（土木工程专业论文）应用Fluent软件进行堰式溢流井的三维模拟计算.pdf

摘要 摘要 近二十年来， 随着计算机软硬件技术的迅速发展， 基于计算流体力学的数值 模拟技术， 以其显著的优势在各个领域中得到了越来越广泛的应用。 适应于我国 城市基础设施建设蓬勃发展和工程实践的客观要求， 本文围绕合流排水系统雨水 溢流井的三维数值模拟方法和应用技术进行研究， 并进行了溢流并稳态运行工况 水力水质模拟计算。 雨水溢流井是截流式合流制排水系统的重要组成部分， 也是城市河道水体污 染的重要污染源， 目 前国内在溢流井三维模型数值计算程序开发、 模型输入与输 出 表达、 模型可视化研究等方面的文献较少。 计算流体动力学 ( c f d ) 软件是专 门用于进行流场分析、 计算和预测的软件。 运用c f d 软件，可以分析并且模拟显 示发生在流场中的现象， 在比较短的时间内， 通过改变各种参数， 达到最佳设计 效果。本文利用通用c f d 软件f l u e n t ，对溢流井模拟方法进行了研究，主要内容 包括: 1 、进行溢流井三维水动力学模型原理的研究，建立校核溢流井设计方案的 模拟计算方法。 2 、选取最常用的溢流堰式雨水溢流井作为计算模型，针对合流管道设计流 量和截流管道设计流量两种设计工况，分别模拟正堰( t r a n s v e r s e w e i r ) 、侧堰 ( s i d e w e i r ) 和斜堰( o b l i q u e w e i r ) 溢流井的三维流场分布，并分析设计参数对 模拟结果的影响。 3 、基于水力模拟的结果，使用混合模型和欧拉模型进行悬浮颗粒污染物随 水流运动的固液两相流模拟，并进行了比较和分析。 4 、采用可视化技术表达三维模拟计算结果，直观显示三维流场的各种内部 信息。 本研究涉及三维水动力学模型、 数值计算、 网格生成技术、 紊流模型、 多相 模型等方面内 容， 为开展溢流井三维水动力学模型的研究与应用进行了 有益的探 索。 关键词:溢流井，计算流体动力学，紊流模型，网格生成，f l u e n t 摘要 abs tract wit h t h e d e v e l o p m e n t o f c o m p u t a t i o n a l t e c h n o l o g y , n u m e r i c a l s i m u l a t i o n t e c h n o l o g y , w h i c h i s b a s e d o n c o m p u t a t i o n a l f l u i d d y n a m i c s ( c f d ) , h a s b e e n p l a y i n g a m o r e a n d m o r e i m p o r ta n t r o l e i n m a n y fi e l d s b y i t s u n i q u e m e r i t s a n d p r o m i s i n g p r o s p e c t i n t h e p a s t t w o d e c a d e s . u n d e r t h e b a c k g r o u n d o f e n g i n e e r i n g p r a c t i c e , t h i s t h e s i s f o c u s e s o n t h e t h r e e - d im e n s i o n a l n u m e r i c a l s i m u l a t i o n t e c h n o l o g y f o r c o m b i n e d s e w e r o v e r fl o w c h a m b e r s . t h e卜d r o d y n a m i c a n d w a t e r q u a l i t y r e s e a r c h o n t h e s t e a d y s t a t e m o d e l i n g o f c o m b i n e d s e w e r o v e r fl o w c h a m b e r s a r e p r e s e n t e d . c o m b i n e d s e w e r o