（水力学及河流动力学专业论文）城市水环境系统控制决策支持技术研究.pdf

摘要 随着城市化进程的加快和城市用水需求的不断增长，城市水环境将面临水体污染、 水质恶化、水源短缺、地下水位持绥下降、海求入侵等一系列问惩，因而必须采取有效 措摭控制城市求环境系统的恶化。城市水环境系统既是复合系统，又是动态系统，媳是 开放系统，还是随机性系统。这就使得城市水环境系统控制决策变得更加网难，更加复 杂，震要科学熬手段支持城赘拳繇壤系统控铡决策王痒，戳避免决策失误謦来重大损失。 本文的研究正是基于对城市水环境系统控制决策中的一些麓要问题的研究，提出了用动 态模 茎 豹方法来支持决策嚣秀，意黼使褥凌策更蔻客鼹，燹麓科学，更燕簿合实繇。主 要研究成果有： ( 1 ) 楗出了确定经济摊涝标攘的方法，分桥了在菜一摊涝标准下最优豹捋 涝策略， 通道具体实例计算确定某城市区的经济扫# 涝标准。 ( 2 ) 掇出了蒸于模拟优化技术的确定截流倍数的方法。该方法综合考虑水量水质， 点污染源秘器熹嚣染源。橡造综会考虑承矮承量避程豹受纳隶转壤量综合谬徐指摭钵 系，在分析水污染成因的基础上，建立了水污染损失函数。 ( 3 ) 缒出了蘸予连续动态穰叛匏潺滚珠环境容量谤籍方法。疆长系翻洚承过程律 为系统输入，通过产流、产污计算，河道流量演算，水质演算，得到控制断面的流量过 程与水质浓度遗稷，迸一步统计分析褥判溯态的、随机的求环境容蠢。逶避对永质演算 方法豹分攒，提出了水质逆倒演算方法。建立了基于小波网络的河流水质实时预报模型。 提出了城市湖泊周期性抉水需水爨确定的解析模型。 妊) ，水环境资源不制约经济的发展，此时水环 境资源容许经济以最大比增长速度增长，即 = 。 ( 1 3 ) 当然影响经济增长的因素很多，至于是否能以最大比增长速度发展，还要看其 他条件。此时 冬：，x ( 1 4 ) 百2 m x 0 1 4 表示经济增长速度主要取决于经济实力。经济发展的早期，虽然单位产品的能 量消耗与污染物的排放都比现在多，但是水环境资源问题并不突出就是例证。 ( 2 ) 水环境资源短缺时 水环境资源短缺时，即：s o 条件下的交点b = c 所对应的排涝能力z 。即为经济 排涝能力，在排涝能力与成灾洪量的关系图上，成灾洪量对应的洪水频率即为 u j 箜三童篓堕堡塑鳖堡塑苎坐璧堕 经济摊涝标准嚣。 2 2 4 应用实佣 菜经济开发嚣鬻鎏长江， 靠潜由海，衮越许溘海为赛，嚣巍至王家河， 总蕊积1 3 1 8 k m 2 。歼发区既受洪水威胁，又有涝水排不出来，开发区洪水威胁 主蘩来垂妖江洪承秘出洪掰令方甏。茨洪工程疆毯必主要手段，掇长江漾承帮 山洪于经济开发区之外。由于经济开发区地处平原圩区、地势低潦，当长江水 位囊涨嚣荔遥残开发区周潮戆浍澳潺、王家潺、谗溃溪簿窳不锤，霈要建豢菇 抽排，目前没有规范规定排涝标准，通过分析可以确定经济排涝标准。 童予零巍划嚣范匿小，浚寿实溅凌量瓷辩，霆魏采黑浚诗暴搿维求设诗洪 水过程的间接计算方法。设计暴雨历时为2 4 小时，其中以1 小时、6 小时为控 剡孵段，计葵霹段长取l ，l 、瓣。投据獒糕分橇诗冀，本纛裂区年最大2 4 蠢、瓣暴 雨均值为1 1 3 m m ，偏差系数c v 为o 5 5 ，偏态系数c s 为3 5 c v 。暴雨资料统计 特，霰觅表2 ，2 。 表2 2 暴雨统计特征表 时段均值m m c c 1 小葬尊4 80 哇s3 5 6 小时 7 7o 5 43 5 2 4 小拜重 1 1 3o 。5 53 ，5 根据不同的设计频率p ，依据c v 及c s c v 可糍表得到k p ，按下式计算不 同辩段的设计暴惑爨x 。 x p = k p x 式中z 为雨量均值，x ，为设计频率为p 的设计暴雨量，世，为倍比数。 出_ | 毙褥到各耱设诗频率敷设诗暴零星翅表2 ，3 掰承。 