（环境工程专业论文）武汉市落步咀污水处理厂进水水质水量预测研究.pdf

武汉理t 大学硕：学位论文 摘要 未来2 3 年内武汉市将建设落步咀污水处理厂解决青山区的水污染问题，而 在污水处理厂的设计过程中，设计进水水质、水量往往决定着城市污水处理厂 的规模、工艺流程的选择和工程的投资、运行费用。现在已建成的大部分城市 污水处理厂实际进水水质、水量与预测结果存在较大差异，严重影响了城市污 水处理厂的运行。因此，有必要对青山地区污水水质、水量进行预测，并确定 落步咀污水处理厂的进水水质、水量，为即将建设的污水处理厂的规模和工艺 选择提供设计和决策的有力依据。 本沦文通过收集近年来青山区现状人口、给排水现状、水量统计资料，应 用数学方法一等标污染负荷法进行污染源评价，筛选出该地区的主要污染源和 主要污染物。并对青山港西泵站排污口进行全年监测，分析确定监测点的污水 水质现状，并通过监测结果对青l j 地区污水水质的月变化关系和! _ | 变化关系进 行分析。 本文探讨了将多元回归分析模型和灰色系统g m ( 1 ，i ) 耦合应用于城市生活 污水量预测的方法和技术，并得出城市生活污水量预测模型，这样将环境污染 与社会经济联系起来更能反映环境质量的变化趋势。综合考虑城市生活污水量、 工业废水量、地下水渗入量及排水管网的完善率，得出落步咀污水处理厂进水 水量预测模型。 通过排水管网服务区人口总量、人均污染物指标、污水处理j 水量、工业 污染物排放指标、污水管网系统完善率等参数预测污染物指标年均值。 综合各项影响因素，对青山地区2 0 2 0 年的水质和水量进行了预测。结果表 明水量变化较大，水质变化较小。这主要是人口的急剧增长、生活水平的提高 导致的。在未来2 0 年中生活污水的比重越来越大，而工业废水的比重越来越小， 污水处理厂的进水将主要体现生活污水的特征。 最后，基于预测的落步咀污水处理厂进水水质水量，经过对几个方案技术、 经济比较，确定该厂污水处理工艺。 关键词：落步咀污水处理厂，水量预测，回归分析，灰色系统，水质预测 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t f o r s o l v i n gt h ew a t e rp o l l u t i o np r o b l e mi nt h ed i s t r i c to f q i n g s h a n ，w u h a n ，t h e g o v e r n m e n to f 、u h a r tw i l lc o n s t r u c tl u o b u z u im u n i c i p a lw a s t e w a t e rt r e a t m e n tp l a n t s i n2o r3 y e a r s b u tt h ei n l e tw a s t e w a t e r q u a l i t yi n d e xi nt h ed e s i g ns t a g ea l w a y s d e t e r m i n e dt h es c a l ea n dt h es e l e c to f p r o c e s sa n dt h ei n v e s t m e n ta n dt h eo p e r a t i n g c o s t so ft h e m u n i c i p a l w a s t e w a t e rt r e a t m e n t p l a n t s t h e r eh a v el a r g ed i f f e r e n c e b e 研e e nt h ew a s t e w a t e r q u a l i t yi n d e xo fi n l e ti nm o s to ft h ec o n s t r u c t e dm u n i c i p a l w a s t e w a t e rt r e a t m e n tp l a n t sa n dt h ew a s t e w a t e r q u a l i t vi n d e xe s t i m a t e d i tg r e a t l y e f f e c tt h e r u n n i n g o ft h e m u n i c i p a l w a s t e w a t e rt r e a t m e n t p l a n t t h e r e f o r e i t i s n e c e s s i t yt op r e d i c tt h ei n l e tw a s t e w a t e rq u a l i t ya n dq u a n t i t yo fl u o b u z u im u n i c i p a l w a s t e w a t e rt r e a t m e n tp l a n t s i ti sq u i t es i g n i f i c a n tt op r o v i d eb a s i sf o rt h es c a l ea n d t h es e l e c