v e r fl o w ( c s o ) c h a m b e r s a r e t h e i n t e g r a l c o m p o n e n t s o f m o s t c o m b i n e d s e w e r s y s t e m s a n d a r e r e g a r d e d a s t h e s i g n i f i c a n t s o u r c e o f u r b a n w a t e r c o u r s e p o l l u t i o n . n o w a d a y s t h e r e i s s t i l l l a c k o f o v e r fl o w c h a m b e r m o d e l s i n o u r o w n c o u n t ry o n t h r e e - d i m e n s i o n a l n u m e r i c a l c o m p u t a t i o n c o d e s d e v e l o p m e n t , m o d e l i n p u t a n d o u t p u t , m o d e l v i s u a l i z a t i o n . f l u e n t , a k i n d o f f a m o u s g e n e r a l c f d s o f tw a re , i s u s e d t o m o d e l c o m b i n e d s e w e r o v e r fl o w c h a m b e r s . i n t h i s p a p e r , t h e r e s e a r c h w o r k i s m a i n l y f o c u s e d o n t h e f o l l o w i n g a s p e c t s : 1 . s t u d y o n t h r e e - d i m e n s i o n a l h y d r o d y n a m i c m o d e l m e c h a n i s m a n d s i m u la t i o n m e t h o d t o c a l i b r a t e t h e d e s i g n o f c o m b in e d s e w e r o v e r fl o w c h a m b e r s . 2 . t h e w i d e l y u s e d o v e r fl o w w e i r c h a m b e r s a re tr a n s f o r m e d t o t h e c o m p u t a t i o n a l m o d e l s , a n d t h e t h r e e - d i me n s i o n a l n u me r i c a l s i mu l a t i o n o f d i ff e r e n t k i n d s o f o v e r fl o w we i r c h a mb e r s i s c a r r i e d o u t . 3 . b a s e d o n t h e h y d r a u l i c m o d e l i n g r e s u l t s , t h e t w o - p h a s e fl o w w h i c h c o n s i s t s o f s u s p e n d e d p a r t i c l e s a n d w a t e r i s s i m u l a t e d b y t h e mi x t u r e m o d e l a n d e u l e r i a n m o d e l . 