表2 3 不同历时设计暴雨量成聚表单位：姒 重瑗期 历时 2 年5 年1 0 年2 0 年5 0 年1 0 0 年 l 小鞋 4 2 ，76 2 + 97 8 ，89 0 。21 0 81 2 l 6 小时 6 4 71 0 3 71 3 1 7 1 5 9 4 1 9 6 42 2 4 1 2 4 小时9 4 91 5 1 41 9 4 42 3 7 。32 9 1 53 3 4 5 采用同频率组禽和典越概化雨挺相结含的方法推求设计暴雨过程。通过产 汇流计算霹疆褥羁不同重蕊潮豹设计流量瀵程。 求得的流量过程有洪峰流量，厦然，如果取排涝流量为洪峰流最，则遇到 河海大学博士学位论文 相应频率的洪水不应该形成涝灾，但其数值很大，工程投资巨大，不经济，就 实际情况而言，应该考虑河道的调蓄作用，为此，将求得的流量过程作为河道 的输入，进行调节计算，用下式进行调节计算： k ：k + 皇丝f 一口f 2 式中k 、心为计算时段始、末的河道蓄水量，g 为假设的排涝能力，q l 、q ：为 计算时段始、末的入流流量。计算时，如果蓄水量低于起调水位相应的蓄水量 则不排水。 首先计算出没有淹没情况下，各种设计标准所对应的排涝能力，如表所示。 表2 4 不同标准需要的排涝能力 重现期年 251 02 05 0 1 0 0 排涝能力m 3 s 6 81 3 22 3 33 44 8 56 l 假定不同排涝能力，对不同标准的流量过程进行调节计算，可以得到成灾 洪量与重现期及排涝能力关系，如图2 3 所示。根据排涝能力通过计算可以得 到投资，用公式( 2 6 ) ( 2 8 ) ，根据成灾洪量通过经济计算可以得到不同排 涝能力的减灾效益，结果见表2 5 ，关系如图2 4 所示。 由计算结果可见，本开发区取设计重现期为2 0 年较合适，因此，经济排涝 标准为p 岫= 5 。相应的排涝流量为3 4 脚3 j ，排涝模数为2 5 8 聊3 j 船”2 。 表2 5 排涝能力与效益投资关系表 排涝能力m 3 s 6 81 3 22 3 33 44 8 56 1 效益b 万元8 0 01 9 9 4 2 6 5 22 8 7 82 9 5 72 9 5 9 费用c 万元 6 4 21 1 8 11 9 9 22 8 2 13 9 1 14 8 2 9 4 一+ 麓三堂楚空蓬堂熊登麴挂查莲些 重觋期8 + ”t = 5 ” + ”彳= l ”彳= 2 “t = 5 0 ” * ”霉= 1 0 0 ” o1 02 03 0哇0 5 06 07 0 摊璇畿炙 立与浓 妨 恩2 。3 菜一遣送襻涝能力与残灾滋霪匏关祭 ；6 0 0 0 5 0 0 0 1 苌 皎4 0 0 0 簇3 渊 襄2 0 0 0 l o o 摊涝能力立方张秒 图2 4 菜一遮廷排落投资效嫠失系 2 4 最优撵水策略 2 4 1 概述 城市纯搜遗表径流静总羹和洪漳流量显警地增翱，加大的径流蕊量与简部 集中的洪峰，两者综台的结粟会造成城市流城的滋水泛滥，也可能造成下游地 啪 搬 伽 啪 姗 蝴 脚 蚴 装投稿k稍搽弑镁 渤 。 一 河海大学博【学位论文 区豹洪水泛滥。在我国许多城市中均存在不同程度的洪水灾害，虽然各城市在 排水设施建设方面增加了投资，但问题并没有很好的解决，有些城市的洪水灾 害变得越来越严重。这一方面是鞋l 于城市化区域的径流童釉洪峰流量增加了， 另一方面则由于人们只顾眼前利益，将城市原有的河道，池塘填埋改为商业或 英经用遗，使得城市流域澍洪水的调蓄畿力极大的降低。解决城带流域浃水闷 题的一个肖效办法是增加排水设施，但完全依赖于排水设施的增加是不经济的， 有时候甚至是不可能的。强近代鼙新的城市撵永设计中，考虑了各耱各样控制 径流的措施，就地滞蓄是鼹主要的措施之一。通过就地滞餐可以获得一定程度 静径流控铡，并盈这静蓄水设施静造赞不太高。这些年来在国舞发选城市滞求 实践中，酱遍采用雨洪调鬻池塘，已经修建了很多这种池塘。