t e d p r o c e s so ft h em u n i c i p a lw a s t e w a t e rt r e a t m e n tp l a n t sw h i c hw i l l b e c o n s t r u c t e d b a s e do nt h er e c e n te x i s t i n gm a t e r i a l so f q i n g s h a nd i s t r i c t sp o p u l a t i o n ，p r e s e n t s t a t eo fw a t e rs u p p l ya n ds e w e r a g e ，q u a n t i t yo fw a t e ra n dw a s t e w a t e r ，t h em a i n p o l l u t i o nr e s o u r c e sa n dm a t t e r sa r ee v a l u a t e do u tt h r o u g hm a t h e m a t i cm e t h o d - - t h e e q u a ls t a n d a r d so ft h ep o l l u t i o nc h a r g e a tt h es a n l et i m e ，t h r o u g hm o n i t o r i n gt h e w a s t e w a t e rq u a l i t yo fq i n g s h a ng a n g x id r a i n ，t h ep r e s e n tl e v e lo ft h ew a s t e w a t e r q u a l i t ya n d i t si n d e x si nam o n t ha n da d a y t h ec o u p l i n gt e c h n i q u eo f p l u r a l i s t i cr e g r e s s i o na n dg r e ys y s t e m ( g m ( 1 ，1 ) ) i s d i s c u s s e da n da p p l i e dt oc i v i l1 i f ew a s t e w a t e rq u a n t i t y i nt h i s w a y e n v i r o n m e n t p o l l u t i o ni sc o m b i n e dw i t hs o c i a le c o n o m y ，t h ep r e d i c t i o nc o u l dr e f l e c to b j e c t i v e l y t h e t e n d e n c y o ft h ew a t e rc o n t a m i n a n t c h a n g e c o m b i n e dw i mt h e c i v i ll i f e w a s t e w a t e rq u a n t i t y ，t h ei n d u s t r i a lw a s t e w a t e r q u a n t i t y ，u n d e r g r o u n dp e n e t r a t e d q u a n t i t ya n ds e w a g ep i p e n e tc o m p l e t e dr a t i o ，t h ew a s t e w a t e rq u a n t i t yo fl u o b u z u i 、v t pi sp r e d i c t e d b a s e do nt h e p o p u l a t i o n ，a v e r a g ed i s c h a r g el o a d i n gp a r a m e t e r s ，w a s t e w a t e r q u a n t i t y ，i n d u s t r i a ld i s c h a r g i n gi n d e x ，s e w a g ep i p e n e tc o m p l e t e dr a t i o ，w a s t e w a t e r q u a l i t y i n d e xi sp r e d i c t e d c o n s i d e r i n gs e v e r a lf a c t o r s ，t h ew a s t e w a t e rq u a n t i t ya n dq u a l i t y i n2 0 2 0i s p r e d i c t e d t h er e s u l t ss h o wt h a tt h eq u a n t i t yr a n g e sm u c h ，t h eq u a l i t yl i t t l e t h i si s c a u s e dm a i n l yb yt h es h a r pp o p u