（环境科学专业论文）合流制排水系统雨天溢流污染控制及优化调度研究.pdf

a b s t r a c t t h ec o m b i n e ds e w e ro v e r f l o wp o l l u t i o no fj i z h u a n g z id r a i n a g es y s t e mi ss t u d i e d b yc o l l e c t i n gt h ed a t ao f t h ed r a i n a g ep i p e l i n e sa n dp u m p i n gs t a t i o n s ，c o m b i n e dw i t h t h e s p e c i f i c c h a r a c t e r i s t i c so fr a i n f a l li nt i a n ji n ，t h ec o m b i n e ds e w e rs y s t e mo f j i z h u a n g z ii se s t a b i l i s h e d t h ei n f l u e n c ef a c t o r so f o v e r f l o wa n dt h ec o n t r o lm e a s u r e s t op r e v e n to v e r f l o wp o l l u t i o na r ed i s c u s s e da n dt h ec o m p r e h e n s i v eo p t i m i z a t i o n s c h e d u l i n gs o l u t i o ni sp r o p o s e d t h em a i nc o n c l u s i o n sa r ea st h ef o l l o w i n g ( 1 ) b ya p p l y i n gt h ea r c g i s ( g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m ) p l a t f o r m ，r s ( r e m o t es e n s i n g ) t e c h n o l o g yi si n t e g r a t e dw i t ht h ei n f o w o r k ss o f t w a r ea n dt h e c o m b i n e ds e w e rs y s t e mm o d e li se s t a b l i s h e d b a s e do nt h em e a s u r e dd a t ao fr a i n f a i l a n de x p e r i m e n t a ld a t ao ft i a n j i n ，t h ep a r a m e t e r so fm o d e la r ec a l i b r a t e d ( 2 ) d i f f e r e n tc o n d i t i o n so fu n d e r l a y i n gs u r f a c e ，r a i n f a l l ，p i p en e t w o r ks t a t eo f t h e c o m b i n e ds e w e r s y s t e ma r es i m u l a t e d i ti ss h o w nt h a tt h ei n c r e a s eo fg r e e ns p a c ea n d r e d u c t i o no ft h er u n o f fc o e f f i c i e n tc a ne f f e c t i v e l yr e d u c et h eo v e r f l o w w i t ht h e i n c r e a s eo fr a i n f a l lr e t u r np e r i o d ，t h eo v e r f l o w sa r ei n c r e a s e do b v i o u s l y t h et i m eo f r a i n f a l lo np e a kt i m eo fs e w a g ew i l lc a u s em o r eo v e r f l o w c o n t i n u o u sr a i n f a l l i sa n i m p o r t a n tf a c t o rt ot h ei n c r e a s eo fo v e r f l o w e m p t y i n gt h ep i p en e t w o r ka n dc l e a n i n g t h en e t w o r kb e f o r er a i n f a l la r ev e r yn e c e s s a r y ( 3 ) s o u r c e so fc o m b i n e ds e w e ro v e r f l o wp