4 . t h e c o m p u t a t i o n a l r e s u l t s a r e p r e s e n t e d w i t h v i s u a l i z in g t e c h n i q u e s t h i s s t u d y i s c a r r i e d o u t w i t h t h r e e - d i m e n s i o n a l h y d r o d y n a m i c m o d e l , n u m e r i c a l c o m p u t a t i o n , m e s h g e n e r a t i o n t e c h n i q u e , t u r b u l e n t fl o w m o d e l a n d m u l t i p h a s e m o d e l . i t i s i n t e n d e d t o p r o m o t e t h e f u rt h e r d e v e l o p m e n t a n d a p p l i c a t i o n o f t h r e e - d i m e n s i o n a l n u m e r i c a l s i m u l a t i o n t e c h n o l o g y f o r c o m b i n e d s e w e r o v e r fl o w c h a m b e r s . k e y w o r d s : o v e r fl o w c h a m b e r , c f d , t u r b u l e n t fl o w m o d e l , m e s h g e n e r a t i o n , f l u e n t 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容:按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本;学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、 数字化或其它手段保存论文; 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再者，调蓄合流污水量最终要通过污水泵提升至截流干管 ( 极少数有高差利用的城市除 外) ， 造成日常运行、维护、管理的不便，同时也增加了污水处理厂的负荷及运行费用， 所以只有在充分论证无实施分流制的可能性后才予以采用。 4 )在截流式合流制基础上，对溢流混合污水进行处理 如果城市周围水体自 净能力有限，水体环境相对脆弱，当采用截流式合流制排水管 渠系统时， 在溢流污水排入水体前必须进行处理， 针对合流污水水量大、 浓度低的特点， 可采用一级处理，选择筛滤、混凝沉淀、投氯消毒的处理工艺，合流污水经处理后污染 物浓度可显著降低，从而大大减轻对水体的污染。 同 样， 该措施由 于考虑雨水的处理， 与前种情况存在类似的不足: 日 常运行费用高， 分散处理设施远离城市集中污水厂， 在运行、维护、管理上均存在诸多不便。 根据我国城市水污染控制政策要求， 应加强城市市政排水管网的改造、 调整和建设， 做到雨污分流， 为城市污水集中处理创造条件。 因此， 城市旧合流制排水管渠系统的改 造措施， 应优先考虑分流制， 在实施难度较大的 情况下可考虑采用截流式合流制排水管 渠系统。第三、四种情况，是在截流式合流制基础上加以改进，具有一定的特殊性。 1 . 1 . 2截流式合流制排水管网系统的运行特点 截 流 式合 流 制 管网 系 统的 运 行 特点 是 s 1 , 功 晴天时，管网系统在非满流条件下运行，一般充满度较小、流速也较小。在不 设底流槽条件下， 均有大量固体颗粒沉积于管底， 全部污水均送至城市污水厂进行处理。 2 )降雨初期或小雨时，管网内流量未超过截流干管和污水厂的处理能力，截流干 管在非满流或满流条件下运行，全部雨污水可送到污水处理厂处理。 3 )出 现超过截流千管输水能力的大雨时，溢流井发生溢流，混合污水溢入水体， 不可避免地造成受纳水体局部污染。 4 )雨停后，当管网内流量小于截流干管的输水能力时，全部污水流至污水厂，溢 流井不再溢流。 在合流管道和截流管道的交接处， 应设置溢流井以 完成截流( 晴天) 和溢流( 雨天) 的作用。图1 - 1 是合流制排水系统示意图 4 3 1 ， 截流式合流制排水系统并没有杜绝污水对 水体的污染， 雨天有部分棍合污水直接排入水体， 这部分混合污水不仅含有旱流污水和 雨水径流带入的大量污染物， 而且夹带有晴天沉积在管底的污染物。 