l a t i o ni n c r e a s e i nt h ef u t u r et h er a t eo fd o m e s t i c s e w a g ew i l lg e tl a r g e ra n dl a r g e r ，t h er a t eo f i n d u s t r i a lw a s t ew a t e rw i l lg e ts m a l l e r a n ds m a l l e r t h ed o m e s t i cs e w a g ew i l l a b s o l u t e l yd o m i n a t ei nl u o b u z u i 、v t pi n 2 0 2 0 a tl a s t o nt h eb a s i so ft h ew a s t e w a t e rq u a n t i t ya n dq u a l i t yo fl u o b u z u iw t p t h ew t pt r e a t m e n tp r o c e s si sd e t e r m i n e dt h r o u g hs e v e r a ls c h e m ec o m p a r i n gi nt h e 武汉理工大学硕士学位论文 t e c h n i q u ea n de c o n o m i c f a c t o r s k e y w o r d s ：l u o b u z u iw t p ，w a s l e w a t e r q u a n t i t yp r e d i c t i o n p l u r a l i s t i c r e g r e s s i o n ，g m ( 1 ，1 ) ，w a s t e w a t e rq u a l i t yp r e d i c t i o n 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是我个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注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育 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了谢意。 研究生签名：签塑整日期 关于论文使用授权的说明 i 弘洱f 5 。f 2 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部内 容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 一始绷一聊豁年日期一 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章概述 1 1 我国城市水污染及其治理现状 1 1 1 我国城市水污染现状 水是人类赖以生存的再生资源，是生态环境中最活跃的基本要素。地球表 面总水量为1 3 6 亿k m 3 ，其中淡水总储量为0 4 亿k 一，占总储水量的2 7 ，除 掉冰冠和冰川，可利用的淡水总量还不到1 ，可见地球上可利用的淡水是很有 限的。而我国平均每人占有地表水资源约2 7 0 0 m3 ，占世界第1 2 7 位“。水资源业 已成为制约我国经济发展的瓶颈之一。多年的监测和统计数据表明，在水资源 短缺的同时，我国城市普遍存在着水污染问题。 2 0 0 2 年中国环境状况公报指出，七大水系7 4 1 个重点监测断面中，2 9 1 的断面满足i - - i l l 类水质要求，3 0 0 的断面属、v 类水质，4 0 9 的断 面属劣v 类水质。其中七大水系干流及主要一级支流的1 9 9 个国控断面中，i i 类水质断面占4 6 3 ，1 v 、v 类水质断面占2 6 1 ，劣v 类水质断而占2 7 6 。辽河、海河水系污染严重，劣v 类水体占6 0 以j ：二；淮河1 i 流为i i i v 类 水体，支流及省界河段水质仍然较差；黄河水系总体水质较差，干流水质以i 类水体为主，支流污染普遍严重；松花江水系以i i i 类水体为主；七大水 系污染程度由重到轻依次为：海河、辽河、黄河、淮河、松花江、珠江、长江。 同时近年湖泊水库普遍受磷、氮和有机物污染，个别湖泊水出现重金耩污染。 城市内湖水质较差，除北京昆明湖水质达n i i i 类水质外，杭州西湖、武汉东湖 和济南大明湖部分湖区水质为劣v 类。2 0 0 2 年，全国工业和城镇生活废水排放 总量为4 3 9 5 亿吨，其中工业废水排放量2 0 7 2 亿吨，城镇生活污水排放量2 3 2 3 亿吨。 为了加强城市污水治理，保护水环境，中央增加了投资力度，1 9 9 8 年分二 批下达的城市污水治理项目达1 1 7 项，约3 0 0 亿元，1 9 9 9 年又下达近百亿国家 债券资金，支持城市污水处理厂建设。为确保污水处理厂建设后的正常运行， 国家已明确在水价中增收排污费，五年多来，国家计委、建设部、国家环保总 局、国家经贸委、国家机械工业局等都行动起来支持和指导污水治理工作。 