o l l u t a n t sa r ea n a l y z e d t h ed i f f e r e n t t y p e so f t h eu n d e r l y i n gs u r f a c eo v e r f l o wp o l l u t i o ni ss i m u l a t e do nt h ec o n d i t i o n so f d i f f e r e n tr a i n f a l li n t e n s i t ya n dt h ep r o d u c t i o np r o c e s so ft h ep o l l u t a n t s ，t h ec h a n g er u l e o fc o n c e n t r a t i o na n dt h eo v e r f l o wp o l l u t i o na r eo b t a i n e d t h ec o n t r o ls t r a t e g yo f o v e r f l o wp o l l u t i o ni sd i s c u s s e d ( 4 ) o nt h eb a s i so ft h ea n a l y s i st ot h ef a c t o r so fo v e r f l o wa n dt h em e a s u r e st o p r e v e n to v e r f l o wp o l l u t i o n ，ac o m p r e h e n s i v eo p t i m i z a t i o ns c h e d u l i n g s o l u t i o ni s p r o p o s e dt or e d u c et h eo v e r f l o wp o l l u t a n t s t h ec l o s u r et u b es c h e d u l i n gi ns h a n g h a i r o a dp u m ps t a t i o n ，t h ec o n c e n t r a t i o nc o n t r o li nt h ee n do fp i p e l i n en e t w o r k sa n d t r e a t m e n to fw a s t e w a t e rp l a n ta r ea p p l i e d t h er e s u l t ss h o wt h a tt h eo p t i m i z a t i o n s c h e d u l i n gs o l u t i o nr e d u c e se f f e c t i v e l yt h eo v e r f l o wp o l l u t i o n k e yw o r d s ：c o m b i n e ds e w e rp i p e l i n e s ，c o m b i n e ds e w e ro v e r f l o w , i n f o w o r k sc s ， p o l l u t i o nc o n t r o l ，o p t i m i z a t i o ns c h e d u l i n gs o l u t i o n 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 自从有了人类的生活和生产活动，便因为用水和排水对水的自然循环产生了 量和质两方面的影响。伴随着社会进一步发展，我国人口数量不断增加，工业和 农业的生产水平也随之不断进步，这种快速发展虽然带来了经济增长，但同时也 使人类活动的影响程度进一步加大。人类活动所排放的废水已严重污染了自然水 环境系统，不仅地表水水质遭受污染，地下水水质也在不断恶化，这一情况已严 重危害到水生动植物的生长及人类的身体健康。我国是一个水资源匮乏的国家， 人均水资源占有量仅为世界人均占有量的四分之一，而且在时空分布上极不均 匀，许多地区和约3 0 0 个城市缺水，其中严重缺水的城市有5 0 个。目前，由于 人类生活及生产活动所排放的废水已严重污染了天然水体，我国遭受不同程度污 染的河流湖泊己达到8 0 ，水环境污染己成为我国亟待应对与解决的环境问题之 随着我国国民经济的发展和改革开放的深入，城市生产力不断增大，城市居 民人口密度也不断增加，这必然导致城市生活污水排放量增加。如果不断增加的 生活污水得不到及时而有效地处理，那必然会制约城市的进一步发展，也会对城 市居民日常生活造成严重影响。因此，市政部门需要规划一套行之有效的城市排 水管网系统，来收集与输送城市的生活污水与生产废水。城市排水管网系统是一 套完整的工程设施，它包含了地下管道、暗渠与地表的明渠以及城市的内河及防 洪设施，它能够有效地避免污水与暴雨积水的危害，保障了城市生活与生产的有 序进行。因此，城市排水管网系统是城市重要的基础设施。 城市排水管网作为城市重要的基础设施，它是一个规模庞大、结构复杂的网 络系统，主要包括污水管网、雨水管网、合流制管网以及城市内河与排洪设施。 