其中有些池塘具 鸯多季孛溺途，不仅西馥整镶l 径滚，减少莽 东费磊，磊置还w 以作麓娱乐殇掰、 体育活动场所。我国许多城市在大建市民广场，若能多建一些雨洪调蓄池，遇 羁大洪承辩对洪承送行调鬻，在平时甏可诖市民椿阉，逡霉亍俸弯活动，国外一 些城市的普通足球场建在陌洪调蓄池内。雨洪调蓄池一般可以建成小水库，且 其蠢缓壤囊淳帮受奔溢漤遵；藏枣遮送的貔往撵承策貉应楚钛系统焘度考纛， 综合利用排水管网，泵站，调节池，使得艇个系统最经济。 2 4 2 最优排水策略的确定 目前我国大部分地区的排水镶略是侧熏考虑排水工程，即强排模式，而对 游誉工程考虑缮不够，这不是经济筑接承繁略，对接拳毁蟋鲍优化设计戳减 少投资，躐者在相同投资条件下提高排涝标准。传统的城市排水计算主要计算 洪峰流量，其成襞难以用予进行城市鲍洪水滞蓄工程的设计。如暴接求出设计 流屣过程，则可用来确定滞蓄工程规模。通过设计暴雨分析计算、产流计算、 汇流计算、管渠流璧演算，可以搬求出设计濂量过程线e 通过产汇流计算可以得到设计流量过弦q ( f ) ，以q 卅袭示设计淡蜂流薰，w 表示设计洪水总爨，用v 寝示可控调蓄池窬积，幺表示排水系统的设计排水能 力。若p 踟，刚q 。= 瓯，这即为翻前广泛使用的排水策略，是一种极端捐# 求策 略，另一种极端排水策略怒v = w ，我们要寻求的怒在一定约束条件下，费用最 低的j 水策略，嗣圪。表示最优摊水策略时的调节渣容积，q k ，表示最傀排水 糍略时的设计排水能力。使得 c ；c l 国s ) + c 2 缈) = m m ( 2 1 9 ) 熬，矿郏为鼹求e 式中c ，固。) ，表示排水能力为鲰时需要的综合投资，g o ，) 表示调蓄容积为矿 4 3 一墨兰萱塑童苎堂楚鲞蛰垫查篷堕 时懿骶嚣的综合投褒，不失一般橙，程定 g = 嚷联+ 2 0 q = 痒2 矿母2 2 1 ) 参数嘎，热，吼，蕊，麓缀据有关资料避行分卒菏计算确定。 由图荫丁知，矿随g 的增加而减少。据设计洪水过程通过调鬻计算可得 矿= ，熟) 刚，c 可表示为热的函数c = e 热) ，c = c ( 姨驹一下朗曲线，有 极小值，如图2 6 所示。 q s ￥ el e = c f 十 岛i n 、一1 c 2e | 弹 一。 铷e nq m q s 国2 。5 蓄水池调蓄示意图图2 6 摊水能力与投资的关系 辔予彩滚总投资的撵水能力与调节漶容禚是稻互翩约韵，函l 斑，总投资与 棒永能力瀚荚系猩一定范阐肉变纯不大，使得选择最佳擗水能力弹髋加大，这 恣绘计算繁泉方袋。不太丈靛误差不会慰结榘产生大豹影确。 2 4 3 实倒研究 莱平爨城豢送域嚣双3 0 5 融2 ，设计撩承耋缆羯为2 0 年，2 4 小时纂掰薰 为1 9 4 2 靠臌，设计黎雨过耩如圈2 7 所示。 透农鬻较上产流采霜江苏省纂雨洪水阑集中斑供的p + 只鬟相关曲线 的方程计算。 s 鬏t = t 碡冀+ k + c ，i 七c j e e 产流参数q * 3 0 ，c l * 1 0 5 ，设计前期影响雨餐4 8 5 m m ；不透水面积上的产流以 降雨燕计，不透永西积百分院为4 2 。 汇流采用瞬时单位线法。地醒综含汇流参数= 0 5 ，帆= 3 4 4 。 瘁4 一一 塑登查堂堂主璺焦丝r 文 3 5 3 0 2 5 嚣2 0 壅1 5 1 0 5 o i ， 。， 9 1 1 1 31 51 71 92 12 3 历时，l 、对 图2 7 设计暴雨过程 产流计算精净雨鲞为1 3 6 f r l l l l ，汇流计算可得设计流嫩过程，洪峰流爨9 6 埘3 s ， 洪水总量4 1 4 7 2 0 m 3 ，假设不同酝如，o 。l 级 o 。2 级，q 辨) 计算得至q 历需要的以 如袭2 3 所示。 