1 9 9 6 年的全国第四次环境保护会议强调保护环境是实施我国可持续发展的 武汉理工大学硕士学位论文 关键，并将防治水污染作为全国性重点。建设部、国家环保总局、科技部联合 发布了城市污水处理及污染防治技术政策明确指出，到2 0 1 0 年全国设市城 市和建制镇的污水平均处理率不低于5 0 ，设市城市的污水处理率不低于6 0 ， 重点城市的污水处理率不低于7 0 。据统计，截止到1 9 9 6 年底我国有城市6 6 6 个，城市污水年排放总量为3 5 2 8 1 0 8 t ，污水集中处理量为8 3 3 1 0 8 t ，污水 处理率约2 3 6 。建有城市污水处理厂1 5 3 座，但能达到二级处理排放标准的城 市污水处理能力仅为5 3 7 9 1 0 ”m d ，处理率不到5 5 。同时，我国城市污水 排放量还在以2 4 1 0 8 t a 的速度递增，而新增污水处理能力仅3 x1 0 8t a ，因 此，增建和扩建城市污水处理厂成为当务之急”。 1 1 2 污水处理厂设计及运行中存在的问题 我国已建的城市污水处理厂存在很多问题，其中有投资与收费问题，建设 与运行问题，分散与集中问题，污水与污泥协调处理问题等，许多专家已进行 过论述”。1 。城市污水处理厂的设计水质、水量确定是其中的一个重要问题。按 照国家环保总局城市污水处理及污染防治技术政策规定，在城市污水处理 厂工艺选择时应切合实际地确定污水进水水质，优化工艺设计参数。必须对污 水的现状水质、水量特性及污染物构成进行详细调查或测定，作出合理的分析 预测。表卜l 列出了南方若干城市污水处理厂实际运行水质现状。 表卜l 南方若干城市污水处理厂实际运行水质现状 年实际运行平均值设计值 污水处理厂名称b o d s ( m g l )s s ( m g l )b o d 5 ( m g l )s s ( m g l ) 各注( 年) 武汉水质净化厂6 08 01 5 02 0 01 9 9 7 广州大坦沙污水厂7 51 0 0 2 0 02 5 01 9 9 4 珠海香洲水质净化厂 5 4 52 1 51 0 01 5 01 9 9 4 珠海吉大水质净化厂 6 7 9 91 3 01 8 02 5 01 9 9 6 桂林北冲污水厂 3 46 l1 5 02 0 01 9 9 7 桂林第四污水厂7 09 91 5 02 0 01 9 9 7 长沙第一污水厂 r i o 41 6 5 11 5 02 0 01 9 9 6 昆明第一污水厂 6 4 o l5 5 1 31 8 02 0 01 9 9 5 2 武汉理工大学硕士学位论文 可见，由于南方城市人均用水量大、城市雨水较多、地下水入渗、化粪池 的设置和分流制中雨水混入等问题，使得城市污水处理厂的水质和水量的确定 更为复杂。表卜1 列出的现已建成的一些南方城市污水处理厂多年来进水的水 质和水量远小于设计值，未能充分发挥其效益”1 。 1 2 污水处理厂水质、水量调查与预测的意义 1 2 1 水质水量调查与预测是污水处理厂设计和运行的基础 城市污水处理厂的水质和水量是污水处理厂设计和运行的基础。 污水处理厂的规模直接关系着污水处理厂工艺的选择。污水处理厂工艺选 择首先应采用能够保证处理要求和效果的、技术合理和成熟可靠的处理工艺， 同时可结合处理厂所在城市的具体情况和工程性质，积极稳妥地采用污水处理 新技术和新工艺，对在国内首次选用的新工艺和新技术必须经过中试或生产性 实验，提供可靠的设计参数后方可采用。污水处理厂按其规模可定位于三个类 别， 2 0 万t d ，1 0 2 0 万t d 和5 1 0 万t d 。国内有关专家进行过论述， 已得到一些结论：大规模污水处理厂宜选用传统活性污泥法及其改进型；中小 规模污水处理厂，特别当规模1 0 万t d 时，宜选用氧化沟法及其改进型和s b r 法及其改进型；在1 0 2 0 万t d 类别范围内宜选用常用处理工艺。同时污水 处理厂的规模直接决定了污水处理构筑物的大小和运行的好坏，无论是一级处 理构筑物还是级处理构筑物，其有效容积均由污水厂的规模和排放标准决定。 污水处理厂的规模过大，不仅给运行管理带来不便，而且运行费用并未减少。8 1 。 城市污水设计进水水质指标的确定是污水处理厂工艺流程选择的重要依 据，与污水处理厂的建设费用、运行管理方式及其运行费用密切相关。武汉目 前唯一的一座二级污水处理厂武汉水质净化厂设计进水水质为b o d s1 5 0 m g l 、s s 2 0 0 m g l ，而年实际运行平均值为b o d 。6 0 m g l 、s s8 0 m g l ，其进水水质长期偏 低，有时经过一级处理后，基本上即可达标排放。由于工艺按设计水质确定， 未设超越初沉池的管段，因而曝气池污泥负荷偏低，充氧量过大，活性污泥生 长不良，运行效率降低。 1 2 2 水质水量的调查与预测的现实经济意义 我国城市污水处理厂建设缓慢的首要原因是资金短缺。为了达到“十五” 武汉理工大学硕士学位论文 规划和建设部城市污水处理规划要求，预测从目前到2 0 1 0 年，我国的城市污水 处理厂将以超常规的建设速度发展，预计将增加污水处理能力( 5 0 0 0 60 0 0 ) i 0 4 t d ，需新建城市集中污水处理厂1 0 0 0 余座。