发布时间：2021-06-02所属分类：免费文献浏览：1次
摘 要： 环境科学与管理
《城市排水管网污水溢流模拟与控制方法研究》论文发表期刊：《环境科学与管理》；发表周期：2021年02期
《城市排水管网污水溢流模拟与控制方法研究》论文作者信息：马继红( 1980 － ) ，女，硕士研究生，副高级工程师，研究方 向: 市政给排水管网。
摘要：由于当前方法没有考虑到降雨强度对污水溢流产生的影响，得到的模拟结果误差较大，导致控制结果不理想。为了有效解决上述问题，提出一种城市排水管网污水溢流模拟与控制方法。通过暴雨洪水管理模型(SWMM)模拟降雨强度对污水溢流产生的影响。结合城市排水管网污水溢流模拟结果，组建排水管网系统动力学模型，通过模型参数的变化获取对应城市排水管网污水溢流控制方案。仿真实验结果表明，所提方法能够有效控制城市排水管网污水溢流。
关键词：城市排水管网;污水溢流;模拟控制;SWMM
Abstract: Since the current method does not take into account the impact of rainfall intensity on sewage overflow, the obtained simulation results have large errors, resulting in unsatisfactory control results. In order to effectively solve the above problems, a method for simulation and control of sewage overflow in urban drainage pipe net work is proposed. The effect of rainfall intensity on sewage overflow is simulated through the Storm Flood Management Model(SWMM) . Combined with the simulation results of sewage overflow in the urban drainage pipe network, a dynamic model of the drainage pipe network system was established, and the corresponding sewage overflow control scheme for the urban drainage pipe network was obtained through the change of the model parameters. The simulation experiment results show that the proposed method can effectively control the overflow of sewage in the urban drainage pipe net work.
Key words: urban drainage network; sewage overflow; simulation control; SWMM
前言
近年来，黄容等人[1]通过水质/水质模型软件， 结合物联网在线监测以及地理信息等技术，构建水动力模型，通过5场降雨对事件进行模拟情景分析，根据对比溢流污染改造方案前后污染浓度的削减程度，获取对应的控制方案;王建龙等人[2)通过道路边沟以及局部路面的传输、调节能力，延缓雨水径流进入排水管道的时间，从而排水管道的峰值流量，有效实现污水溢流控制。以上方法已经取得了一定的研究成果，但是并没有考虑到降雨强度对污水溢流
产生的影响，导致污水溢流模拟结果存在误差。为了获取更加理想的控制效果，设计并提出了一种城市排水管网污水溢流模拟与控制方法。
1方法
1.1 城市排水管网污水溢流模拟暴雨洪水管理模型(swMM)是一个动态的降水一径流模拟模型，能够动态模拟雨水中污染物的含量以及径流量。该模型的应用十分广泛，主要是针对暴雨进行分析以及管理，优化排水管道，降低污水溢流的发生。