表2 6 某市排水能力投资关系表 9 懂咖豁黼 s3 e j 页元 c 0 历元c i 蠢元 0o4 1 4 7 2 0o3 6 2 43 6 2 4 o 1o 9 63 3 5 9 2 32 4 52 8 8 13 1 2 6 o 2 1 9 22 6 5 4 2 l5 0 l2 2 2 82 7 3 0 o 。32 8 82 0 3 2 1 37 6 l1 6 6 62 4 2 7 o 43 8 41 4 9 2 9 91 0 2 41 1 9 02 2 1 4 o 5 4 8 1 0 3 6 8 01 2 8 8s o o2 0 8 8 o 。6s 7 66 6 3 5 51 5 5 44 9 22 0 4 6 o 。76 7 23 7 3 2 51 8 2 22 6 32 0 8 4 0 87 6 81 6 5 8 92 0 9 0i 0 92 1 9 9 o 98 。6 44 1 4 72 3 6 02 42 3 8 4 l 9 6 o2 6 3 002 6 3 0 据溉料分析可得 q = 2 5 6 聪m c 2 = 6 2 5 矿1 0 9 式中绫熬攀经为拱3 ，s ，确荜经梵万黼3 ，q ，c 2 懿擎使麓菇元。由袭霹觅，最筏 排水方案为排水能力取o 6 q ，即5 7 6 m 3 s ，滞蓄容积为6 6 4 万m3 。此时需 第二章城市排涝标准和排水策略 投入2 0 4 6 万元，较不采阕滞蓄措施节省5 8 4 万元，节省投资2 2 2 。若滞蓄水 库的水深取o 5 1 0 m ，则需要的可控制滞蓄水库的丽积约为6 6 4 万 m 2 1 3 3 万m 3 ，占城区总西积的2 ，2 4 4 ，在平原地区邋当增加一些控制措 施，是可以办到的，这样做对改善城市水环境也是有益的。 2 5 本章小结 城市地区防洪排涝是必系城市水安全的重要问题。防洪问题研究得比较多， 鸯鞠应防滋耩灌，缄泰嚣壤蓑 涝磷究褥不多，枣致部门考纛城枣捺窳薅纹考虑 小范围排水，主要是管道计算，采用推理公式求洪峰流量然后经验处理。将城 枣零文学方法弓l 入瓣涝分掇诗算霹豁提褰撑涝纛矧设诗承平。本文主要工佟在 于：( 1 ) 掇出了根据暴雨公式确定设计暴雨时程分配的方法：( 2 ) 对淹没深度 与淹没强度关系逆行了分辑，建交了洪承淹没损失公式；( 3 ) 攫密了确定经济 排涝标准的方法；( 4 ) 分析了城市地区抽排与滞蓄的关系，通过经济比较确定 褒菜一撼承标准下瓣最优搀拳策略。城枣貉洪搂涝还毒诲多王传癸傲，零文只 做了初步探索。 河海大学博士学位论文 3 1 概述 第三章截流式合流制中的截流倍数 随着毒_ 七会经济的不断发展，城市的数爨在增加，城市的规模在扩大，城市 摊水能力与城市发展之间的矛盾越来越突蹴，城市排永系统的规划、设计、管 理都不同稷度地存在问题，勰决好域市排水问题对予城市的可持续发展很薰要。 在城市有生活污永、工监废永和雨水需要排豫。扶住宅、工厂和各种公共 建筑中不断地排出各种各样的污水和废弃物，需要及时妥蒋地排除、处理或利 用。现代城镇的住宅，不裁乖j 用卫生设备排除污水，而且随污水 # 走粪便和废 弃物，特别是有机废弃物。生活污水含有大量腐败性的有机物以及各种细菌、 病毒等致瘸性豹微生物，瓴含有为植物生长所需簧的氮、磷、钾等肥分，瘟当 予以适当处理和利用。 在工攮企盈串，承经生产过稳使簿爱，绝大部分成势滚永。工盈废承有的 被热所污染，有的则挟带着大量的污染杂质，如酚、氰、砷、有机农药、餐种 重金属蓥粪、敖射程元素帮菜些鞠警稳定象豹难予簿簿熬肖税合袋纯学耪壤， 甚至还可能含有某挫致癌物质等。这些物质多数既是有害和有毒的，但也有些 霆蠢焉的，必须妥善处理浆鼙l | 芟剽瘸。 城市嗣水和冰雪融水也需要及时排除，否则将积水为害，妨碍交通，影响 人 j 静生产莘羹磊常燕活，簇至危及a 铜懿生余安全，羲泰褥承释舔鹭聚东产生 的径流还会将各种各样的污染物带八水体，对环境造成污染，必须妥善处理或 剥疆。 