根据已建、在建污水厂的实际 情况，吨水造价一般在i 0 0 0 2 0 0 0 元之间，吨水运行费在0 8 - - i 4 元之间， 即建成一座5 0 i 0 4 t d 城市污水厂，一次性投资费用约在5 亿至1 0 亿元，年运 行费需数千万元甚至达亿元。预计全国所需的建设投资高达2 0 0 0 - - 3 0 0 0 亿元， 这还不包括每年上百亿元的运行费用”。 根据1 9 9 9 年国务院对武汉市城市总体规划( 1 9 9 6 2 0 2 0 ) 的批复，武汉市城 市发展总体目标：规划期内，武汉市的城市建设与发展要坚持可持续发展战略， 完善城市功能，发挥巾心城市作用，把武汉市建设成为经济实力雄厚、科学教 育发达、服务体系完备、城市布局合理、基础设施完善、生态环境良好、社会 高度文明并具有滨江、滨湖城市特色的现代城市，为把武汉建设成为城乡一体 化、开放型、多功能的现代化国际性城市奠定坚实的基础。但是，截至2 0 0 2 年 底，武汉市城市污水排放量已达到2 0 7 万吨日，而武汉市城市污水处理能力仅 5 3 万吨日，污水处理率仅2 5 6 ，远低于全国5 0 万以上人口城市污水处理率 4 1 4 的平均水平，离国家要求的2 0 0 5 年污水处理率达到6 0 的硬性指标及本届 政府提出的2 0 0 7 年污水处理率达到7 0 的要求距离更大。为此，武汉市水务集 团计划在未来的2 - 3 年内，通过世界银行、亚洲开发银行及波兰政府贷款，续 建汉阳南太子湖污水厂，同时开工建设汉西、龙王咀( 扩建) 、沙湖( 扩建) 、 三金潭、黄家湖、落步咀等6 座污水处理厂。 在武汉市城市污水处理建设进入高峰之时，对武汉市城市污水水质、水量 进行合理的预测，对于合理确定污水处理厂工艺、规模，以及缓解污水处理厂 建设资金的紧张状态、发挥投资的最大效益等都具有重要的现实意义。 1 3 城市污水水质水量调查与预测的主要方法和影响因素 1 3 1 城市污水处理厂水质水量预测方法研究现状 污水处理厂规模预测分为中长期预测和短期预测。长期预测是年预测，短期 预测包括日周期预测和星期预测。国内外专家学者关于城市污水水质水量的常 用预测方法主要分为两类”“： i 解释性预测( 回归分析) 法 4 武汉理工大学硕士学位论文 解释性预测方法，即找出被预测量的各影响因素，建立回归分析模型。此预 测方法主要有以下几种模型： ( 1 ) 回归分析法 该预测方法是通过回归分析，寻找预测对象与影响因素之间的因果关系， 建立回归模型进行预测，而且在系统发生较大变化时，也可以根据相应变化因 素修正预测值，同时对预测值的误差也有一个大体的把握，因此适用于长期预 测。而对于短期预测，由于用水量数据波动性很大、影响因素复杂，且影响因 素未来值的准确预测困难，故不宣采用。该方法是通过自变量( 影响因素) 来预 测响应变量( 预测对象) 的，所以自变量的选取及自变量预测值的准确性是至关 重要的1 。 ( 2 ) 指标分析法 指标分析法是通过对用水系统历史数据的综合分析，制定出各种定额，然 后根据定额和长期服务人口( 或工业产值等) 计算出远期值。该方法与回归分析 有很多相似之处，在定意义上它等效于以服务人口为自变量的一元回归，定 额相当于回归系数。所不同的是，回归分析具有针对性，而定额具有通用性， 与回归分析相比，它的工作量要小得多，但是由于定额的通用性，在对特殊城 市或地区进行排水量预测时会造成很大的误差。 ( 3 ) 系统动力学方法 系统动力学方法把所研究的对象看作是具有复杂反馈结构的、随时间变化 的动态系统，通过系统分析绘制出表示系统结构和动态特征的系统流图，然后 把各变量之间的关系定量化，建立系统的结构方程式，以便运用计算机语言进 行仿真试验，从而预测系统未来。该方法应用效果的好坏与预测者的专业知识、 实践经验、系统分析建模能力密切相关。通过系统分析、系统模型的建立，石丁 以对系统进行优化，再经过计算机动态模拟，可以找出系统的一些隐藏规律。 所以，该方法不仅能预测出远期预测对象，还能找出系统的影响因素及作用关 系，有利于系统优化。不过，系统分析过程复杂，工作量极大，且对分析人员 能力要求较高，所以不适用于短期排水量预测。而对长期预测，其优势是十分 明显的“。 i i 时间序列分析法 时间序列分析方法，它只依赖于被预测量的历史观测数据及数据模式，通过 序列分析，找出其顺序变化规律。时间序列分析方法相关研究较多，总的分为 5 武汉理工大学硕士学位论文 以下几种： ( 1 ) 滑动平均法 滑动平均法用过去几期的平均值作为下一期的预测值。数学模型是 s ，= 慨一l + s r 一2 + + s 卜) n 式中6 r 为t 时期的预测值，s 。，s 卜分别为t l 时期，t n 时期的实 际值，是求平均值时所取实际值的个数。 ( 2 ) 指数平滑法 以滑动平均法为基础，分为一次平滑，二次平滑，三次平滑。 ( 3 ) 自回归模型a r 自回归模型a r 是最常用的一种时间序列线性模型，它能描述现时刻数据与过 去若干数据之间的线性依赖关系。 ( 4 ) 自回归滑动平均模型a r m a a r m a 方法集时间序列模型之大成，是对自回归模型和移动平均模型的综合， 它将预测对象随时间变化形成的序列先加工成一个白噪声序列进行处理，所以 它可对任何一个用水过程进行模拟，对时预测、日预测和年预测均有效，且预 测速度快( 用计算机动态建模预测) ，能得到较高的预测精度。