由于城市排水管网的排水体制各有不同，因此我们可以将目前的城市排水系统分 为两大类，即合流制系统与分流制系统。合流制排水系统在收集降水、城市污水 与工业废水时，采用了统一的排水管网系统，并在合并收集和处理后加以排除。 分流制系统则是将需要进行处理的生活污水、工业废水由污水管道系统接纳，而 不需处理的则由雨水系统接纳。对于某些干旱地区和汇水面积较小的村镇，合流 制排水系统的优势便得以显现，成为较为适用的排水系统。但是由于合流管渠平 第一章绪论 时输送的旱季污水量和雨季输送的合流污水量相差悬殊，导致合流管渠容易发生 沉积物，因此，在合流管渠的设计中必须注意解决污水输送过程中出现的问题。 另外，混合制也是城市中常有的排水系统，它是同时包含了合流制与分流制的排 水系统。城市排水管网的任务和作用是进行污染控制和流量控制。 随着城市建设步伐的加快，市政排水管网的建设进入了快速发展时期，但由 于不同地区的自然条件以及其它因素的影响，传统的合流制排水体制仍被广泛的 应用于各大城市，尤其是在老城区。如今，我国的许多城市仍然保留了合流制排 水系统。在这些城市中，或多或少均存在雨天合流制溢流污染问题，溢流污水中 含有的各种病原微生物、氮磷等营养元素及各种治病菌和有毒有害物质，这均对 城市水体产生了严重的威胁，因此合流制溢流污染已成为造成我国天然水体遭受 污染的主要污染源之一。伴随着我国经济快速发展，城市建设脚步也进一步加快， 如何有效地控制与治理城市雨水问题及合流制溢流污染问题己成为我国城市化 建设进程中面临的重大问题。因此，为了能够根本改善城市水环境质量，城市市 政部门需要重视与强化合流制管道溢流污水的控制和管理【2 1 。 1 2 国内外合流制溢流污染研究现状 1 2 1 合流制溢流污染现状 在暴雨或融雪期条件下，由于大量雨水流入排水系统，合流制排水系统内的 流量超过截污流量时，超过排水系统负荷的雨污混合污水便会直接排入受纳水 体，这被称为合流制管道溢流( c o m b i n e ds e w e ro v e r f l o w s ，简称c s o s ) 。合流 制管道溢流不仅会严重影响水生生物的生长繁殖，造成水体富营养化，污染受纳 水体，还会对城市居民的健康产生不利影响，制约城市的可持续发展。随着人们 对水体环境要求的不断提高，c s o s 污染的控制问题引起了越来越多的重视1 3 j 。 合流制管道溢流主要由三种不同性质的水流组成，分别是生活污水、工业废 水和雨水。同时，在c s o s 中还含有污水输运过程中产生的管道底泥，这些底泥 包含了大量的污染物及致病微生物。当雨水量过大，而发生了合流污水溢流情况 时，污水来不及处理便会排入水体，这会对水体环境产生严重污染。 旱季时，合流制管网中只有生活污水，水量较小，流速较慢，而雨季时，雨 水径流流入合流制管网，水量变大，流速较高。因此，合流制管网中污水的水量 和水质是变化的，旱季时合流制管网中容易产生沉淀，而在雨季时，由于雨水将 早天沉积在管网的污染物冲刷下来，使合流污水中污染物的浓度比降雨径流大很 多。 第一章绪论 因此，c s o s 污染具有以下特点： ( 1 ) 伴随降雨过程中雨量的不断变化，合流制管网中污水流量会随之变化。 ( 2 ) 伴随不同地区气候及降雨量的变化，合流制管网中污水浓度会随之变 化。 ( 3 ) 由于受纳水体的情况的不同，溢流所造成的污染程度也不同。当c s o s 污水排入了流速较快的受纳水体中时，由于水体自身稀释能力和自净能力都比较 强，那么c s o s 污水对受纳水体的污染影响将被降低。然而当河流流速比较小， 并且随季节性的变化又比较大时，c s o s 就会造成比较严重的污染。 合流制系统溢流污染对受纳水体的影响由降雨过程引发，在某些方面与雨水 径流相似，均是将汇水流域上的污染物非连续性地排入受纳水体从而对其产生影 响。但两者也存在的显著区别，即污染物的种类和浓度会因污染源的不同而有所 差别。汇水流域中污染物的种类和浓度取决于它的特征和功能，故其污染物主要 是与生活污水有关的各种污染物和病原微生物。而c s o s 的污染正是取决于汇水 流域的特点和功用，若c s o s 不经处理直接外排，将会对受纳水体造成严重影响。 主要包括以下几方面1 4 】： ( 1 ) 威胁水生动植物 c s o s 不经处理而排放的过程会使大量的有机污染物进入水体中，这会使水 体中的微生物大量繁殖，水体中溶解氧的消耗速率因此随之增大，这一过程将使 水体中溶解氧的量不断减少，最终导致水生动植物因缺氧而无法正常生长。与此 同时，污水中的有毒有害物质和各种致病菌进入受纳水体，这对水生动植物的生 长也会产生严重影响。 ( 2 ) 水体富营养化 溢流污水中含有大量的氮、磷等营养物质，这些营养元素含量的增加将导致 水中藻类等生物异常繁殖，水体随之呈现褐绿色，出现水华，影响水体功能。而 当此类水体作为水源时，也会造成给水处理的困难，提高制水成本。 ( 3 ) 减弱亲水感 c s o s 污水携带大量的固体颗粒物，它们会随排放过程而进入城市河道中， 使城市河道水体颜色加深，水质浑浊，影响了城市河道整体美感，故其亲水性被 减弱。 ( 4 ) 威胁人类健康 溢流污水中含有大量微生物，它们在水体中不断繁殖并随着水体传播。