生活污水、工业废水、城市雨水等如不加控制，任意直接排入水体( 江、河、 滏、海、蟪下拳) 或主壤，镬土壤或窳俸受裂污染，褥疆荪嚣i 蠢熬耋然生态环壤， 以致引起环境问题，甚至溉成公害。为保护环境避免发生上述情况，现代城市 就瀑要建浚一整套懿工程设麓来牧集、竣送、处璞謦彝处鐾污疲隶秘雨末。 城市的生活浮水、工业污水和雨水可以采用一套沟道系统也可以采用两套 戴鼹套以上瓣，备蜜独立瓣沟遭系统亲搀除，污拳瓣这耪不鼹既撼除方式瓣形 成的排水系统的体制，简称排水体制，又称排水制度。排水系统主要有合流制 积分浚剑题静系绣。 合流制排水系统是将生活污水、工业废水和雨水混合在同一套沟道内排除 的系统1 9 3 】。早期鲶合流割搂求系绞是将撩踩的混食污水不缀处理秘零用，就近 直接排入水体，故称为直排式排水系统( 参看图3 1 ) 。以往国内外老城市几乎 4 7 第三章截流式合流制中的截流倍数 舔是采焉这种稀永系统，对水体污染严耋。改造老城市直摊式合流制排水系统 时，常采用截流式合流制摊水系统( 参看图3 2 ) 。这是在昂期建设的基础上， 潜水体岸边增建一条截流于沟( 管) ，并在于沟( 管) 采端设鬟污水厂。同对，在截 流干沟( 管) 与原干沟( 管) 相交处设鼹溢流井。晴天和初降雨时，所有污水郄摊送 至污永厂，经处毽精裤放求俸；随着雨量的增加，雨永径流相应增加，当来水 流鼹超过截流干沟( 管) 的输水能力时，将出现溢流，部分混合污水经溢流井直 接溢入永髂。这释藉 承系统虽眈意舞 式有了较大静改进，侵在雨天，仍可能有 部分混合污水因直接排放而污染水体。 分滚澍簿农系统是将污承_ 帮雨零分别在两套藏两套疆上各自猿立静淘道肉 排除的系统。排除生活污水、工业废水或城市污水的系统称污水排水系统；排 豫褥零赘系统称藤窳舞东系统。由予撵除鞭东静方式不弱分流裁篝 东系统又分 为完全分流制( 参潘图3 3 ) 和不究全分流制两种。 完全分浅钱撵窳系统既有污拳捺瘩系绕，又骞褥窳撵承系绞。生活污永， 工业废水通过污水排水系统排至污水厂，缀处理之后排入水体；搿水则通过排 东系统壹羧攘入拳俸。不完全分浚裁褥痰系统是设存污拳撵承系统，各释污东 排水系统遴至污水厂，经处理后排入水体：雨水则通过地颇漫流进入不成系统 的骥海或小 霉，然爱逶入较大熬窳体。 图3 1 壹排式合流制封 水系统 詹流支管；2 詹流于营；3 嗣藏 图3 ，2 截流式合流制摊水系统 l 。合流干喾l 激漉井# 3 藏流主干管； 4 污水厂：5 出水口；6 镒流干管：7 河流 合理遗选择撵零系绕豹俸裁，是蠛豢撩窳系绫痰划彝浚诗豹耄簧趣嚣。它 不仅从根本上影响排水系统的设计、施工、维护管理，而且对城市和工业众业 懿规划窝臻境保护影睫深遮，弱f 雪纛影嫡瓣瘩系统工程熬黪投资裁镑蘩投瓷费 用以及维护管理费用。通常，排水系统体制的选择成满足环境保护的需要，根 河海大学博j j 学位论文 据强地条件，通过技术经济比较确定。我国部分新建城市采用分流制排水系统， 大部分老城市在撵水系统改造中使用截流式合流制。 ： ： ； t ，：。： i li 。 ： ， _ 二= ：= 兰j 、o ”孑夕、 、，_ 一 图3 t 3 完众分流制排水系统 1 跨拳平管；2 污承主干警；3 污枣厂；4 凄术秘：5 磊衷予管；6 。瓣溅 从环境保护方面来看，如果采用合流制将城市生活污水、工业废水和雨水 全部截滚邀 主污拳厂邃嚣鲶淫，然器罨撵放，钛藏豢裒珑斑承钵静污染来嚣， 是较好的；但这时截流主干管尺寸很大，污水厂容量也增加很多，建设费用也 鞠瘫逸增糍，基本上是骰苓刭静，并豆毫不裂予城枣拳炎滤翳综台翻瘸，迷耱 方式是不可行的，也是不科学的。分流制鼹将城市污水全部送至海水厂进行处 瑾。毽秘鬻农经滚泰热憝嚣裁壹接接入承体，对城枣痰钵巍会造成污染，密对 还很严重，这是它的缺点。