但是该方法与其 他时间序列方法一样，具有预测周期短、所用数据单一的缺点，只能给出下一 周期排水量的预测值，且无法剖析形成这一值的原因及合理的误差估计，所以 它更适用于优化控制的短期预测。此外，该方法还存在着明显的滞后性，即最 近一期实际数据发生异常变化时，由于模型的平滑作用，预测数据无法立即对 之作出反应，使得在预测一些异常值时造成较大误差，甚至失真“蚰。 ( 5 ) 灰色预测模型 灰色预测方法是一种不严格的系统方法，它抛开了系统结构分析的环节， 直接通过对原始数据的累加生成寻找系统的整体规律，构建指数增长模型。该 方法能根据原始数据的不同特点，构造出不同的预测模型，例如：应用于增长 速度有变化的灰指数模型，应用于处理有季节变化数据或噪声数据的灰色拓扑 模型，以及能包含多个用水量影响因素的g ( 1 ，n ) 模型，所以该方法的预测范围 很广，对长、短期预测均可，且所需数据量不大，在数据缺乏时十分有效“”。”1 。 ( 6 ) 人工神经网络方法 人工神经网络是一种由大量简单的人工神经元广泛连接而成的，用以模仿 人脑神经网络的复杂网络系统。它在给定大量输入输出信号的基础上，建立系 6 武汉理工大学硕士学位论文 统的非线性输入输出模型，对数据进行并行处理，被学术界称为无模型，而不 像传统方法( 从概念模型到数学模型) 的建模过程。实质上它是把大量的数据交 给按一定结构形式和激励函数构建的人工神经网络进行学习，然后在给出未来 的一个输入的情况下，由计算机根据以往“经验”判断应有的输出。该方法实 际上是对系统的一种黑箱模拟，更适于短期预测和动态预报短期负荷值以及动 态训练系统，在这方面不乏成功的实例。而对于长期预测，目前还未见有人进 行研究。而且即使能得到较高的预测精度，由于其“黑箱操作”对制定用水政 策、提高水的利用率方面并无帮助，因此，该方法不宣用于长期预测”“。 各种水质水量预测方法都有其自身的优点及不足，而水质水量预测就是结 合预测的目的、特点，根据其变化规律，合理地选择一种或几种预测方法，并 收集所需的数据进行预测。因此，在研究过程中必然会遇到预测方法的择优问 题。在一般情况下： ( 1 ) 对水资源规划、城市水量平衡前期所做的水质水量长期预测，由于其 用水对象复杂、预测周期要求长，更重要的是在预测工作完成后，还要制定政 策以能动地影响系统，因此宜采用回归分析法或系统动力学方法。 ( 2 ) 针对优化运行调度所进行的时预测和日预测，宜采用a r m a 模型成人工 神经网络模型，且充分考虑用水系统中其他因素的影响( 如天气等) ，并把实际 数据及时地传输给计算机，由计算机动态地完成建模一预测一再建模一再预测 过程。 ( 3 ) 对基础数据缺乏的城市或地区进行预测时，采用灰色预测方法进行建 模能得到较理想的预测结果。 “) 对旧设施改造前所进行的排水量预测，在用水结构变化不大且用水量 历史数据具有明显的规律性时，宜根据历史数据建立趋势模型，预测出服务期 限内的排水量。该方法较指标法针对性更强、预测值更准确，且计算方法也很 简单。不过，在前面条件不能满足时，还应采用指标法。 1 3 2 目前城市污水处理厂规模的主要影响因素 城市污水处理工程是一个综合性极强的系统工程，涉及的学科多，相关部 门多，其中任何一个环节不合理都会给工程带来影响和造成不同程度的损失。 其中污水厂规模的分析和预测更是如此。 7 武汉理工大学硕士学位论文 参考国内外的研究成果，污水j + 的规模主要与下列因素有关o ”0 2 ： ( 1 ) 城市人口包括常住人口和流动人口。通常是根据城市总体规划近、 远期及远景人口预测来确定的。当城市总体规划编制年限较早，尚未修编或修 编中，需对现状人口核实并进行合理的分析和预测。同时，确定人口时，要特 别注意旅游城市在旅游旺季出现人口峰值的特点及对城市水量变化系统的影 响。 ( 2 ) 城市性质及经济水平城市所在地域、自然条件、经济发达程度、人 民生活习惯及住房条件不同，城市居民用水量标准不同，因而城市污水量和水 质亦不同。 ( 3 ) 城市排水体制城市排水体制分为分流制和合流制。一般新建城市、 扩建新区、新建开发区及经济条件较好的城市宣采用分流制：一些大中型城市 中已建成的旧城区由于历史原因，一般为合流制，可改造成截流式合流制。根 据城市具体情况，同一城市的不同地区可采用不同的排水体制。城市排水体制 的选择直接影响污水量规模，当采用分流制时，设计污水量全部为城市污水( 包 括生活污水和工业废水等) ，当采用截流式合流制和分流制组合系统时，必须考 虑截流式、毫流系统中排入的雨水量，该雨水量与设计截流倍数有关，应进行科 学分析后合理确定。 ( 4 ) 工业废水由于城市结构各异，工业类型和工业比重不同，因而，工 业废水量及水质不相同。原则上工业废水必须经过厂内处理后达到“污水排入 城市下水道水质标准”后才可纳入城市管网，最终进入污水处理厂。但由于目 前我国对点源污染的管理体制和手段尚未健全，工业废水不经处理直接排入城 市下水道的现象屡有发生；因此在确定污水处理厂设计进水水质时，必须充分 考虑该因素的影响并留有适当的余地。同时，工业废水量是城市污水处理厂确 定处理规模的重要组成部分，必须对其废水量进行充分调查研究，合理确定工 业废水量。 ( 5 ) 污水管网完善程度污水管网完善程度对城市污水处理厂设计规模的 确定十分重要。管网的作用主要是承担城市污水的收集和输送。目前我国各城 市管网建设的完善程度不同，输送能力则不相同，各城市现状污水收集率和规 划污水收集率均不相同。当设计流域范围内处理污水量确定后，必须乘以污水 收集率才能得到排入污水处理厂的实际污水量。 ( 6 ) 规划年限规划年限是合理确定污水处理厂近、远期及远景处理规模 8 武汉理工大学硕士学位论文 的重要因素。应与城市总体规划期限相一致。根据“城市排水工程规划规范” ( 1 9 9 7 年版) 对规划年限条文的说明，城市一般为2 0 年，建制镇一般为1 j 2 0 年。规划年限分期，原则上应与城市总体规划和排水专项规划相一致。一般近 期设计年限宜采用5 1 0 年，远期宜采用1 0 2 0 年。 ( 7 ) 其它污染源除生活污水和工业废水污染源外，常常还有农牧业污染和 城市垃圾卫生填理场内渗滤液的纳入等因素。因此在确定污水处理厂规模时， 应对上述水量及水质进行综合平衡计算。 ( 8 ) 其它因素化粪池的设立对生活污水的水质的影响；应该考虑到南方 地区地下水位较高，地下水的渗入问题；管网的建设混乱，导致雨水进入污水 管网的问题。其中前项仅对水质影响，后两项对水质、水量均有影响。 1 4 存在的问题 由于城市污水处理厂规模的分析和预测影响因素甚多，且已掌握的预测对 象的特性指标及参数的历史资料又不充分，给预测工作带来了一定难度。在这 种情况下，使用任何种单一的定量预测方法与技术，都难以获得比较准确的 预测结果。解释性预测( 回归分析) 方法虽然能找出预测指标同各因素之间的 关系，但无法体现各因素随时间的变化。时间序列分析预测模型虽然能体现各 因素随时间的变化，但无法体现其影响因子的变化，严重地影响了预测的精度。 针对各种模型所存在的问题，可考虑将回归分析法与时间序列分析法( 如 灰色系统) 相耦合的方法来进行精确预测，因为不同模型之间耦合分析不但能 反映事物的变化趋势，而且能揭露事物之间的相互联系，而这方面的研究报道 很少。为此，本文将灰色动态模型和回归分析模型耦合，应用于城市污水量的 预测，以达到提高预测精度的目的。 1 5 本文的研究方法及主要内容 1 ) 分析筛选城市污水水质水量指标的主要影响因素 通过查阅大量文献、结合专家知识和实际检测数据，初步推断影响城市污水 水质水量指标的因素有：设计人口密度、气温、用水量标准、排水体制、地下 水渗入量、工业生产状况、生活水平等。 2 ) 武汉市青山区污水取样点水质水量指标的影响因素的分析研究 对青山港西泵站取样点的服务对象进行抽样调查，调查内容包括人口密度、 9 武汉理工大学硕士学位论文 生活水平、用水量、工业废水的水质与水量等。 3 ) 武汉市青山区落步咀污水处理厂服务范围内污染源评价 在生活、工业污染源调查的纂础上，应用数学方法一等标污染负荷法进行污 染源评价，筛选出该地区的主要污染源和主要污染物，从而确定对落步咀污水 处理厂影响较大的污染源和污染物。 4 ) 武汉市青山区污水水质监测分析 对青山港西泵站的取样点污水进行水质监测，分析确定监测点的污水水质现 状，并通过监测结果对青山地区污水水质的月变化关系和日变化关系进行分析， 得出有关结论。 5 ) 武汉市青山区落步咀污水处理厂进水水质水量预测 本文提出r 将多元回归分析模型和灰色系统g m ( 1 ，1 ) 耦合应1 ! i 于城市生活 污水量预测的方法和技术。首先根据多年城市生活污水量影响因素统计资料建 立了生活污水量与城市常住人口、第三产业从业人员比例、人均居住面积之间 的多元线形回归方程。之后根据城市常住人口、第三产业从业人员比例及人均 居住面积的历史资料，用g m ( 1 ，1 ) 模型拟合，再反推得到预测值。最后，将城 市常住入口、第三产业从业人员比例、人均居住面积的预测值代入多元线形回 归方程得到城市生活污水量的未来值。这样将环境污染与社会经济联系起来更 能反映环境质量的变化趋势。 因为本地区工业废水量基础数据缺乏，所以工业废水量采用指标法进行预 测。 此外，进入污水处理厂的总用水量还应考虑地下水的渗入量，污水处理厂的 实际处理水量还与管网的完善率有着直接的关系。 综合考虑以上因素，得出落步咀污水处理厂进水水量预测模型。 对于污染物指标年均值的预测主要通过排水管网服务区人口总量、人均污染 物指标、污水处理厂水量、工业污染物排放指标、污水管网系统完善率等参数 来进行预测，并得出其计算公式。 结合预测结果，确定武汉市青山区落步咀污水处理厂进水水质水量，以期对 其设计和决策提供有力证据。 6 ) 污水处理厂进水水质水量分析预测的最终目的是应用到工程实践中确定 污水处理厂规模、工艺并指导生产实践。基于预测的落步咀污水处理厂进水水 质水量，结合经济条件、管理水平、当地温度、工程地质、环境特点等因素综 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 合分析研究后确定落步咀污水处理厂污水处理工艺。 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章武汉市青山区概况与给排水现状 本文是结合武汉市青山区落步咀污水处理厂的设计工作进行的，对落步咀 污水处理厂的进水水质水量进行预测，以期对其设计和决策提供有力汪据。 