如果溢流井设计不 第 1 章 绪论 这种情况下可在截流干管适当位置设置合流污水调蓄构筑物， 将超过截流干管转输能力 及污水厂处理能力的合流污水引入调蓄构筑物暂时储存， 待暴雨过后再通过污水泵提升 至截流干管，进入污水厂进行处理，保证水体不受或少受污染。但是，这种调蓄构筑物 往往占 地面积大， 并且雨水量不是定值， 合理确定合流污水调蓄构筑物容积有较大难度; 再者，调蓄合流污水量最终要通过污水泵提升至截流干管 ( 极少数有高差利用的城市除 外) ， 造成日常运行、维护、管理的不便，同时也增加了污水处理厂的负荷及运行费用， 所以只有在充分论证无实施分流制的可能性后才予以采用。 4 )在截流式合流制基础上，对溢流混合污水进行处理 如果城市周围水体自 净能力有限，水体环境相对脆弱，当采用截流式合流制排水管 渠系统时， 在溢流污水排入水体前必须进行处理， 针对合流污水水量大、 浓度低的特点， 可采用一级处理，选择筛滤、混凝沉淀、投氯消毒的处理工艺，合流污水经处理后污染 物浓度可显著降低，从而大大减轻对水体的污染。 同 样， 该措施由 于考虑雨水的处理， 与前种情况存在类似的不足: 日 常运行费用高， 分散处理设施远离城市集中污水厂， 在运行、维护、管理上均存在诸多不便。 根据我国城市水污染控制政策要求， 应加强城市市政排水管网的改造、 调整和建设， 做到雨污分流， 为城市污水集中处理创造条件。 因此， 城市旧合流制排水管渠系统的改 造措施， 应优先考虑分流制， 在实施难度较大的 情况下可考虑采用截流式合流制排水管 渠系统。第三、四种情况，是在截流式合流制基础上加以改进，具有一定的特殊性。 1 . 1 . 2截流式合流制排水管网系统的运行特点 截 流 式合 流 制 管网 系 统的 运 行 特点 是 s 1 , 功 晴天时，管网系统在非满流条件下运行，一般充满度较小、流速也较小。在不 设底流槽条件下， 均有大量固体颗粒沉积于管底， 全部污水均送至城市污水厂进行处理。 2 )降雨初期或小雨时，管网内流量未超过截流干管和污水厂的处理能力，截流干 管在非满流或满流条件下运行，全部雨污水可送到污水处理厂处理。 3 )出 现超过截流千管输水能力的大雨时，溢流井发生溢流，混合污水溢入水体， 不可避免地造成受纳水体局部污染。 4 )雨停后，当管网内流量小于截流干管的输水能力时，全部污水流至污水厂，溢 流井不再溢流。 在合流管道和截流管道的交接处， 应设置溢流井以 完成截流( 晴天) 和溢流( 雨天) 的作用。图1 - 1 是合流制排水系统示意图 4 3 1 ， 截流式合流制排水系统并没有杜绝污水对 水体的污染， 雨天有部分棍合污水直接排入水体， 这部分混合污水不仅含有旱流污水和 雨水径流带入的大量污染物， 而且夹带有晴天沉积在管底的污染物。 如果溢流井设计不 第 i 章 绪论 合理，实际截流量有可能大于设计截流量，这将导致下游泵房超负荷运行，甚至淹没泵 房， 或是实际截流量可能小于设计截流量，造成大量污水溢入受纳水体，超过受纳水体 的污水允许排放量， 污染环境。 大多数工程的截流量控制是通过溢流堰或者溢流管来实 现的， 按目 前传统的设计方法设计出的溢流井在实际运行时，能否使实际截流量和设计 截流量吻合，成为一个重要的研究课题。 图例 1 i - . 卜 期望流向 非期望流向 图 1 - 1合流制排水系统示意图 1 . 1 . 3本课题的研究愈义 雨水溢流井是合流制排水管网中的重要附属构筑物， 它的投资虽然只占整个污水截 流工程的百分之几， 但它关系到截流工程的成败， 关系到整个截流工程的经济效益、 社 会效益和环境效益。 直到目 前国内 对溢流井的功能、 构造、 运行状况和设计计算等的深 第 i 章 绪论 合理，实际截流量有可能大于设计截流量，这将导致下游泵房超负荷运行，甚至淹没泵 房， 或是实际截流量可能小于设计截流量，造成大量污水溢入受纳水体，超过受纳水体 的污水允许排放量， 污染环境。 大多数工程的截流量控制是通过溢流堰或者溢流管来实 现的， 按目 前传统的设计方法设计出的溢流井在实际运行时，能否使实际截流量和设计 截流量吻合，成为一个重要的研究课题。 图例 1 i - . 卜 期望流向 非期望流向 图 1 - 1合流制排水系统示意图 1 . 1 . 3本课题的研究愈义 雨水溢流井是合流制排水管网中的重要附属构筑物， 它的投资虽然只占整个污水截 流工程的百分之几， 但它关系到截流工程的成败， 关系到整个截流工程的经济效益、 社 会效益和环境效益。 