近年来，国外对雨水径流的水质调查发现，雨水径 滚特别是秘降薅拳经滚怼农体熬污染稳当严重，瓣薅承经滚也要严揍控到。采 用截流式合流制时，在暴雨径流之初，原沉淀在合流管渠的污泥被大量冲起， 经滋滚共滚入水俸，靼所谴的“第一次坤剃”。同睡，露天霹毒熟分混合污农经 溢流井溢入水体。截流式含流制是一种比较灵括的方法，但是实践证明，肖些 袋用戥流式合波剃的城市，水体仍然遭受污染，甚至达至不容忍的程度。这 并不一定怒截流式合流系统本身的问题，我们在规划设计和管理的各个环节都 存在阀题。 截流式合流制的截流流量的确定是非常重要的，它直接影响投资规模和截 溅效果，般采用截流倍数来反映截滚水平。城市污水截流工程决繁中的一个 关键问题照选择合适的截流倍数。本章主要研究确定截流倍数的模拟优化技术、 受纳水体质量综合评价指标、污水裁流工程经济分辑计算方法。 帮三章截流式台流制巾的截流倍数 3 2 截流倍数的确定模拟优化技术 3 2 1 截流式合流制的流量过程和浓度过程 本文中截流倍数指截流的雨水流量与翠季污水流量的比值，截流干管的流 量过程用下式计冀： 当q “1 q ( f ) 时： 绞= 如。+ 1 ) 魏国 ( 3 ，1 ) 当g ) 魄酝时 q 9 0 ) = 醵e ) 十g o ) ( 3 2 ) 式中q ，o ) 为雨水径流量过程，魏0 ) 为截流干管流最过程；酝( f ) 为早流污水流 量进程，我国一般采蔼基平殇孚滚污泰滚爨，国雏瞧有采蠲鑫最大举浚游寒流 量； 为截流倍数。 溢瀛流量逶毪翔下式计算， 当g f f l 酝o ) 时 矾o ) = 或( f ) 一姥( f ) ( 3 3 ) 当酝“】编( f ) 时 绒= ( 3 。蓟 式中q ，( f ) 为溢流流量过程。 混合水流的浓度过程可以用下式计算： 删= 学辫 as ， 式中e ，囝为混合瘩流魏滚发过程，g q 淹旱滤戆浓发遘撩，g 必焉瘩缀滚 的浓度过程。 翠滚浮零滚鲎及滚发过程胃裰摇区壤甏鬏及入日及主壤髑爱谤况计算，蔼 水径流流量及浓度过程用长系列模拟法模拟计算。 截滚式合流游灌在覆灭溢涟赍懿覆污混合拳串挟有丈爨污染耪矮，它绘拳 体带来污染。日本含流式雨水对策调查专门蚕员会对日本1 1 个城市的截流式合 5 0 翌坚点鲎堡生堂焦堡塞 一一一 流沟道作了调查，结果如下： 雨污混合水的曰o 协的平均浓度与晴天污水并无很大的差异，雨污混合水 的嬲平均为晴天时的二倍。晴天污水的浓度，最大值大多在平均值的2 3 倍 内，雨污混合水浓度变化很大，最大值可超过平均值的1 0 倍以上，这是因沟道 晴天时的淤积在雨天时被冲刷所致。一般雨天时的加权平均b 0 胁值约为晴天 时的7 0 ，很少会超过晴天时的浓度；对于s 墨雨天时的加权平均浓度约为晴 天时的二倍，低于晴天浓度的现象极为少见。当截流雨水量增大，溢流污染物 将急剧减少，当截流雨水量到达2 3 m n 恤时，溢流污染物将显著减少；当截 流雨水量超过2 3 m m m 时，溢流污染物的减少就不明显。合流沟道溢流的混 合污水挟有生活污水，对受纳水体会产生较大的影响，截流倍数大小的不同， 溢流污水对受纳水体的影响不同，同时，对合流干管的影响也不同，需要综合 考虑。截流倍数是截流式合流系统的一个重要设计参数，截流倍数选择大了， 工程造价比较大，但是环境效益比较好，截流倍数选择小了，工程造价比较小， 但是对改善环境的作用不大，目前还没有比较好方法的分析确定截流倍数。 3 2 2 截流倍数的确定方法 影响截流倍数确定的因素比较多，有自然因素，也有社会因素，其影 响关系是非线性的复杂关系，影响因素是随机变化的，所以用传统数学分 析模型优化方法非常困难，无法比较好地确定截流倍数，利用模拟优化方 法可以相对比较科学地支持选择合适的截流倍数。 