2 1 武汉市青山区概况 青山区位于武汉市中心城区东北部，东南邻洪山区，西接武昌区，北濒长 江，南倚东湖，是武汉市5 0 年代以后形成的工业城区。在青山区自武汉钢铁公 司大型工业企业建成后，本地区得以迅速发展，相继配套建设了职工居住区、 商贸、科研等各项城市功能设施，在青山镇形成了以青山船厂、武汉石油化工 厂为主的机械、化工工业企业，其它地区主要有建材、设备加工等企业，城市 建设规模已基本形成。 根据武汉市城市总体规划，落步咀污水处理厂工程主要服务于主城武昌北部 地区( 以下称“青山”地区) ，行政划分主要为青山区，包括武汉钢铁学院( 武 汉冶金科技大学) 、红钢城、友谊大道和青山镇地区，落步咀污水处理厂服务区 范围为北起长江，南至沙湖港，东临工业港、武汉钢铁公司，西抵罗家港，面 积为3 0 1 k m 2 。 根据该地区的行政区划分布和武汉市公安局人口统计年鉴，并包括调查界 于工程服务范围线上的各行政街区人1 ：3 ，统计出2 0 0 0 年常住人口为3 4 8 9 万人。 根据市公安局“暂住人口管理统计年报表”资料，历年暂住人口占武汉市主城 人口的l o 一1 5 ，青山地区按当地常住人口的1 5 计算暂住人口，2 0 0 0 年该地区 实际人口为4 0 1 万人。 2 2 自然条件 2 2 1 气象 武汉市属北半球亚热带湿润季风型气候，常年雨量充沛，日照充足，冬冷 夏热，雨热同季，四季分明。 ( 1 ) 气温 多年平均气温： 1 6 9 极端高温：4 2 2 。c ( 1 9 2 0 年7 月) 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 极端低温： 最高月平均 最低月平均 ( 2 ) 降雨量 一1 8 1 ( 1 9 9 7 年1 月3 0 日) 2 9 o 。c ( 1 9 2 0 年7 月) 3 o 。c ( 1 9 9 7 年1 月) 多年平均降雨量：1 2 8 0 9 m m ( 1 0 7 年平均) 最大年降雨量：2 1 0 5 3 m m ( 1 8 8 9 年) 最小年降雨量：5 7 5 9 m m ( 1 9 0 2 年) 最大月降雨量：8 1 9 9 m m ( 1 8 8 7 年6 月) 最大日降雨量：3 1 7 4 m m ( 1 9 5 9 年6 月8 - - 9 目) 最大小时降雨量：1 0 2 1 m m ( 1 9 9 8 年7 月2 1 日) 暴雨多集中在4 8 月份，其间降雨量占全年降雨量的6 5 6 。 月份降雨量占全年降雨量的7 3 6 。 ( 3 ) 蒸发量 多年平均蒸发量： 1 4 9 4 o m m 年最大蒸发量：2 1 3 1 6 m m ( 1 9 5 i 年) 年最小蒸发量：9 6 2 9 m m ( 1 9 2 9 年) 最大月蒸发量：2 9 3 8 m m ( 1 9 3 4 年7 月) ( 4 ) 湿度 多年平均相对湿度：8 0 日平均相对湿度： 8 3 ( 5 ) 降雪 年平均降雪口：1 0 天 ( 6 ) 风向、风速 全年主导风向：东北偏北 冬季主导风向：北风和东北风 夏季主导风向：东南风 年平均风速： 2 7 m s 最大风速： 1 9 1 m s 1 3 武汉理工大学硕士学位论文 最大风力：九级 2 2 2 湖泊、河流水文 武汉市区地势低洼，江河纵横，港渠交织、湖泊棋布，以长江、汉江为主干 构成了庞大的水网。武汉市水域面积达2 1 4 3 6 k 甜，约占地域总面积的四分之一。 青山区主要河流一长江 长江自市区西南的白沙洲入境，横穿市区，在市区东北方向的白浒山附近 出境，市区内流长6 4 k m ，其中在中环线范围内长约2 5 k m 。该段长江河道顺直，江 面宽约11 0 0 t 1 2 0 0 m ，水深流量大。长江历史最大流量为7 6 l o o m 。s ( 1 9 5 4 8 1 4 ) ， 历史最小流量为2 9 2 2 m 3 s ( 8 6 5 2 4 ) ，多年乎均流量为2 3 5 0 0 m 3 s ，平均坡度为 0 1 5 9 。长江历年最高水位2 7 8 8 m ( 黄海高程系统，下同) ( 1 9 5 4 8 1 0 相当 吴淞高程2 9 7 3 m ) ，历年最低水位8 2 3 ( 1 8 6 5 2 4 ) ，多年平均水位1 7 3 3 m ，自 1 8 6 5 年以来，武汉关水位达2 5 1 5 m 以上的有1 8 年。氏江是青山区重要的饮用 水水源和工业供水水源之，也是青山区排水的主要受纳水体。 青山区主要湖泊一东沙湖水系 东沙湖水系主要包括东湖、沙湖、阳春湖、严西湖等水域，由沙湖港、东 湖港相连，并通过青山港设闸与长江相通。 东湖是长江中下游的一个典型的半封闭浅水型湖泊，位于武汉市长江以南， 湖区范围涉及武昌区、洪山区、青山区，东湖湖盆北浅南湖岸曲折，形成多个 形状各异的大小湖汊向岸边伸展，构成枝状的众多子湖，以贯穿东湖的湖心公 路为界，东部有汤菱湖、菱角湖、后湖和团湖，西部有郭郑湖、筲箕湖、天鹅 湖、水果湖和庙湖。东湖最高控制水位1 9 6 5 m ( 相当吴淞2 1 5 m ) ，最低控制水 位1 9 1 5 m 。湖水位1 9 5 m 时，湖水面积为3 2 8 k m ，