直到目 前国内 对溢流井的功能、 构造、 运行状况和设计计算等的深 第 1 章 绪论 入研究和分析还较少见， 工程设计中缺少参照的标准与设计依据， 使一些截流工程投产 后达不到设计的目标，比较常见的问题是雨水截流比例过大造成污水厂进水浓度偏低。 目 前， 传统的设计方法并不能使溢流井发挥很好的功能， 对溢流井运行工况的模拟研究 是十分必要的。 第1 章绪论 1 2 溢流井的设计方法 1 2 1 溢流井的型式 溢流井的构造有多种型式。常用的有截流槽式、溢流堰式和跳跃堰式溢流井，如图 1 2 所示。截流槽式溢流井是在井中设置截流槽，槽顶与截流干管管顶相平，当上游来 水过多，槽中水面超过槽顶时，超量的水溢出排入附近受纳水体。溢流堰式溢流井是在 溢流井中设置溢流堰，当上游来水过多时，超量的水从堰项跌落排入溢流管，根据堰的 平面布置方式不同，溢流堰可分为正堰、斜堰、侧堰和曲线堰，国外多使用侧堰、斜堰 和曲线堰，国内多使用正堰，如图1 3 所示【4 ，6 1 。 截赢糟式溢流井滥藏堰式溢流井晚越堰式滥泷井 图1 - 2三种常用溢流井形式 图1 - 3 溢流堰式溢流井 第1 章绪论 此外还有钟罩虹吸式溢流井，但设计理论还不成熟，目前工程实际应用较少。钟罩 虹吸式溢流井由溢流井室、钟罩发生器和水封井等三部分所组成，见图1 4 示i ”。 1 2 2 设计要求 盟里 v 卜弋 继 吣 j娥 l 盏流管h i l l ；2 = 一 l 燃 7 j h ，一一一凇 掣f 、 ： 图1 4 钟罩虹吸式溢流井 溢流井运行中常出现的问题包括：有的型式零部件容易失灵、不可靠，维修困难； 有的需要人工操作，管理麻烦；有的型式由于设计不合理( 溢流堰长度和高度) ，致使 实际截流效果差，不能达到设计要求。所以，为使溢流井正常运行，溢流井设计应满足 以下几项基本要求： 1 ) 保证旱流时污水的截流： 2 ) 雨天时保证初期雨水的截流，当流量超过设计截流量时，能顺畅地溢流排入附 近受纳水体； 3 ) 安全可靠、截留效率高，维修量少，管理方便； 4 ) 构造简单、施工方便、造价便宜。 1 2 3 目前的设计方法 目前，溢流堰式溢流井传统的设计方法是：截流管道按满流设计，满流时堰口即开 始溢流。溢流开始时，入流管和截流出水管的水位应在同一高程，即堰口高程( 截流管 第 1 章 绪论 此外还有钟罩虹吸式溢流井， 但设计理论还不成熟，目前工程实际应用较少。 钟罩 虹吸式溢流井由 溢流井室、钟罩发生器和水封井等三部分所组成，见图1 - 4 示1 ; 卜寸 截流 图 1 - 4钟罩虹吸式溢流井 1 . 2 . 2设计要求 溢流井运行中常出现的问题包括:有的型式零部件容易失灵、不可靠，维修困难; 有的需要人工操作，管理麻烦;有的型式由于设计不合理 ( 溢流堰长度和高度) ，致使 实际截流效果差，不能达到设计要求。所以，为使溢流井正常运行，溢流井设计应满足 以下几项基本要求: 1 ) 保证旱流时污水的截流; 2 )雨天时保证初期雨水的截流，当流量超过设计截流量时，能顺畅地溢流排入附 近受纳水体; 3 ) 安全可靠、截留效率高，维修量少，管理方便; 4 )构造简单、施工方便、造价便宜。 1 . 2 . 3目前的设计方法 目 前， 溢流堰式溢流井传统的设计方法是: 截流管道按满流设计， 满流时堰口即开 始溢流。 溢流开始时， 入流管和截流出水管的水位应在同一高程，即堰口高程 ( 截流管 第 1 章 绪论 此外还有钟罩虹吸式溢流井， 但设计理论还不成熟，目前工程实际应用较少。 钟罩 虹吸式溢流井由 溢流井室、钟罩发生器和水封井等三部分所组成，见图1 - 4 示1 ; 卜寸 截流 图 1 - 4钟罩虹吸式溢流井 1 . 2 . 2设计要求 溢流井运行中常出现的问题包括:有的型式零部件容易失灵、不可靠，维修困难; 有的需要人工操作，管理麻烦;有的型式由于设计不合理 ( 溢流堰长度和高度) ，致使 实际截流效果差，不能达到设计要求。所以，为使溢流井正常运行，溢流井设计应满足 以下几项基本要求: 1 ) 保证旱流时污水的截流; 2 )雨天时保证初期雨水的截流，当流量超过设计截流量时，能顺畅地溢流排入附 近受纳水体; 3 ) 安全可靠、截留效率高，维修量少，管理方便; 4 )构造简单、施工方便、造价便宜。 1 . 2 . 