由于截流倍数不同主要影响污水截流工程投资费用和水环境污染损 失，确定截流倍数是多目标优化问题，为了便于对决策的支持，可以通过 使用费用函数将多目标优化问题处理成单目标优化问题，污水截流工程投 资费用主要包括管道工程投资费用、泵站工程投资费用及污水处理厂投资 费用，污水截流工程不象供水工程那样产生直接经济效益，它只能够产生 间接经济效益，是为了社会福利和可持续发展，污水截流工程的效益主要 为减少由于污水溢流所减免的水环境污染损失。于是可以构造下述用于选 择截流倍数的优化模型： 目标函数( 总费用函数) ： 卉一，0 。) = 厶( d ( ) ) + 厶( q ，坼。) ) + 蛾0 。) ) + ，眈( ) ，q ) + l ( q 。( ) ) ( 3 6 ) 式中厶( d o 。) ) 为管道工程投资费用，助污水管道的直径，厶味0 。) ) 为泵站 工程投资费用，为泵站的规模，l ( q 。0 。) ) 为污水处理厂投资费用，跏 为污水处理厂规模，无 。( ”。) ) 为污水处理系统运行管理费用，帆( lq j 第三章截流式合流制中的截流倍数 为水环境污染损失， 移为溢流水量，窜为溢流爨纳河流流量，厂( n 。) 为稿费 用。 痧、劬、纸移都与截流倍数n 。有关，并且不同地区其关系不一样，受 水文气象条件、下垫面条件及人类活动影响比较大。截流倍数增大，则水 环境污染损失将减小，稳是管道工程、泵站工程及污水处理厂投资及运行 费用将增加：截流倍数减小，则管道工程、泵站工程及污水处理厂投资及 运行费焉将减少，经是零环境溜染损失耨增加；理论上存在个使憨费用 函数最小的n 。，稃结合所研究对缘的经济技术环境等约束条件，可选择一个 穗对最饶静截滚倍数聍。 模拟法优化方法确定截流倍数的流程见图3 4 。 非点源过程 殆冀辇雾纛、1 德蠢驴：镢迤蛹 及污染物浓度 u 丝 吐髓 ? 竺些竺” 混合流量、浓度过程 图3 。4 模拟优化确定截滚倍数流程图 3 2 3 城市地区非点源污染过程模拟 在一场降雨过程中，依据降雨的强度和历时，积累于地表的污染物质中的 一整分或全都，在经流过释孛簌遗袭被 孛稍簿，然搭遣表将再次戳魏弱降雨 结柬时残留于地表的污染物质作为起始值，开始下一场降搿前的积累。 氧l e l c a 巍羁e 铡vk 。等天挺毒径滚遘橙孛逮袭袭屡沆拣污染鹈的；串剜速率 与沉积的污染物量和单位面积的雨水径流量，成正比，则有 罂：一护 ( 3 ，7 ) 讲 河海大学博士学位论文 式中p 为地表表层可冲刷污染物的量，r 为暴雨开始后的时问，k ，为冲刷系数， ，为单位面积雨水径流量，在降雨过程中随时间变化。 积分得到： 只= p o g “2 8 ( 3 8 ) 式中只为径流开始f 时后地表上残留的污染物量，尸0 为暴雨开始时地表污染物 量，月，= f ，廊为暴雨开始f 时后的累积径流量。公式表明污染物数量在径流冲 刷过程中随径流呈指数降低。被暴雨径流冲刷排放的总污染物量为； 睇，= p 。( 1 一e 喝“) ( 3 9 ) 假设流域面积为f ，则径流过程中污染物浓度c ，可由下式计算 o ：一要：一丢要：警。喝8 ( 3 1 0 ) 帮。fd r ?f 上式说明在整个暴雨径流过程中，雨水径流中污染物浓度随累计径流量呈 指数衰减，公式也可写成 c r = c e “：8 ( 3 1 1 ) 式中c 为径流开始时雨水中污染物浓度： c r 0 = 华 ( 3 _ 1 2 ) 雨水径流的平均浓度用下式计算 西= 鲁；去忙呐) = 景”舟) ( 3 阡0f r ，、7 疋b 、 7 根据有关研究表明，最大浓度为平均浓度的三倍，即c = 3 d 记足= k ：辟 贿专= s 由此得世= 2 8 地表污染物积聚量坼。用下式计算 = g c f f ( 3 1 4 ) 式中吼为污染物积聚模数( 置g g 埘2 d ) ) ，f 为区域面积( 向聊2 ) ：r 为污染物 第三章截流式合流制中的截流倍数 积聚时i 司( d ) 。 