c s o s 污水中的微生物包含了各种致病菌，它们的繁殖与传播将严重威胁城市居民的身 体健康，甚至成为人类疾病的致病源之一。 第一章绪论 ( 5 ) 制约城市的可持续发展 城市河道的重要作用之一便是缓解城市热岛效应，因为河流能够有效地调节 城市气候。一旦城市河道因合流制溢流而被污染，水体水质将会被排入的污染物 影响，那么河流调节城市气候的功用也会随之被影响，这不利于城市的可持续发 展。 ( 6 ) 影响污水处理厂运行管理 相比分流制排水管网系统的污水处理厂而言，合流制污水处理厂的设计流量 要更大，因为合流制污水处理厂的水质水量会不断地发生变化，这种大幅度的变 化会在一定程度上影响污水处理厂的运行管理【5 j 。 合流制排水系统的溢流排放是我国地表水污染的主要问题。城市的地表水是 城市赖以生存的根本，因此，研究合流制排水系统溢流污染的影响因素对保护城 市水环境具有重要作用。具体而言，影响c s o s 的因素包含以下几个方面： ( 1 ) 降雨条件 降雨特征对地表径流的浓度有很大影响。降雨强度越大，污染物被冲刷的动 能越大，c s o s 污染物浓度也越大。降雨历时决定着污染物被冲刷的时间，降雨 量决定了稀释污染物的水量。降雨间隔时间决定了地面污染物的累积量，间隔时 间越长，地面累积的污染物越多，一旦下雨，c s o s 污染物浓度则相应增大【6 ，7 1 。 ( 2 ) 管道沉积物 管道沉积物是影响c s o s 的主要因素之一。有研究表明，合流制排水系统排 入河道的污染物约有6 0 来自于管道沉积物。这主要是由于旱季沉积在管网内的 污染物被雨天大量的雨污水冲刷而混入合流制雨污水中，导致污染物浓度的升高 【8 1 。 ( 3 ) 下垫面特征 地表特性及功能区的不同对雨天溢流水质和流量的影响也很大。城市土地利 用类型决定着污染物的性质、积累速率和径流系数。地面情况包括：土地利用类 型、地形地貌、下渗能力、截流能力、植被覆盖率、调蓄能力等。土地利用类型 包括：商业区、工业区、交通区、居住区、绿化区以及建筑施工区。其中，商业 区和交通区的污染程度一般高于较低密度的居民区。绿化区施用的化肥和农药则 成为地表径流污染物的来源p j 。 ( 4 ) 截流倍数 截流倍数一定程度上能够反映合流制排水系统的综合截流污水的能力。它是 指在排水系统中，被截流的雨水量与晴天污水量的比值。这个比值越大，则说明 排水系统管径越大，收集的污水量就越大。截流倍数的大小直接关系到合流制排 水系统雨天溢流水量和水质。若截流倍数过大，则需要加大截流干管和污水厂的 第一章绪论 规模，随之增加的是基本运行费用；若截流倍数偏小，混合污水便会直接排入水 体而造成污染 10 1 。 1 2 2 国内外研究现状 国外很多城市采用合流制管道系统，他们对合流制管道溢流污染控制研究的 历史己久。德国、美国、日本等国自2 0 世纪6 0 年代起就开始了对合流制排水系 统雨天溢流污染的研究，并制定了有关于c s o s 污染控制技术的设计规定和标准。 1 9 5 5 年，日本由于要提高城市排涝标准，在部分河道下游的城市中积极地 采用合流制下水道装置系统。但是，采用这种施工方便且价格低廉的合流制下水 道也随之带来了弊端。在降雨量大时，雨水与污水混合后未经处理便通过自然出 口和泵站直接排放入河流，从而造成了受纳水体的污染。因此，为了保护公共水 域水质安全，在1 9 7 0 年日本部分修改了下水道法，并且还成立了合流制管道系 统顾问委员会来研究c s o s 污染的控制问题。目前，日本主要通过截流和调蓄措 施控制合流制系统溢流。合流制管道系统在日本的大多数城市都被保留了下来， 在日本采用合流制管道系统的城市共有1 9 2 个，主要在格栅、高效过滤、沉淀和 分离领域开展对c s o s 污染的控制研究。为了解决c s o s 污染问题，日本政府还 建造了许多控制设施，如雨水储存管、雨水隧道、蓄水池等【】。 美国在c s o s 控制方面的研究比较成熟。2 0 0 4 年8 月2 6 日，美国环保署( e p a ) 正式向国会提交了一份关于解决污水溢流问题的研究报告，总结了目前合流制管 网系统的特征及其对人体健康和环境的影响，同时还阐述了为减少溢流污染所消 耗的资源和技术情况，指出了控制污水溢流对保护公众健康和防止水体污染是十 分重要的。c s o s 问题主要发生在美国东北部和五大湖地区最初建造的合流式污 水系统中【1 2 】。当系统无法承载污水和雨水的总量时，污水将直接排放到河水、溪 流或沿海水体中。由于污水中含有大量的微生物病原菌、悬浮固体、有毒物质、 营养物质、垃圾和其他消耗水中溶解氧的物质，它的直接排放会造成海滩关闭、 贝类养殖场停工、饮用水污染和其他影响人体健康和环境的问题。 e p a 提出了四点建议来控制和减少c s o s 污染，并认为此建议是取得更大成 就所必须采取的措施【l3 】： ( 1 ) 增加充足的资金投入来维护和改善国内污水处理基础设施； ( 2 ) 从整体上综合把握污水处理项目和实施行动措施； ( 3 ) 开展和改善监测和报告制度，为决策者提供更好的数据支持； ( 4 ) 进一步强化联邦政府、州政府、产业界、非政府组织和公民之间的合 作关系。 1 9 9 5 年，美国环保署出版了“c s o s 的长期控制计划指导”h 4 及“九项基本 第一章绪论 控制措施”【”】。