随着城市的迅猛发展，排水管网也在日益完善[3]，城市地下管道复杂，铺设的也越来越多，主要由不同支管连接主支管接入排放口。swMM模型主要是由若干固定的模块组成，主要划分计算机模块以及服务模块，具体组成结构见图1。
sWMM模型的适用范围十分广泛，能够用于模拟研究区域由于径流形成的不同水文情况，还能够模拟实时降雨量、蒸发量等情况，通过模拟LID措施后针对雨水径流量以及污染情况进行控制。
在SWMM模型中，水力模拟是十分灵活的，能够模拟径流或者其它排水管道、排水设施中的流动情况。它的功能是十分强大的，能够处理任意规模的排水管网;还能够模拟自然渠道中的水流以及地面积水等。
SWMM模型对与径流相关的水质情况进行模拟，主要是模拟径流中的污染物含量-3)，swMM模型具有设计灵活、功能全面以及模拟能力强等特点，重点体现在以下几个方面：建模要求低，数据收集过程简单;通用性强;应用灵活;具有完整性;能够模拟不同情况下的污染物负荷量。
降雨模拟主要是将一段时间内的降雨采用降雨过程线的形式表示，降雨过程线代表降雨在设定时间段内实时变化情况的曲线[6)。实际测取的降雨数据可以是真实的也可以是通过计算公式获取。结合室外给排水规范，获取暴雨强度计算式：
上式中，q代表设计城市暴雨强度;t代表降雨历时;P代表设计重现期。平均暴雨强度计算式为：
针对于任意地区而言，参数的取值并不是固定的，在确定重现期P之后，设定a为已知常数，将其代入公式(2)中，则有：针对降雨过程进行修正，使雨峰正好位于降雨历时的雨峰系数处，将降雨历时t划分为峰前降雨历时 ta 和峰后降雨历时 tb，则有:
swMM模型对于地面汇流过程的模拟主要采用非线性水库方法，即将子汇水区设定是一个非线性水库[1]，降水和上游来水设定为子汇水区的进流量，蒸发、下渗以及径流作为出流。非线性水库模型是利用联立求解曼宁公式以及连续方程获取，曼宁公式主要用于求解出流过程。
非线性水库模型需要输入的参数主要包含子汇水区特征宽度、地面平均坡度、曼宁粗糙系数。通过土地利用类型将曼宁系数划分为透水区、不透水区以及管道曼宁系数三种不同的情况。在上述分析的基础上，结合sWMM模型分析降雨强度对污水溢流的影响。
模拟晴天天数为7天，模型中的水力计算以及产汇流计算时间补偿为60 s，设定降雨重现期分别为1年、1.5年3年、4年、5年以及7年。将上述模拟条件输入模型对研究区域排水管道出现的溢流节点情况进行模拟，利用表1详细给出不同降雨条件下溢流节点的情况。
由表 1 中的统计结果可知，降雨强度越大，则研究区域发生溢流的机率就越大。
1.2 城市排水管网污水溢流
结合模拟结果，组建排水管网系统动力学模型：B = Min(C，C2•)
其中系统动力学中主要的变量为：
(1)流位变量：在系统研究中存在积累效应的变量，所谓包含积累效应的变量主要是指现实值等同原始值加上改变量，将其称为流位变量，也能够称为状态变量。
(2)流率变量：主要代表积累效应变化快慢的变化速度变量，也能够称为速率变量。
(3)辅助变量：主要是指从积累效用变量到变化速度以及变化速度之间的中间变量。
(4)常量：主要是指任意时间区间内不会随着时间的变化而变化，在模拟软件中，辅助变量以及常量的表示方法是相同的。
以下详细给出系统动力学研究的步骤：
(1)系统分析：想要研究系统的模型，首先必须认识系统，对系统进行分析的主要目的就是对研究系统进行深入分析了解。
(2)系统结构分析：分析系统总体以及局部的反馈机制，划分系统的层析以及子块，分析系统变量之间的关系，明确变量的种类以及主要变量，组建系统流图以及关系式。组建数学模型系统流图只能够说明系统中各个变量之间的逻辑关系以及系统构造，但是无法显示具体的定量关系。在进行模拟之前，需要针对模型中全部的常数、表函数以及状态变量方程的初始值赋值。
(3)模型模拟：系统动力学能够和其它软件进行仿真模拟。
(4)模拟校验：模型是针对客观实体的概化以及逼近，模型组建的成功与否，需要通过适用性和一致性进行检验。
