城市污水管網建模的理論研究.pdf

1、排水管網是城市重要的市政基礎設施，也是日益重要的環(huán)境保護設施。隨著城市化進程的加快以及環(huán)境保護意識的增強，城市污水處理廠的規(guī)劃和建設工作正在全面展開，與污水處理廠配套的排水管網規(guī)劃設計、建設施工以及運行管理的任務日益繁重。城市排水管網事業(yè)面臨著良好的發(fā)展機遇，也經受著嚴峻的挑戰(zhàn)。排水管網規(guī)劃設計以及運行管理的優(yōu)化理論是排水工程研究的重要領域。近年來，隨著計算機技術的發(fā)展和數學模型方法的引入，排水管網建模的應用研究開始為業(yè)界所關注。在過去

2、的10余年里，我國雨水管網建模研究取得了許多有價值的成果，但污水管網建模研究在國內尚未開展。污水管網建模與雨水管網建模的不同主要在于管網節(jié)點流量輸入的差異，雨水管網入流是路面雨水口接收的地表徑流，而污水管網入流是上游排水器具的脈沖波或化糞池的出流過程線。針對污水管網節(jié)點流量輸入的特殊性，本文提出了污水管網節(jié)點流量建模的課題，旨在解決污水管網模擬模型的流量輸入問題，并以此為線索，開展污水管網建模的基本理論研究(北京市教委科技發(fā)展計劃項目資

3、助，編號為05004790200201)，為城市污水管網的規(guī)劃設計和運行管理服務。 首先，從總體上闡述了污水管網節(jié)點流量建模理論的概念和內涵，然后分別進行了污水管網節(jié)點流量確定性建模、隨機性建模、混沌性建模(分形分析)以及微觀模擬的研究。分述如下： (1)利用較容易獲得的用水量調查數據作為估算依據，提出了污水管網模擬模型中節(jié)點平均流量估算的間接方法，為估算未實測污水流量節(jié)點的日平均流量提供了一個新的途徑。同時，為了獲得污

4、水管網模擬模型中未實測流量節(jié)點的流量過程線，在節(jié)點平均流量估算的基礎上，進一步研究了無因次節(jié)點流量變化模式估算的區(qū)域屬性模糊聚類方法。根據獲得的動態(tài)聚類圖，用戶可靈活選擇實測流量的節(jié)點及其個數，然后將實測節(jié)點的流量變化模式推廣到同類的其它節(jié)點，從而解決了未實測流量節(jié)點的流量變化模式問題。最后，綜合節(jié)點平均流量和無因次節(jié)點流量變化模式，就可以估算未實測流量節(jié)點的流量過程線，從而滿足污水管網動態(tài)模擬的需要。 (2)為了全面分析、評價

5、污水管網內部的水流工況以及管網的服務能力，需要考慮各個節(jié)點流量的隨機性變化。為此，對污水管網節(jié)點流量進行隨機模擬研究。借助所建立的隨機模擬模型，采用蒙特卡羅計算機模擬方法，可獲得節(jié)點的一組流量過程線，從而解決污水管網分析中節(jié)點流量隨機變化的問題。對多次模擬結果進行統(tǒng)計分析，可獲得各個水力要素的統(tǒng)計特性，為污水管網水力狀況分析和評價提供了一個新的途徑。 為此，筆者提出了非平穩(wěn)流量序列建模的加法模型和齊次馬氏鏈模型方法。特別是齊次馬

6、氏鏈模型首先對流量序列的隨機性進行建模，并輔以關聯(lián)分析進行確定性建模，改變了傳統(tǒng)時序分析方法先進行確定性建模，然后進行隨機性建模的研究思路，不需要數據預處理，從而簡化了建模流程，具有較強的可操作性。(3)目前，污水流量實測的采樣間隔一般為1d或1h，難以滿足污水管網模擬時間步長的精度要求。為了減小入流過程線的時間尺度，應用分形理論研究不同時間尺度流量序列之間的關系，將長時間尺度(如1d，1h等)的流量變化特性移植到短時間尺度(如1min

7、，1s等)內，從而提高污水管網非恒定流模擬的時間步長精度。為此，對北京兩個污水廠的日進廠流量記錄進行分析，計算其關聯(lián)維數和盒維數，分析結果初步表明該污水流量序列存在分形特征。 (4)從器具層次上對污水管網節(jié)點流量微觀模擬進行了研究。通過類比，并借鑒供水管網流量的微觀模擬，將描述電話網中信號流量的排隊模型引入到污水管網節(jié)點流量微觀模擬領域，建立其概率框架，可獲得節(jié)點流量的統(tǒng)計特性(均值、方差和累積概率分布)；并對排隊模型和FLUS

8、H模型的特點進行了比較。 其次，各個節(jié)點流量在進入污水管網之后，還會繼續(xù)向下游演進，并與下游的節(jié)點流量匯集。為了描述節(jié)點流量在污水管網內部的演變規(guī)律，作為節(jié)點流量建模的延續(xù)，進一步研究了污水管網管段流量建模理論，即水力模擬計算理論。根據化糞池中水流變化的連續(xù)性方程以及化糞池的出流方程，建立了污水管網化糞池的水力模擬模型，特別是圓形斷面出水口化糞池的水力模擬模型，給出了模型的有限差分解法，并對模型結果進行了定性驗證，結果表明該模型

9、能夠反映化糞池水流演進的重要特性。 最后，對污水管網建模的支持平臺進行了研究，主要包括：(1)為了便于污水管網非恒定流模擬技術的應用，研究了面向結構圖的污水管網可視化動態(tài)建模方法，在Matlab/Simulink平臺上應用M文件S函數接口建立了污水管網各動態(tài)環(huán)節(jié)的仿真結構圖，包括管流模塊、集水池模塊、化糞池模塊等以及兩種污水流量發(fā)生器：污水流量隨機模擬器(用于現狀分析)和污水流量在線預測自適應濾波器(用于管網調度)。此外，進行了