e p a 希望市政系统在得到具体的监测数据后，结合本地区排水 系统的特性，制定出长期的c s o s 控制计划，并将“九项基本控制措施”结合在 其中( 见表1 - 1 ) 。 表1 - 1c s o s 九项基本控制措施指南1 6 1 基本控制控制方法举例 设施的运行维护 使收集系统的储存能力最大化 加强对预处理设施的调整 污水处理厂处理的最大流量 削减旱季污水溢流 c s o s 中的固体和悬浮物质的控制 污染预防 公共宣传 监测溢流污染影响和控制措施成效 维护、检修设施；清理沉积物；修理泵站； 检查系统运行。 增加下水道储水能力、增大水力停留时间、 清除沉积物、调整和增大截流泵站。 体积控制：优化储存池、限制流量、减少径 流、增设挡板污染控制：暴雨处理、日常管 理、b m p 措施。 分析流量、评估设计能力、调整内部管道、 分析管道系统运行情况。 执行常规检查；去除非法连接；清理、检修 倒流制管道系统。 增加挡板、格栅、筛网、截流井；源头控制、 街道清洗、公众教育、固体废物回收。 源头控制、保护水资源。 记录：电视、报纸报道；信函通知。 确定所有c s o s 排水口；记录c s o s 发生的 次数、频率和持续时间；总结受纳水体的水 质数据；总结c s o s 的影响。 德国在2 0 世纪8 0 年代后期就将城市雨水污染控制列为水污染控制的三大目 标之一，对源头污染控制、c s o s 污染控制和雨水径流污染控制的结合问题十分 重视。修建大量的雨水池截流处理c s o s ，以及采取分散式源头生态措施净化雨 水。德国通过全面、系统的规划，较快地控制了c s o s 污梨1 7 】。 另外，加拿大也一直致力于研究c s o s 污染的控制方法，并在2 0 0 6 年成立 了环境评估小队，主要负责监控c s o s 控制计划的实施进展【l 引。法国、瑞典、英 国等国家也都采取了相应的措施来控制c s o s 污染。 我国自2 0 世纪8 0 年代就已经进行过一些治理雨水溢流污染的相关研究。由 于当时工业废水与城市污水污染问题更为突出，我国对c s o s 污染的控制一直没 有予以足够的重视，从而一直以来都以简单的“雨污分流”思想来指导控制c s o s 第一章绪论 污染问题，轻视源头控制，忽略管理方法，更加没有制定相关的法规与技术指导 标准。 随着工业废水及城市污水问题得以解决，雨天溢流污染问题开始成为城市水 环境管理领域的热点问题。由于合流制系统溢流造成的污染更为严重，各国市政 管理部门都予以足够的重视。随着人们对水污染与水环境治理问题的关注不断提 高，对c s o s 污染及控制问题的认识不断加深，国内一些城市开始逐步重视了 c s o s 污染问题，并开展了相关研究及相应治理措施。 上海于2 0 世纪9 0 年代起就开始对c s o s 进行控制。上海市中心城区大多数 的排水系统仍为合流制排水系统，由于大量污水未经处理就直接排入黄浦江、苏 州河中，这造成了水体水质的严重污染。为了缓解合流制排水系统溢流污染问题， 上海加紧了对合流制排水系统溢流污染控制的相关研究，研究主要集中于对初期 雨水进行调蓄处理并配套相应的管理措施，加强污染源头的治理与控制，将工程 措施和非工程措施相结合。上海在2 0 0 3 年至2 0 0 5 年期间实施的苏州河环境综合 整治二期工程中新建了成都路、梦清园、昌平路、芙蓉江和江苏路等5 座大型合 流污水调蓄池( s c d t ) ，其中成都路合流污水调蓄池是国内首座运行的城市大型 合流污水调蓄池。在综合整治过程中，针对c s o s 污染问题，上海采取了提高截 流倍数，建设地下调蓄池和提高运行调度管理水平等措施【l 9 1 。 武汉市主城区包含有七个中心城区和两个开发区，主城区的规划排水体制现 状是：老城区仍然保留合流制排水管网系统，老城区面积约占规划总面积的五分 之一：其余地区为分流制。武汉市先后在青山区红钢城、武昌水果湖、沌口开发 区、汉口长丰南北垸、东湖开发区、汉阳二桥等地区按规划建成了雨污分流的排 水系统，但在上述地区，真正分流制并未形成，反而造成了排水体制的混乱局面， 存在着众多的问题：雨污混接现象普遍存在；己建污水处理厂规模普遍偏小；排 涝与截污矛盾突出，湖泊污染严重。在近几年，武汉市为此投入巨资，先后对东 湖、月湖等市区重点湖泊实施了截污工程。在“雨污分治”原则指导下，湖泊截 污工程主要考虑截流旱季污水，截流倍数为0 1 。同时在主要入湖口取消溢流井， 改设封闭式闸门。对于合流制排水系统，通过提高截流倍数和增加截流量，来有 效减少溢流次数及避免合流污水直接污染受纳水体。通过改造、增加截流支管等 方法将截流量提高，使雨天溢流情况得以缓解1 2 。 广州市雨季合流制管道溢流情况严重，市政部门为了解决问题，针对老城区 的情况提出雨污合流的污水收集和处理方法，并提出了八项措施，用以改善雨季 合流制管道溢流情况。措施包含：检查井底部以防止污染物沉积、在雨水溢流井 内放置过滤格栅、减少溢流口直排入河的污水量、增强污水管网排水能力1 2 1 | 。 虽然我国许多城市己经采取了相应的措施来控制c s o s 污染，但是我国c s o s 第一章绪论 污染研究与控制技术水平还很落后，没有形成完善的技术体系和相应的管理政策 和法规。 