新河。 4现状新河接纳污水量已严重超过其环境容量，上游水质在大湖闸处己 污染严重，水体中b o d ，、c o d c ，值均己超过其规划要求数值，溶解氧 值低于1 o m g l 。 5上游大湖因众多企业排污，已污染严重，水质低于规划要求的三类水 质标准。 7 3 1 概述 第三章水质数学模型 水质模型是描述水体中物质混合、迁移和转化规律的数学模型的总称。水 质模型除要考虑物理的作用以外，还要涉及水体中污染物质的生物化学反应。 目前，由于生化反应模型试验的相似率问题尚未解决，因此水质模型主要不是 满足定相似关系的物理模型，而主要是数学模型。建立的水质模型是在分析 各种水环境中所发生的物理、生物和化学现象的基础上，根据物质质量、能量 和动量守恒的基本原理，应用数学的方法建立计算模型，采用一些单项的物理 或生物化学实验和人工观测资料来帮助确定模型的参数，通过模型计算来模拟 或预报水质在时间和空间上的变化，从而为水体环境质量预测、水污染控制规 划、工程环境影响i ；、f 价以及水资源的规划、管理和控制服务i l 。 3 2 水质模型发展概况 自1 9 2 5 年斯特里特费尔普斯( s t r e e t e r p h e l 口s ) 第一次建立水质模型以来， 水质模型的开发与研究可分为四个发展阶段f l ”。 第一阶段( 1 9 2 5 1 9 6 5 年) ：开发了比较简单的生物化学需氧量( b o d ) 和 溶解氧( d 0 ) 的双线性系统模型，对河流和河口的水质问题采用了一维计算方 法进行模拟。 第二阶段( 1 9 6 5 1 9 7 0 ) ：随着人们对生物化学耗氧过程认识的深入以及计 算机的应用，除继续研究b o d d o 模型的多维参数估值问题外，将水质模型扩 展为六个线性系统模型。研究的水质问题除河流、河口外，进一步发展到模拟 计算湖泊及海湾的水质问题，水质模拟方法从一维发展到二维。 第三阶段( 1 9 7 0 1 9 7 5 年) ：研究发展了相互作用的非线性系统水质模型， 以及生物生长率同这些营养物质、阳光、温度的关系，浮游植物与浮游动物生 长率之间的关系。其相互关系都是非线性的，一般只能用数值法求解，空间上 用一维及二维方法进行模拟计算。 第四阶段( 1 9 7 5 年以后) ：除继续研究第三阶段的食物链问题外，还发展 了多种相互作用系统，涉及到与有毒物质的相互作用。空间尺度到了三维。随 着模型的复杂化，要准确描述模型的性质是很困难的。某些模型中状态变量的 数目已大大增加，有2 0 个或更多状态变量的水质模型己不少见。目前对环境污 染问题的研究，已发展到将地面水、地下水的水质水量与大气污染相互结合， 建立综合模型的研究阶段。同时，由于水环境问题的复杂性和不确定性，在水 质预测中，已经开始进行水质的非确定性模拟与预测，为水质控制与规划提供 更为丰富的信息。 8 3 3 水质模型的分类 水质模型是一个用于描述物质在水环境中的混合、迁移过程的数学方程， 即描述水体中污染物与时间、空间的定量关系。它通常涉及到解基本方程的技 术，而其结果的可靠性不会超过所使用的方程的可靠性。水质模型按照用途、 性质以及系统工程的观点，有以下几种几分类f 1 “。 1 以水环境规划和管理为日的，水质模型可分成三类，即河流的、河口 的和湖泊( 水库) 的水质模型。其中以河流的水质模型比较成熟，能 够比较真实地描述水质行为，所以应用得较普遍。 2 ，按照模型中采用变量的多少划分，即模型模拟水质组分的数目，水质模 型可以分为单一组份的、耦合的和多重组份的三类。单一组分模型描 述单一水质变量的变化过程，例如模型变量为b o d 或c o d 时，有时 称为有机污染水质模型；耦合模型描述两个水质变量的变化过程，如 模型描述b o d 和d o 时，称为b o d d o 耦合模型。多重组分水质模 型比较复杂，它可以考虑较多的水质因素。模型变量和数目的选择， 主要取决于模型应用的目的和实际资料条件。 3 根据随时间变化情况，可以把水质模型分为稳态的和非稳态的两类。 这两类水质模型的不同之处在于水力学和排放条件是否随时间变化。 不随时间变化为稳态，反之为非稳态水质模型。 4 根据水质模型方程中参数的数量，可划分为：零维、一维、二维和三 维的水质模型。