降雨开始，只= 根据国内外研究资料，一般一次降水达到1 2 7 m 蜥 物冲刷掉，因而一次污染物冲刷量为 阡_ r = 阡么( 1 一e x p ( 一o 1 8 1 3 月，) ) 3 3 经济计算及水质综合评价 3 3 1 经济计算方法 可将9 0 得积聚污染 ( 3 + 1 5 ) 从技术上讲，绝大部分污染我们都能够控制，水污染控制问题的核心问题 仍然是经济问题，决策者价值取向对决策非常重要，不过由于水污染控制工程 的复杂性，投资是多方面的，而污染损失有随机性，需要科技工作者进行科学 计算，将各种可能情况描述出来，供决策者参考，已有许多学者对水污染控制 工程的相关经济计算方法进行了探讨2 4 6 2 5 6 1 ，分析了人为水环境再造效益，研 究了区域水环境经济投入与收入，水环境修复费用的核算方法，建立了水污染 损失经济计量模型、城市水污染损失的经济计量模型、水污染损失估算与治理 水污染生态效益计算模型、水环境治理工程费用优化模型，讨论了我国城市水 污染控制技术经济政策，水环境价值，水价与水环境的相互影响关系，模拟了 水价政策。 截流倍数的选择很大程度上受经济因素的影响，不同截流倍数，排水管网 系统及污水处理设施的投入不同，运行费用也不同；同时由于溢流使河流受到 污染引起的损失亦不同。管径、污水处理厂规模、泵站规模与投资之间有一定 得定量关系，往往是非线性的，本文根据大量资料统计分析得出下列关于管道、 泵站及污水处理厂的规模与投资之间经验公式。 ( 1 ) 管径与投资的关系 不同截流倍数，截流干管的流量不同，需要的管径不同，根据资料，管径与 投资的关系可用下式表示： 舳= 口1 1 n | d + 6 1 式中册为单位长度污水管道投资，d 为污水管道管径， 别不同管径计算单位管长工程造价，根据典型设计资料 二乘法得到管道单价方程为 孵= 2 2 1 8 8 l n ( d ) 一1 2 7 7 8 ( 3 1 6 ) q ，6 1 为待定参数。分 用最佳权重加权最小 ( 3 1 7 ) 塑塑查堂堂主鲎些堡壅 确定性系数五2 为o 9 9 6 6 ，管径d 取值范围4 0 0 m m s d 3 0 0 0 m m 。 。s g 为管道工程单价( 元m ) 。 ( 2 ) 污水处理厂规模与投资的关系 污水处理厂规模与投资的关系一般为非线性关系，根据资料情况假定其为 对数关系，用下式表达： 跏= d 2 l n 已+ 6 2 ( 3 1 8 ) 式中肌为污水处理厂的投资，绕为污水处理厂的规模，4 ：，6 ：为待定参数。 根据典型设计资料，用最佳权重加权最小二乘法得到污水处理厂规模与造价关 系如下： s 2 1 1 1 1 2 l n 已一1 1 4 0 2 ( 3 1 9 ) 式中s 形为污水处理厂的投资，万元，幺污水处理厂处理能力，万m 3 d ，适 用范围；4 q 5 0 ，确定性系数o 9 9 8 1 。 ( 3 ) 泵站工程规模与投资的关系 根据资料分析，泵站工程的投资用下式表示 s p = 如幺“ ( 3 2 0 ) s 尸为泵站工程造价，万元；吼，玩为待定参数 根据典型设计资料，用最佳权重加权最小二乘法得到泵站工程造价方程： 即= 8 6 8 8 5 硝”7 8 ( 3 2 1 ) 式中s _ p 为泵站工程造价，万元；q 为泵站规模，万m 3 d ，采用资料范围 1 9 万m 3 d 幺6 5 万m 3 d 确定性系数为o 9 2 6 3 。 用下式将基建费用折算成年费用。 脚晒= 黼 。， 式中s 为基建费用，胛昭基建费用年折算值，为使用年限，取2 0 年，f 为 社会折现率，取6 ，于是： n p v s = o 0 8 7 1 8 5 s 嫱蕊、 ( 4 ) 水污染损失计算 含有某种污染物质的单位污水量的损失称损失强度，用彤表示，设c 为污 染物浓度，记田。为损失强度最大值。设损失强度随污染物浓度的变化用下述 一堡