1 3 排水管网模型与选择 1 3 1 模型介绍 排水管网模型是对实际排水管网系统的合理抽象与概化。通过排水管网模 型，我们能在各种假设情景下，根据城市的地表降雨径流和排水管网的汇流规律， 模拟城市排水管网系统的运行特征，掌握城市排水管网的运行规律，以便对排水 管网的规划、设计和运行管理作出科学的决策。 计算机排水管网模型中，最具标志代表性的是美国环保署1 9 7 1 年开发的 s w m m 模型，直到今天，我们仍可以在各个领域内看到它的身影。紧接着，一 大批类似的排水管网模型相继问世，其中包括h rw a l l i n g f o r d 软件公司开发的分 布式城市排水管网模型( w a l l i n g f o r dm o d e l ) 、美国水文工程中心开发的s t o r m 模型( s t o r a g et r e a t m e n to v e r f l o wr u n o f rm o d e l ) 、美国环保署开发的q q s 模型 ( q u a n t i t y q u a l i t ys i m u l a t o rm o d e l ) 和伊利诺斯i l l u d a s 模型( i l l i n o i su r b a n d r a i n a g e a r e as i m u l a t o rm o d e l ) 。 目前国内外运用较多的城市排水管网模型众多，本节主要介绍以下几个有代 表性的模型。 ( 1 ) w a l l i n g f o r d 模型 w a l l i n g f o r d 模型可用于市政给排水、污水系统、河流治理等方面的规划、设 计和实时调度。w a l l i n g f o r d 采用分布式模型模拟降雨径流，采用双线性水库 模型模拟地表径流，采用完全求解的圣维南方程模拟管道流动。w a l l i n g f o r d 模型可以很好地模拟城市排水系统的运行状态，为相关部门进行排水系统的现状 评估、新建规划设计、改造预测评估等提供模拟数据以及科学借鉴。对于不同体 制的排水系统，w a l l i n g f o r d 模型可以进行同步模拟，并且可以提供各种排水设施 的模拟运行功能，还可以提供管网积水或管网局限性方面的方案优化。对于各种 类型的降雨对管网系统、排水设施、污水厂的影响也可以精确模拟。此外，对于 污染物方面，w a l l i n g f o r d 模型可以模拟沉积态和溶解态的多种污染物，并可以模 拟污染物从地表累积、生活污水或工商废水的产生到管网中的输送，再到最终排 出管网系统的整个过程。 ( 2 ) s w m m 模型 s w m m 模型作为美国环保署重点开发的排水管网模型，可以全面地模拟城 第一章绪论 市排水系统的运行状态，包括水量和水质两方面。s w m m 模型是一种非线性水 库模型，它将管网系统中各种要素概化为节点、管线和汇水区三部分，通过对这 三个部分的模拟，得出整个排水系统的运行工况。它可以应用于城市排水系统的 设计规划、改造评估、现状模拟，还可以提供优化方案分析。此外，s w m m 模 型还可针对非点源污染控制、系统评估、提供c s o s 管理策略方面进行模拟预测。 对于非城市区域，s w m m 模型在数据充足的情况下也可以进行模拟。 ( 3 ) s t o r m 模型 s t o r m 模型是1 9 7 3 年由美国水文工程中心开发的城市排水管网模型，它 的适用性很广，可以模拟城市地区的地表径流和污染物对管网的影响，也可以模 拟农村地区；可以模拟历时较短的单场降雨，也可适用于大时间跨度下的连续模 拟，如对长期降雨径流过程的模拟。该模型在模拟过程中，将汇水区大致分为透 水表面和不透水表面两种，其中透水表面采用径流曲线数值法，而不透水表面采 用径流系数法，径流曲线数值法是根据土壤的特征资料分析其潜在蓄水量从而得 知径流量体积，而径流系数法是关于降雨量和洼蓄量的线性函数，通常是固定值， 依据所在区域地表特性而确定。在污染物方面，s t o r m 模型也可以针对t s s 、 b o d 、t n 等多种污染物进行水质方面的计算。 ( 4 ) q q s 模型 水质一一水量模型( q u a n t i t y q u a l i t ys i m u l a t o rm o d e l ) 是由美国环保署于 1 9 8 0 年开发的，它可以模拟城市排水系统雨天溢流过程、降雨径流冲刷污染物 过程、受纳水体水质变化过程等。此模型通过汇水区、管网和受纳水体三个部分 的相互影响来进行模拟计算。在模拟降雨地表冲刷时，该模型充分考虑了降雨对 累积作用的影响，并加入非线性函数进行计算。对汇水区的径流量模拟采用单位 过程线法。q q s 模型的计算时间非常自由，从短历时降雨到数以年计的中长期 降雨均可进行模拟。模拟的污染物主要有b o d 、c o d 、t n 、t p 、t s s 等。 1 3 2 模型选择 通过上节对几种主要城市管网模型的比较，可知w a l l i n g f o r d 是一种分布式、 可连续模拟的模型，可模拟复杂的雨水径流迁移输运过程，模拟变量广，并且计 算精度高，尤其对大区域汇水区的排水系统模拟有着明显的优势，并且可以精细 地模拟排水区域内的大部分水利设施，如泵站、闸门、溢流堰等。