截流倍数分析计算方法.docx

截流倍数分析计算方法朱春龙(扬州大学水利与建筑工程学院)污水截流是城市水环境控制的一个重要措施。目前截流倍数的分析还没有成熟的方法 ,要考虑的因 素较多 ,如经济、环境、水文等 ,很难准确进行定量分 析。一般而言 ,截流倍数大 ,则工程投资要增加 ,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。在确定截流倍数时可以把目标定为在环境 标准许可的前提下 ,尽量使用较小的截流倍数。1 截流倍数分析方法确定截流倍数需先计算雨洪流量及雨洪污染物 浓度 、旱流流量及旱流污染物浓度 ,在此基础上 ,假定不同截流倍数进行调节计算 。图 1 为截流倍数分 析计算流程 。采用目前排水规范应用的暴雨公式 :a1 (1 + clg t)i =( t + b ) n式中i 暴雨强度 ,mmmint 降雨历时 ,mint 重现期 ,aa1 、c 、b 、n 地方参数 ,可查设计手册 ,或 据实测暴雨资料确定在选定设计重现期的条件下 ,为求得最大的设计洪峰流量 ,需选择适当的设计暴雨历时 ,这个历时 要足够长 ,以便整个流域的径流都能汇集到设计点 。 有了设计暴雨历时后 ,采用同频率法或芝加哥法可 得到非均匀雨量分配过程 。11112净雨过程计算推求净雨过程的方法较多 ,如下渗公式法 、经验 相关图法 、初损后损法 、径流系数法 、蓄满产流模型法等 ,降雨径流经验相关图法是一种行之有效的方法 ,可用下式表达 :333s rt =( s pt + pa + cp ) + c i - ci式中pa 前期影响雨量s pt 累积雨量s rt 累积产流量cp 、ci 产流公式参数 , 不同水文分区取 值不同具体计算时将城市流域分为透水区域与不透水 区域 ,透水区域用产流公式计算 ,不透水区域产流量与降雨量相等 ,用下式计算总产流量 :rt = pt imp + rct (1 -imp )图 1 截流倍数分析流程111雨洪流量过程计算11111设计暴雨过程计算式中rt t 时段总产流量imp 不透水面积占总面积的比例p t 时段内的降雨量t45工 程 实 例中国给水排水1999 vol . 15no . 4rct t 时段内透水面积上的产流量径流中污染物总量为 :( rct = s rt -11113 流量过程计算s rt - 1 ) 1mw = h t c fd h = c fh (1 -r ro t)0e mw 推求流量过程可采用等流时线法、经验单位线法 、瞬时单位线法 、水力学法等 。瞬时单位线法是指 无穷小时段内流域上均匀的单位净雨所形成的地面 径流过程线 。纳希 (nash) 用几个线性水库串联后 , 推导出纳希瞬时单位线公式如下 :cro =1fht (1 -e )式中f 流域面积 ,km2mw 污染物总量 ,kg采用下式计算污染物冲刷总量 :mw = qc ft1( t ) n - 1 e - ktu ( t) =k( n)k式中q 污染物冲刷率模数c式中n 水库数或调蓄次数k 分段内的传播时间( n) 伽玛函数借助 s 曲线可将瞬时单位线转化为时段长为 t 的时段单位线 u (t , t ) ,便于实际应用 。t 降雨冲刷历时113 混合流污染物浓度计算根据计算区域规划人口情况 、工业布局等确定 旱季流量 q 和旱季污染物浓度 c ,将合流制管渠模拟为零维完全混合反应器 ,则混合流的污染物浓度 用下式计算 :s ( t) = t u ( t) d t0u (t , t ) = 1 s ( t ) - s ( t - t ) c q + c qt根据瞬时单位线 ,用卷积公式可求出流量过程 :r r f fch =qr + qf式中114ch 混合流污染物浓度溢流流量及污染物浓度计算q ( t ) = kc 0 r ( t - ) u () dt式中kc 考虑流域面积及计算时段长的单位换算因子n 、k 参数 ,可由实测资料确定 ,或查有关 资料用经验公式计算溢流流量用下式计算 :如果 qr n0 qf ,则 q0 = qr - n0 qf若 qr n0 qf ,则 q0 = 0n0截流倍数q0溢流流量 溢流污染物浓度用下式计算 : 若 q0 0 ,则 c0 = ch若 q0 0 ,则 c0 = 0式中112 径流污染物浓度计算采用非点源运动波模型计算 ,其基本假定为 :流 域不透水 ,污染物守恒 ,在降雨开始前均匀分布于整个流域 ,并在径流中均匀混合 。径流污染浓度的运 动方程如下 :2115截流倍数确定用非稳态水质模型模拟不同截流倍数下受纳水 体的水质变化情况 ,与受纳水体环境保护目标进行对照 ,满足受纳水体环境保护目标的最小截流倍数 即为所求 。2 算例211 基本资料某市位于江苏省中南部 ,为了对城市水环境进 行控制 ,老城区采用截流式合流制 ,截流旱流污水和 污染严重的初期污水 。计算区域面积 3105 km2 ,设计重现期 1 年 。根据设计手册 , 暴雨公式中 a 取14148 , c 取 01787 , b 取 1015 , n 取 0178 ,设计历时取24 h ,计算时段长为 30 min 。