零维模型用于最简单的、理想的状态下的水质预测； 一维模型用于断面平均流量参数，并考虑参数在纵向方向上的变化； 二维模型不仅具有一维模型的特点，同时还考虑参数在横向方向上的 变化；三维模型用“点”流量参数，它不仅考虑纵横两个方向上的参 数变化，而且还考虑参数在垂直方向上的变化。 河流、湖泊、水库、河r i 等水体的污染问题，严格地说，都是三维结构。 但实际上，往往可以根据混合情况，将某些水体的水质计算简化为二维、一维 乃至零维来处理。 3 4 河流水质模型参数的估计 新河水环境预测中采用的s p 水质模型，在水环境容量预测方面应用最为 广泛，是生化需氧量b o d 和溶解氧d o 的耦合模型。模型中运用中有两个重要 参数，耗氧系数k l 和复氧系数k 2 。耗氧系数是一个统计平均值，有机生物化 学需氧量降低的速度与它剩余的未氧化物质的需氧量成比例( 即呈一级反应) ， 这个比例常数k l 即称为耗氧系数。复氧系数应反映大气向水体复氧的相对速 率。这两个参数的确定，是利用模型预测水质、分析水环境容量的必要前提， 也是运用模型进行水质预测的基础。而流速、流量等水力学参数及温度等也将 对模型产生较大影响。因此，这些参数的确定对求解水质模型方程相当重要。 影响k ，值的因素主要有温度、流速、污水性质等。水体复氧的速率常数 k ：与水流的流速成正比，而与水深成反比，并且与水面、河底比降、粗糙系数、 分子扩散、温度、水粘滞系数、表面张力、重力加速度等因素有一定的关系。 河流水质模型所涉及到的参数较多，包括河流水力学参数( 流速、流量等) 、 耗氧系数k 。、复氧系数k ：。单地估计这些参数值的方法目前常用的有经验 公式法、实验室试验测定法、野外实测法。 经验公式是建立在大量实际资料基础上的，并在一定范围内满足生产上的 需要。对河流水力学参数( 流速、流量等) 、耗氧系数k - 、大气复氧系数k ：进 行估计的公式较多。应用条件不同，适宜的经验公式也不同。采用经验公式法 进行参数估计比较简便，但往往误差较大。 实验室试验测定法主要用于估计耗氧系数k 。的数值。根据实验室试验数 据，从b o d 反应公式出发，可以用多种不同方法估算的k l 的数值，t h e r i a u l t 的最小二乘法、t h o m a s 斜率法和r h a m e 两点法应用最为广泛。 野外实测法采用不同方法分别对耗氧系数k 。、复氧系数k ：进行估计，其 中对耗氧系数k ，的估计常分为碳化耗氧、硝化耗氧两部分；对复氧系数k 2 的 估计途径有：测定夜间d o 深度变化，估算k ：值；示踪法测定k 2 值；溶解氧 平衡法；扰动平衡法。 这些方法各自分别估计单一参数是比较简单的，但单一地估计参数很难考 虑与别的参数之间的协调关系，或者只能在个别参数确定之后，借用其值代入 求解。同时估计河流水质模型中的多个参数，相对来说比较复杂，但其从整体 出发，运用最优化方法，所求的参数值比较更接近于实际情况，使模型的准确 性和可靠性大大提高。 3 。4 1 用经验公式法估计对河流水力学参数 新河中的水流属于明渠水流。明渠是一种人工修建或自然形成的渠槽，当 液体通过渠槽而流动时，形成与大气相接触的自由表面，表面上各点压强均为 大气压强。明渠中水流可分为两种，恒定流和非恒定流。当明渠中水流的运动 要素不随时间而变时，称为明渠恒定流；否则称为明渠非恒定流i i 。 天然河道多属于明渠非恒定流，反映明渠非恒定流运动的控制方程是圣维 南方程。因此多数河流的水力计算中采用渐变非恒定流方程组，即圣维南方程 组。它适用于河网的交汇点、边界条件、闸坝堰等。 型。f “ 函 i g f 孵，r ) ：o l “j ot“ o 甜一 ，：， + 驴 、ill，i 。旦扩 ，l 巧瓦 、lll 厅 式中：矢量，= ( h ( x ，t 1 ，u ( x ，t ) ； h ( x ，t ) 一一沿明渠的水深( m ) ； u ( x ，t ) 一一流速( m s ) ； x 一一沿河流方向的位移( m ) ； t 时间( s ) ； q ( x ，t ) 一源汇项( m 3 s ) ： g 一一重力加速度( m s 2 ) ： j o 一一底坡。 规划中新河河道均匀，宽度为2 5 2 7 m ，河道经整治后比较顺直，水位和 流量关系稳定，故可采用明渠恒定均匀流计算。