此外，w a l l i n g f o r d 不但可以模拟真实的暴雨，而且可以根据预报雨量和方案数据进行预测模拟，模 型的灵活性很高，可根据计算的需要添加相应的功能性模块。因此，本论文的研 究选用w a l l i n g f o r d 模型研究合流制溢流污染及优化调度模式。 第一章绪论 1 3 3i n f o w o r k s 在纪庄子服务区的适用性分析 1 3 3 1 天津市排水系统特征分析 天津市位于华北平原的东北部，平均海拔较低，地处海河下游。天津市内河 道纵横交错，其中一级河道有1 9 条，总长度1 0 9 5 1 公里；二级河道有7 9 条， 总长度1 3 6 3 4 公里；人工河道6 条，总长度为2 8 4 1 公里；深渠有1 0 6 1 条，总 长度为4 5 7 8 公里，雨水部分进入合流制管网，而后进入污水厂进行处理，部分 进入分流制雨水管道，直接排入河道。天津市的排水系统较为复杂，近年来随着 城市的发展，天津市合流制排水系统正在逐步改造成分流制的排水系统，但仍有 大部分地区为合流制排水系统，如和平区大部分地区以及河西区的部分区域，这 些区域在雨天时，径流雨水与日常的生活污水混合，造成末端合流制溢流污染问 题。 纪庄子排水系统主要由部分合流制排水管网和部分分流制污水管网组成。 1 3 3 2i n f o r w o r k s 在研究区域模拟的适用性分析 本文的研究目的是对纪庄子合流制排水系统的雨天溢流及污染进行模拟和 分析，得到发生溢流的影响因素并提出有效的优化调度模式。 i n f o w o r k s 采用w a l l i n g f o r d 模型进行模拟计算，它在模拟合流制排水管网的溢 流污染方面有较高的精确性，并可以对不同工况下溢流污染情况进行预测，为缓 解溢流污染提供优化策略。主要体现为：( 1 ) i n f o w o r k s 可对同时拥有合流制、分 流制排水系统的混合排水系统进行水力和水质两方面的精准模拟，而且对雨水系 统、污水系统及合流制系统可以分别进行标注；( 2 ) i n f o w o r k s 可以准确地模拟不 同类型的降雨从产生、形成径流、汇流入查检井、管网中输送、直到末端进入污 水厂的整个过程。并且可以准确地模拟地表污染物的累积和冲刷过程。在模拟过 程中，充分考虑了各个汇水区不同地表特性的影响；( 3 ) 相比其他排水管网模拟 软件，i n f o w o r k s 所需要的数据可以通过a r c g i s 进行导入，大大地减小了建模的 工作量；( 4 ) i n f o w o r k s 的模型通用性很强，模拟时间很自由，可以模拟单场降雨， 也可以对中长期的季节性降雨变化情况进行模拟，对汇水区的大小也无限制；( 5 ) i n f o w o r k s 在对水质模拟时，可以同时考虑附着在固体悬浮物的污染物以及溶解态 的污染物，且对于污染物来源，可以考虑地表累积和管网中的沉积，更符合真实 情况；( 6 ) i n f o w o r k s 可以通过建立地面高程模型模拟2 d 水淹情况，还可以考虑 建筑物、河流等对其产生的影响，并输出可视化较高的模拟结果。因此，选择 i n f o w o r k s 作为本研究的计算软件很合适。 第一章绪论 1 4 研究内容及技术路线 1 4 1 研究内容 本研究通过对合流制排水系统的仿真模拟，提出缓解合流制雨天溢流的综合 优化调度模式，为相关部门治理合流制溢流污染问题提供科学的依据。 本研究首先搜集了天津市中心城区合流制、分流制排水管网、泵站的资料， 并对研究区域的地表污染物特征、产生途径、降雨径流特征以及天津市合流制管 网的排水现状进行了调查，基于以上的工作，本研究选择了天津市纪庄子排水系 统服务区为研究区域。主要研究内容有： ( 1 ) 根据南开大学子课题提供的天津市降雨径流实测数据，对相关参数进 行率定，再结合国内外相关研究的经验参数，建立天津市纪庄子合流制排水系统 模型。 ( 2 ) 模拟不同降雨、不同下垫面、不同管网运行状态下合流制排水管网的 溢流情况及污染状况，分析导致溢流的影响因素，对溢流污染的控制策略进行探 讨。 ( 3 ) 依据探讨的结果提出缓解合流制溢流的综合优化调度模式，结合模拟 结果对优化模式进行分析。 1 4 2 技术路线 本文的技术路线见图1 1 。 第一章绪论 图1 1 本文的技术路线 第二章l n f o w o r k s 排水模拟及a r c g i s 建模 第二章i n f o w o r k s 排水模拟及a r c g i s 建模 本研究针对合流制排水区域的溢流影响因素分析及污染物控制策略探讨是 基于英国沃林福特( w a l l i n g f o r d ) 软件公司开发的i n f o w o r k sc s 软件的实证模拟。 2 1i n f o w o r k sc s 软件介绍 i n f o w o r k sc s 软件的前身是沃林福特程序( w a l l i n g f o r dp r o c e d u r e ) ，它是由 英国水力学研究院于1 9 7 8 年研究开发的整套程序集，此研究院在该年成立了 w a l l i n g f o r d 软件公司，后来经过不断地发展，演变为沃林福特模型( w a l l i n g f o r d m o d e l ) ，并被广泛运用于各种排水系统的仿真模拟中【2 2 1 。 