3目前的设计方法 目 前， 溢流堰式溢流井传统的设计方法是: 截流管道按满流设计， 满流时堰口即开 始溢流。 溢流开始时， 入流管和截流出水管的水位应在同一高程，即堰口高程 ( 截流管 第 1 章 绪论 段采用沟底平接) 。堰门与上游合流管道垂直，如果需要增加堰口长度，也可斜设。 上游合流污水流量上升时，溢流井中水位随之上升，溢流量逐渐加大。这时，截流 管道从重力流转入压力流， 流量随之变动。 截流管道终端应设检查井控制流量，以免污 水厂来水过多而泛滥。设计还必须满足溢流排水管的管内底标高 ( 或溢流堰堰顶标高) 高于受纳水体的水位标高， 否则需在排出口 设置刚性或柔性的止回阀或防潮门，以防受 纳水体水倒灌入管网，造成泵站淹没。 在溢流井水力设计中，主要是堰口高程的确定和堰口 长度的核算。 1 )确定堰口 高度 a 、上游合流管道设计流量等于径流设计流量4 、 与污水设计流量q 之和，即 q , l 0 9 , +q ， ，( 1 . 1 )q v w b 、下游截流管道设计流量按如下公式计算: q v 2 = n o q - 或 ( n o + 1 ) q 司 ( 1 .2 ) 刀 。 为截流倍数，决定于环境质量要求和经济条件。 c 、计算截流管道满流时，上游合流管道中的充满度h 心。 d 、溢流堰口高程=上游合流管道管底高程+h a堰高是以截流污水在合流管内明渠 均匀流时的水深为准。 进行截流管道系统设计时， 应该根据截流量值确定截流管管径及坡度， 而且确定截 流管的管径时必须进行流量校核， 保证早季管内流速大于自 清流速， 防止悬浮物质沉淀 后淤塞截流管道，同时防止雨季时截流量过大3 2 )堰口 长度核算 堰口与上游合流管道 ( 直径一般大于 1 m)垂直时， 若溢流堰末端堰顶水深过大， 宜适当增加堰口长度，改变截流井平面布置。堰口流量公式为: _ _， ， 一 3 q =c l ( h + - ) 0 乙 g ( 1 . 3 ) 式 中 ， v 2 2 g 为堰口附近流速水头，可采用上游合流千沟的设计流速水头:h 为溢流堰末 端堰 顶水深: l 为堰口 长度; c可采用1 . 8 尹 。 溢流堰建成后， 水流中挟带的泥砂沉积物易沉积在堰前处， 特别是早流季节， 水流 流速小，泥砂更易沉积，影响水力条件，影响截流管道的截流量。必要时可在堰前底部 设置泄污管， 并装上阀门， 每隔一定时间清淤排泄一次，以 保证溢流井正常运行9 。 3 ) 截流倍数n o 截流倍数n o 是截流式合流制排水体系规划设计中 最重要的参数， 也是工程实施的 重 7 第 1 章 绪论 要依据， 如选择偏小， 将会允许过多的污水溢流，造成环境污染: 选择过大， 截流干管 和污 水厂的 规 模就要加大， 增 加基建 投资 和 运行费 用。 室外排水设计规范 ( g b j 1 4 - 8 7 ) 规定截流倍数一般采用1 -5 ， 但它的合理选用比较困难，涉及许多技术经济因素。有资 料表明 ， 当 截流倍数选择1 和 2 时， 其工程投资 及 运转费 用相差近一倍 i i i 。 合理选取 n o 具 有重大的意义， 它直接影响截流管道的管径和坡度， 影响污水厂提升泵房的规模和设备 选型。 目 前国内大多数工程设计中，选择截流倍数时，仅基于对溢流水量和溢流次数的考 虑， 并未对溢流过程及受纳水体水质变化作相应的分析， 对受纳水体水质的影响仍停留 在定性的和概念性的描述， 很难保证受纳水体不受污染. 从理论上分析， 选择截流倍数 时， 应结合当地的暴雨强度和设计重现期， 利用径流模型计算出合流管中混合污水的水 量、水质，再根据预定截流倍数所得截流水量，推算溢流水量，然后采用环境影响评价 中河流水质模型对水体水质作预测， 依据预测结果判断n o 取值的合理性， 如果不能满足 水体水 质要 求， 则需重新 试算。 河 海大学 王文远 等 1 0 在分析研究现有各种数学 模型的 基 础上，开发了专门用于截流倍数选择的软件 简称n 。 软件) ，作为选择、分析截流倍数 的 工具。 段余杰 1 3 1 提出， 在南方多 雨地区 截流收 集局部老城和旧 村片区 污水时， 截流 倍 数n 。 应取为0 ， 而不宜按规范中推荐的1 -5 来取值。 图1 - 5 为截流倍数的分析流程图 1 2 1 图1 - 5 截流倍数分析流程图 第 1 章 绪论 1 . 2 . 4国内 外对溢流井的研究现状 合流制排水系统溢流井的流量由 三部分构成: 进水流量、 截流流量和溢流流量。 