由谢才公式及连续性方程： g = 爿v = 常数 ( 3 2 ) v = c | r ， ( 3 3 ) q = 4 c 日 ( 3 4 ) 1 c = 二r “6( 3 5 ) ” 1 即得：“= 二r 3 ! ( 3 6 ) 疗 式中：u 平均流速，( m ，s ) ： n 一河床粗糙系数： c 一一谢才系数： r 一一水力半径，m ： i 一水面比降。 3 4 2 用最速下降法估汁耗氧系数、复氧系数 最速下降法是一种非线性参数估计方法，对于给定的一条均匀河流的s p 模型，在假定河流的流量不随时间变化，排污量亦稳定，忽略弥散的情况下， 由式( 3 - 7 ) 、( 3 8 ) 及式( 3 9 ) 组成的方程组求解： 竺：z ， ( 3 7 ) 破、 丝+ “丝：一k ( 3 8 ) 删出 署+ z ，豢瑙“墨( e 一 ( 3 9 ) 式中 l 一河水中的生化需氧量( b o d ) 浓度( m g l ) ； c 一一河水中溶解氧( d 0 ) 含量( m 誊l ) ； c 。一一水中饱和溶觯氧浓度( m g l ) ： k l 一级衰减反应速率常数( 1 d ) ； k z 一一河水复氧速率常数( 1 d ) ； u 河流平均流速( m s ) ； 为了简化参数k 。，k 2 的确定过程，需要固定函数和结构以便成为确定参 数k 1 ，k 2 的问题。若假定：所取河段很短，近似认为其流速不变，用距离l 代替t ，进行一系列推导和简化，求解问题可间化为一个只含k 。，k 2 的两维问 题。用关于溶解氧的一系列的实测数据来确定k ，和k ：的值。 三= l p ” ( ，= 韵 ( 3 1 0 ) c = e 一( e c o ) p “：+ ! ( p “r p “。) ( 3 1 1 ) a 7 一a 二、 。 以护永+ 燕卜专 | ( 3 - 1 2 ) 式中j ( k 1 ，k z ) 为搜索函数，为测量值和模拟计算的值的平方差之和， 那么参数估计问题可表达为：使j 变为最小，可确定参数k ，k ：的值。 k 的值可由( 3 1 0 ) 方程采用一维搜索求出，k 2 则可由使得d o 的误差平 方之和为最小求出，即当j ( k 1 ，k 2 ) 取得最小值时求出。 参数k 1 、k 2 求解步骤如下【1 7 】_ 1 2 1 j ： 1 ) 以现有水质条件代入，给定k l 、k 2 的初始值k l o 、k 2 0 ，并确定函数j ( k 1 、 k 2 ) 的下降方向一vj ( k i 、k 2 ) ，以最速下降法搜索k l 、k 2 的值。 2 ) 在计算中若j j ( 。，( k f 、k 2 ) 一j ( n _ 1 ) ( k l 、k 2 ) ； ； u 河流平均流速( m s ) ； d 一弥散系数： 考虑到规划年新河河道仅2 5 2 7 m 宽，且弪过规划整修后河段是均每的， 即河流断面和流速都是常数。在排污时可采用同一断面多点排放的方法，使污 水与河水混合均匀，假定污水入流后立即与河水完全混合，因此不考虑弥散迁 移作用，可用数值方法求解上述方程。有限差分法是一种比较好的数值方法， 它是用差分商近似代替方程的微分商。应用有限差分法的条件在于假定河流为 均匀的而且流量不变的河流。这些假设可以使问题简化，应用有限差分法需要 对时间和空问坐标进行离散化，为了讨论方便取： f ，= j f 式中：出一空间坐标离散化间距( m ) ： 出一时间坐标离散化间距( s ) ； 设格点( 孙t ，) 处的浓度为： l ( x 。t j ) = l j l 越 耳一一耳 0 f， 丝：望二竺! 芒kf 如果采用后向差分体系，方程( 4 7 ) 的解就变成以下差分方程： 华栅学一碑 = ( ，一剖即拦瑙，心 同理，可推导出d o 模型方程： c = ( ，一尝) c ? + ( 芸氆z ) 酝一盘 式中：c 。水中饱和溶解氧浓度( m g l ) ； k l 一一一级衰减反应速率常数( l d ) ； k 2 一一河水复氧速率常数( l d ) ； u 一河流平均流速( m s ) 。 4 1 2 零维水质模犁 ( 4 3 ) ( 4 4 ) ( 4 5 ) ( 4 6 ) 根据2 0 0 2 年安庆市新河综合整治规划中河道部分，规