1 9 9 8 年，最新的i n f o w o r k s 软件将之前的各种版本进行集成，专门精确模拟 各种排水系统的运行，它可以细化模拟出每一个排水设施，以求达到与实际情况 更为相近。至今该软件己改进到i n f o w o r k sc s1 1 0 版本，此版本在操作界面、数 据导入导出途径、同第三方工具软件( 如g i s ，a u t o c a d 等) 的对接以及用户 可操作性等方面都进行了大量地改进和完善，使得该软件日趋完善并广泛地应用 于世界各地的水力公司，地方权威机构，咨询公司以及学术机构。i n f o w o r k sc s 是专门针对雨污水合流制系统、污水系统和雨水系统模拟的模块，它可以快速、 精确地模拟出雨天合流制系统的各个关键要素，如泵站、水闸、孔口等，也可以 可靠、无误地模拟出管网中各种水力流态，如明渠流、逆流、复杂流态等。 该软件的应用实例很多，其中较著名的有比利时d e m e r 流域的实时防汛预 报调度决策模型，马来西亚t a m a nm a y a n g 流域的排涝模型，上海污水工程水力 仿真模型以及香港三流域的整区排涝规划。 2 2i n f o w o r k sc s 模拟原理简介以及模型参数的确定 第二章i n f o w o r k s 排水模拟及a r c g i s 建模 i n f o w o r k sc s 软件主要通过降雨径流模块、旱流污水模块、汇水区计算模块、 管流计算模块、水质模块、实时控制模块等各模块的集成运行来模拟合流制排水 系统的工作状态如图2 1 。 图2 1i n f o w o r k sc s 模块结构 2 2 1 降雨径流模块 降雨径流模块由降雨模型、地表径流模型两模块组成。 2 2 1 1 降雨模型 降雨的建立是模型模拟的关键，通常降雨可分为实测降雨和设计降雨两种。 实测降雨顾名思义是对实际降雨过程中每一时刻的雨强进行记录，进而绘制出的 雨强一一时间过程线。设计降雨是在对所研究地区多年来的降雨数据进行统计的 基础上，根据降雨历时和重现期这两个因素确定的降雨事件。一般情况下，设计 降雨更具有地区代表性，能更好的反应出真实降雨情况。 在设置降雨时可以选用i n f o w o r k s 软件本身提供的设计降雨，包括法国设计 降雨、英国设计降雨、香港设计降雨。这些设计降雨都是根据雨强历时 频率之间的关系建立的。其中以香港设计降雨为例，其采用( a ，b ，c ) 三个参 数来确定降雨强度，具体见公式( 2 1 ) 和公式( 2 2 ) 。也可以自己编辑降雨过 程线，如根据实际降雨或其它地区设计降雨进行编辑。 口 z = ( 1 + 6 ) 。 1 4 ( 2 1 ) 第二章i n f o w o r k s 排水模拟及a r c g i s 建模 邢) 2 南 式中：( 0 ) 峰值雨强( m m h ) ； a ，b ，c 对多年降雨数据统计后得出的参数。 香港设计降雨雨型如图2 2 所示。 i i j l 一，、。 口 ( 2 2 ) 1 0 0王5 02 0 0 时间( m a i n ) 图2 - 2 香港设计降雨事件雨型图 对于本研究而言，以上几种软件自带降雨无法适用于天津市的具体情况，因 此，本文根据天津市的暴雨强度公式及k e i f e r 和c h u 根据强度历时频 率关系得到的一种不均匀的设计降雨过程线进行设计降雨的设定，具体参见3 1 节。 2 212 地表径流模型 i n f o w o r k s 采用分布式模型模拟径流，主要的计算过程包括：初期损失，产 流过程和汇流过程。 初期损失即降雨初期直接被地表截留的雨水量，这些水量不参与下渗，也不 进入排水系统中，主要包括润湿地表水量和洼蓄量。产流过程主要是降雨量扣损 的过程，当降雨强度超过地表下渗速度时，地面开始积水并形成表面径流，描述 这一过程就用到了产流模型，它通知决定了进入排水系统的雨水量，即净雨量。 i n f o w o r k s 中常用的产流模型如表2 1 所示。 托 柏 抽 o 1 1 ， 1 一li至li一越偎惺世 第二章i n f o w o r k s 排水模拟及a r c g i s 建模 f i x e d 产流模型 w a l l i n g f o r d 产流模型 s c s 产流模型 新英国产流模型 h o r t o n 渗透模型 g r e e n a m p t 渗透模型 固定渗透模型 定义进入排水系统的降雨量占总降 雨量的比例。 1 9 8 3 年提出，基于对1 7 个不同汇水 区的5 1 0 场降雨统计进行回归分析 的结果。根据土壤类型、子汇水区雨 前地表湿度、开发密度等，采用回归 方程进行预测。 根据美国的自然地理状况和水文气 象条件，通过大量数理统计和成因分 析后得到的。广泛应用于预测农 村汇水区降雨径流，考虑了降雨过程 中径流系数随土壤湿度不断变化而 增加的过程。 1 9 9 3 年提出，适用于透水表面的长 历时暴雨情况。径流百分数随着汇水 区湿度的增加实时进行更新调整。 采用h o r t o n 下渗公式进行计算，原 理为假定入渗率随降雨历时呈指数 衰减。