根据江苏省暴雨洪水图5 cr5 cr5 cr cr 5 h= d-u5 x25 t5 xh 5 tt式中cr 污染物浓度ht 总净雨深h 净雨深d 弥散系数u 平流质点流速由假定将运动方程简化为 :d cr cr d h= -d th d tt( - hht)解得式中cr = cro hcro 积分常数 ,表示降雨开始时的污染物浓度46中国给水排水1999 vol . 15no . 4集 ,产流参数 cp 取 30 , ci 取 105 , 设计前期影响雨量取 6313 mm , n 取 2 , k 取 1172 h ,不透水面积与总 面积比例为 013 ,污染物指标采用 codcr , 根据有关 资料 ,污染物输送率模数取 1215 kg(minkm2 ) ,旱季 流量取 0125 m3 s , 管网的污水执行污水综合排放 标准( gb 8978 1996 ) 三级标准 , 假定管网污水 codcr 为 500 mgl 。降雨量 ,用同频率法求得暴雨过程 ;用江苏省暴雨洪水图集中的降雨径流关系计算出净雨过程 ; 用瞬时 单位线法计算出径流流量过程 ; 用非点源运动波模 型计算出径流污染物浓度过程 ; 由零级完全混合反 应方程可得混合污水污染物浓度过程 。213 截流倍数分析截流倍数取 2 、3 、4 时 ,分别计算溢流流量 、过程 及溢流污染物浓度过程 , 见表 1 。表 2 为不同截流 倍数下溢流情况统计表 。212模拟计算根据暴雨强度公式计算出总降雨量及各种历时表 1不同截流倍数溢流过程(mgl)表 2 不同截流倍数下溢流情况统计表标准 。参考文献朱元生 ,金光炎 1 城市水文学 1 南京 : 河海大学出版社 ,1989吴熊勋等 1 城市水环境污染控制 1 南京 : 东南大学出版 社 ,1989黄时达等 1 三峡工程与环境污染及人群健康 1 北京 : 科 学出版社 ,1994peter stahre . stormwater detention. prentice hall ,1990harry c tomo . urban runoff pollution. springer - verlag berlinheidelberg ,1986stephan j nix. urban stormwater modeling and simulation12根据规划 ,受纳水体定为 类水体 。据污水综合排放标准( gb 8978 1996) 规定 ,城镇二级污水 处理厂 cod 最高允许排放浓度 120 mgl ( 二级标准) 。作为一种粗略考虑 ,溢流按污水处理厂尾水看 待 ,满足排放标准的最小截流倍数为所求截流倍数 。 由表 1 可知 ,截流倍数取 4 时截流最大浓度为119 . 3 mgl ;截流倍数取 3 时 , 溢流最大浓度为 128 . 2 mg l 。从环境方面考虑 , 截流倍数应取 4 , 但应注意到截流倍数取 3 时 ,只有一个时段的溢流浓度超过 120 mgl ,且流量很小 ,而截流倍数由 4 到 3 可节省很多 投资 ,因而从经济环境方面综合考虑 , 截流倍数取3 。这样既能节省投资 ,又能基本达到污水综合排放34567 larry a roesner. design of urban runoff quality controls 作者通讯处 : 225009 扬州大学水利与建筑工程学院122 信箱(收稿日期 1998 - 09 - 07)47截流倍数溢流历时( h)溢流总量(104 m3 )径流总量(104 m3 )溢流 qm(m3s)管道 qm(m3s)2177. 8123. 870. 753116. 6123. 621. 0049. 55. 7123. 371. 25序 号截流倍数取 2截流倍数取 3截流倍数取 4序 号截流倍数取 2截流倍数取 3截流倍数取 4流量(m3s)浓度(mgl)流量(m3s)浓度(mgl)流量(m3s)浓度(mgl)流量(m3s)浓度(mgl)流量(m3s)浓度(mgl)流量(m3s)浓度10. 115164. 30. 00. 0142. 01159. 51. 76159. 51. 51159. 520. 248146. 00. 00. 0151. 74663. 61. 49663. 61. 24663. 630. 534119. 30. 284119. 30. 034119. 3161. 47569. 11. 22569. 10. 97569. 141. 58477. 31. 33477. 31. 08477. 3171. 23675. 40. 98675. 40. 73675. 452. 84458. 62. 59458. 62. 34458. 6181. 05781. 10. 80781. 10. 55781. 163. 55751. 83. 30751. 83. 05751. 8190. 86289. 00. 61289. 00. 36289. 073. 86848. 63. 61848. 63. 36848. 6200. 73195. 50. 48195. 50. 23195. 583. 85047. 33. 647. 33. 35047. 3210. 594103. 70. 344103. 70. 094103. 793. 68147. 13. 43147. 13. 18147. 1220. 483111. 70. 233111. 70. 0103. 39