从上述分析的结构能够看出，城市排水管网系统普遍存在以下的问题：旱季管内污染物淤积，臭气大;雨水合流污水溢流量大，城市在初期降雨节点对水体污染严重，同时还容易出现污水跑、冒等问题。结合模型参数的变化，获取对应城市排水管网污水溢流控制方案，以下详细给出：从城市污染源头看，源头主要来自两个不同的方面。一方面主要源于居民生活综合污水排放另外一方面主要源于降雨地表径流形成的初期雨水。以下详细给出总径源头的具体控制措施：采用植被过滤系统，主要用于截流并处理雨水的植被系统，它能够有效去除固体颗粒，利用土壤的吸附作用去除部分溶解性污染物质;渗透设施，该系统在降雨时利用透水的介质使径流下渗，为了提升相关设施设备削减径流的能力，设定调蓄空间，在暴雨期间能够存储部分径流，在暴雨过后逐渐渗入地下，是较为典型的径流分散削减处理设施;过滤设施，通常情况下将各种不同的石料设定为混合过滤介质，重点针对径流的水质进行控制，去除其中较大的颗粒，能够实现对径流的预处理。
城市排水管网系统在旱季容易沉积大量的污染物，在旱季进行管道清洗的过程中，需要将沉积物运输到污水处理厂，改善城市在雨季溢流污染水质，降低溢流污染物排放量。具体的操作措施如下：渗入以及渗漏控制，定期对管道进行检测，有效避免渗透以及深入情况的产生;管道内壁处理，在管道内壁衬有机避面，降低管道粗糙度，增加过流能力，减少超载以及回水等现象的发生，同时还能够有效避免污染物的沉淀;建立环保水井，在排水干管上设置具有过滤、沉淀等功能的雨水井，降低污染的排放;冲洗排水管道，在旱季进行排水管道冲洗，将沉积的污染物输送到污水处理厂，改善雨季溢流污水水质，降低溢流污染物的排放量;疏导分流处理，针对排水压力较大的管线，组建旁道管线将流量分流到排水能力较高的管系，降低雨季溢流。
污水处理末端是污水进入处理厂或者直接排人受纳水体，为了降低污水对环境的污染，可以从减少直接排入水体的污水量以及污染量两个方面入手。根据污水溢流系统、处理系统等进行角度分析，获取末端控制措施：截流倍数的提升，截流倍数越高，被截流的污水量越大，污水溢流量降低。截流倍数具体设定，需要结合研究区域实际情况分析判断;截流设施维护，截流井等设施决定了截流量的大小，能够直接影响溢流的污水池，所以需要定期对截流设施进行维护;沉淀池，沉淀池主要用于污水处理系统，是最为有效的处理措施;粗格栅，主要用于大颗粒物以及漂浮物的去除工作;消毒，城市中大量的污水都含有细菌，它们是各种流行性疾病潜在的污染源。为了避免水体受细菌以及病原体的污染，需要及时针对溢流污水进行消毒处理工作。
2仿真实验
为了验证所提城市排水管网污水溢流模拟与控制方法的综合有效性，实验选取A城市排水管网现状各个参数作为测试指标，以任意一天降雨后排水管网的运行情况为基础，获取污水溢流模拟结果以及控制结果。
为了更好地验证swMM模型在城市管网污水溢流模拟中的有效性，实验针对三种方法的污水溢流模拟情况进行分析，主要通过溢流中化学需氧量(COD)的浓度情况进行实验，具体的实验结果见表2
由表2可知：所提方法模拟的溢流COD含量与实际值基本一致，另外两种方法的模拟值和实际值相差较多。在进行污水逆流模拟的过程中，所提方法主要采用swMM模型进行模拟，同时分析不同降雨强度下污水溢流的变化情况，这使所提方法能够更好地进行污水溢流模拟。
以下分别采取三种不同的方法针对污水溢流进行控制，具体实验对比结果见图2
由图2可知：相比其它方法，采用所提方法对溢流污染进行控制，污水溢流速率明显更低一些。其主要原因在于，通过swMM模型模拟污水溢流情况，能够获取较高的模拟精度，模拟结果越理想，则获取的控制方案就理想，污水溢流速率也能够得到!
有效控制，获取较为满意的污水溢流控制结果。
3结语
针对当前方法存在的缺陷，提出一种城市排水管网污水溢流模拟与控制方法。采用暴雨洪水管理模型实现对城市排水管网污水溢流的模拟，在此基础上，运用排水管网系统动力学模型得到污水溢流控制方案。实验结果表明，所提方法能够有效控制污水溢流。在实际应用的过程中，所提方法受到了各方面因素的影响，后续将重点针对以下几方面展开研究：分析不同地域的具体情况，对模型的应用性进行检验，同时进一步完善模型中的变量。后续将综合多种不同的措施进行模拟分析对比，获取最佳方案，以实现技术集成。
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