溢 流流量或排入附近水体， 或进入调节池暂时储存。 溢流污染物包括有机物、 毒素、 细菌、 沙砾、污泥、色度、表面活性剂等。据调查，1 9 5 3 年一 1 9 5 4 年，由伦敦溢流入泰晤士河 的混合污水五日 生化需氧量浓度平均高达2 2 1 m g / l ， 而进入污水厂的污水五日 生化需氧 量 也 只 有 2 3 9 - 2 8 1 m g / l 。目 前， 国 际 上 对 合 流 制 排 水 系 统 溢 流 污 染问 题的 研究 十 分 活 跃。 1 9 9 6 年至1 9 9 9 年，斯洛伐克水研究院和斯洛伐克技术学院联合对四个城市的 3 0 0 多 个合流制排水系统溢流井进行了全面的调查和评价，并对8 次降雨进行了现场实测与分 析，采用的丹麦的mo u s e 排水模拟软件进行了降雨和污染物传输的模拟，建立了溢流 污染水质数据库。 其研究发现，有少数溢流井设计尺寸不合理地偏大，有的溢流井堰长 达5 0 米， 不能满足正常溢流的功能要求， 另一方面， 少数溢流井在旱季也是超负荷运行， 导致污水溢流， 这些溢流井水力条件不佳的主要原因是设计失误， 最普遍的问题是溢流 井上游的管段坡度太大， 导致溢流严重， 尤其正堰的阻挡加剧了溢流污染， 另一个导致 频繁溢流的原因是溢流井内和溢流井上游管道固体污染物的严重沉积， 调查发现很多正 堰溢流井内的沉积物厚度超过了 5 0 厘米 e l 德国对合流排水系统溢流状况进行了比较深入的调查与研究， 例如， 1 9 9 9 年德国的 w e l k e r , a等人 对合流制排水系统和污水处理厂的 水量水质进行了 调 研 1 , 1 9 9 8 年 a n d r e a s p e t r u c k 等用雷达预测方法进行了 合流制排水系统实时控制的 研究等等 1 7 1 另外， 丹麦、 瑞典等国 家也进行了 有关合流排水系统溢流问题的 研究和调查1 9 1 2 0 0 0 年9 月1 3 日， c i we m 会议在英国 s h e ff i e l d 大学召开，主题是 “ 合流制排水系统 溢流 所面临的 挑战与 革新 ( c s o s - t h e c h a l l e n g e s a n d l a t e s t i n n o v a t i o n s ) ， 会议 宣布 英 国环保局将推出一项重大投资计划:2 0 0 5 年3 月前对现有溢流井更新改造，提高颗粒截 留效率。 在英格兰和威尔士， 大约3 5 0 0 座不合格的溢流井将要改造，估计其中2 5 0 0 座要 通过改造提高颗粒截留效率。 颗粒截留效率定义为溢流井截留的颗粒量除以总颗粒 ( 截 留颗粒与溢流颗粒之和) 量。 要提高颗粒截留效率， 有两种方法: 增加溢流井尺寸大小 或在溢流井内 增添筛网 p s 1 在国内，溢流井的研究主要在改进设计方面，对溢流井投产后实际运行状况的调研 和评价较少。 1 9 8 6 年北京建筑工程学院与北京市政工程管理处进行了“ 污水溢流井性能研究” ， 在此基础上， 又在高碑店污水处理厂进行了三年的1 :1 生产性试验， 完成了溢流井污水 截流性能 研究 4 7 王文 远 ( 1 9 9 7 年) 1 0 、 王少林 ( 1 9 9 8 年) u 1 、 朱春龙 ( 1 9 9 9 年) p 2 和段 余杰 ( 2 0 0 2 第 i 章 绪论 年) p 3 等 对 污水 截流 工程中 截 流 倍数的 选 择 进 行了 研 究 分 析. 2 0 0 3 年刘永虹a 1提出 对传统的 截流式合流制系统的 布置做了一些优化改进， 将溢流 堰式或跳跃堰式溢流井设置在合流干管上， 截流干管从溢流井溢流管下穿过， 通过设置 小管径的截污连接管， 控制设计截流量进入截流干管。 这种布置可避免已 进入到截流系 统的污染物质被重新溢流排放，并可保证初期雨水能顺利地转输到截流系统的终端出 口，最大程度地保护受纳水体。 1 . 3排水设施的研究方法 排水设施的研究方法应包括理论分析、实验室物理模型、现场实测和数值模拟等， 这些方法相互补充，相互印证，相互促进。 理论分析是任何研究的基础， 是寻找自 然界客观规律的基本方法， 具有严密的逻辑 性，能够很好地指导实践，如伯努利方程、圣维南方程、明渠均匀流计算公式等。 现场实测是一种最直接的研究方法， 如对排水管道的流量和水质变化情况进行直接 测量， 其结果真实可靠， 并可用来对其他方法( 理论分析、 实验室物理模型和数值模拟) 得到的结果进行验证，但是现场测试需要花费大量的人力、物力和时间。排水管道系统 通常埋设于地下，因此用这种方法进行规律性的研究是比较困难的。 实验室物理模型是按实物缩小尺寸的模型。 该方法比较直观， 对于某些现象和影响 因素不甚明确、 未能建立数学模型的情况， 根据支配主要因素，可以设计物理模型。 使 用物理模型来设计水处理设施的一个难点是， 通常所需设计尺寸较大而使费用昂贵、 耗 时较长， 而且缩放倍数通常使结果产生较大误差， 当设施建成后才发现这种误差时将为 时已晚。 另一个问题是， 物理实验只关注一定数量的数据， 并服从某些特定的实验条件， 工程技术人员要根据少量甚至质量不高的数据精确判断重大工程的投资是非常困难的。 数值模拟求解问 题的基本思想是: 把原来在空间与时间坐标连续的物理量的场 ( 如 速度场、压力场) ，用一系列有限个离散点 ( 称为节点)上的值的集合来代替，通过一 定的原则建立起这些离散点上变量之间关系的代数方程 ( 称为离散方程) ，求解所建立 起来的 代数方程以获得所求解变量的近似值12 0。由 于数值模拟是在建立数学模型的 基 础上，利用计算机速度快、容量大的优点，可以模拟各种苛刻的实验条件，可以在短时 间内 获 得结果， 因 此相对于实验有很大的 优越性【4 4 。 但数值模拟中的 参数往往要 通过实 验来确定， 数值模拟的结果需要用实验数据或实测数据进行对比验证， 并不断校正模型， 使之能尽量接近真实情况，所以数值模拟又不能完全代替实验。 第 i 章 绪论 年) p 3 等 对 污水 截流 工程中 截 流 倍数的 选 择 进 行了 研 究 分 析. 2 0 0 3 年刘永虹a 1提出 对传统的 截流式合流制系统的 布置做了一些优化改进， 将溢流 堰式或跳跃堰式溢流井设置在合流干管上， 截流干管从溢流井溢流管下穿过， 通过设置 小管径的截污连接管， 控制设计截流量进入截流干管。 这种布置可避免已 进入到截流系 统的污染物质被重新溢流排放，并可保证初期雨水能顺利地转输到截流系统的终端出 口，最大程度地保护受纳水体。 1 . 3排水设施的研究方法 排水设施的研究方法应包括理论分析、实验室物理模型、现场实测和数值模拟等， 这些方法相互补充，相互印证，相互促进。 理论分析是任何研究的基础， 是寻找自 然界客观规律的基本方法， 具有严密的逻辑 性，能够很好地指导实践，如伯努利方程、圣维南方程、明渠均匀流计算公式等。 现场实测是一种最直接的研究方法， 如对排水管道的流量和水质变化情况进行直接 测量， 其结果真实可靠， 并可用来对其他方法( 理论分析、 实验室物理模型和数值模拟) 得到的结果进行验证，但是现场测试需要花费大量的人力、物力和时间。排水管道系统 通常埋设于地下，因此用这种方法进行规律性的研究是比较困难的。 实验室物理模型是按实物缩小尺寸的模型。 该方法比较直观， 对于某些现象和影响 因素不甚明确、 未能建立数学模型的情况， 根据支配主要因素，可以设计物理模型。 使 用物理模型来设计水处理设施的一个难点是， 通常所需设计尺寸较大而使费用昂贵、 耗 时较长， 而且缩放倍数通常使结果产生较大误差， 当设施建成后才发现这种误差时将为 时已晚。 另一个问题是， 物理实验只关注一定数量的数据， 并服从某些特定的实验条件， 工程技术人员要根据少量甚至质量不高的数据精确判断重大工程的投资是非常困难的。 数值模拟求解问 题的基本思想是: 把原来在空间与时间坐标连续的物理量的场 ( 如 速度场、压力场) ，用一系列有限个离散点 ( 称为节点)上的值的集合来代替，通过一 定的原则建立起这些离散点上变量之间关系的代数方程 ( 称为离散方程) ，求解所建立 起来的 代数方程以获得所求解变量的近似值12 0。由 于数值模拟是在建立数学模型的 基 础上，利用计算机速度快、容量大的优点，可以模拟各种苛刻的实验条件，可以在短时 间内 获 得结果， 因 此相对于实验有很大的 优越性【4 4 。 但数值模拟中的 参数往往要 通过实 验来确定， 数值模拟的结果需要用实验数据或实测数据进行对比验证， 并不断校正模型， 使之能尽量接近真实情况，所以数值模拟又不能完全代替实验。 第1 章绪论 1 4 国内外计算流体动力学( c f d ) 应用概况及发展 c f d 是英文c o m p u t a t i