城市污水管網(wǎng)建模的理論研究.pdf

1、排水管網(wǎng)是城市重要的市政基礎(chǔ)設(shè)施，也是日益重要的環(huán)境保護(hù)設(shè)施。隨著城市化進(jìn)程的加快以及環(huán)境保護(hù)意識(shí)的增強(qiáng)，城市污水處理廠的規(guī)劃和建設(shè)工作正在全面展開，與污水處理廠配套的排水管網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)、建設(shè)施工以及運(yùn)行管理的任務(wù)日益繁重。城市排水管網(wǎng)事業(yè)面臨著良好的發(fā)展機(jī)遇，也經(jīng)受著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。排水管網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)以及運(yùn)行管理的優(yōu)化理論是排水工程研究的重要領(lǐng)域。近年來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和數(shù)學(xué)模型方法的引入，排水管網(wǎng)建模的應(yīng)用研究開始為業(yè)界所關(guān)注。在過去

2、的10余年里，我國雨水管網(wǎng)建模研究取得了許多有價(jià)值的成果，但污水管網(wǎng)建模研究在國內(nèi)尚未開展。污水管網(wǎng)建模與雨水管網(wǎng)建模的不同主要在于管網(wǎng)節(jié)點(diǎn)流量輸入的差異，雨水管網(wǎng)入流是路面雨水口接收的地表徑流，而污水管網(wǎng)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(duì)污水管網(wǎng)節(jié)點(diǎn)流量輸入的特殊性，本文提出了污水管網(wǎng)節(jié)點(diǎn)流量建模的課題，旨在解決污水管網(wǎng)模擬模型的流量輸入問題，并以此為線索，開展污水管網(wǎng)建模的基本理論研究(北京市教委科技發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目資

3、助，編號(hào)為05004790200201)，為城市污水管網(wǎng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)和運(yùn)行管理服務(wù)。 首先，從總體上闡述了污水管網(wǎng)節(jié)點(diǎn)流量建模理論的概念和內(nèi)涵，然后分別進(jìn)行了污水管網(wǎng)節(jié)點(diǎn)流量確定性建模、隨機(jī)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(diào)查數(shù)據(jù)作為估算依據(jù)，提出了污水管網(wǎng)模擬模型中節(jié)點(diǎn)平均流量估算的間接方法，為估算未實(shí)測污水流量節(jié)點(diǎn)的日平均流量提供了一個(gè)新的途徑。同時(shí)，為了獲得污

4、水管網(wǎng)模擬模型中未實(shí)測流量節(jié)點(diǎn)的流量過程線，在節(jié)點(diǎn)平均流量估算的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究了無因次節(jié)點(diǎn)流量變化模式估算的區(qū)域?qū)傩阅：垲惙椒ā８鶕?jù)獲得的動(dòng)態(tài)聚類圖，用戶可靈活選擇實(shí)測流量的節(jié)點(diǎn)及其個(gè)數(shù)，然后將實(shí)測節(jié)點(diǎn)的流量變化模式推廣到同類的其它節(jié)點(diǎn)，從而解決了未實(shí)測流量節(jié)點(diǎn)的流量變化模式問題。最后，綜合節(jié)點(diǎn)平均流量和無因次節(jié)點(diǎn)流量變化模式，就可以估算未實(shí)測流量節(jié)點(diǎn)的流量過程線，從而滿足污水管網(wǎng)動(dòng)態(tài)模擬的需要。 (2)為了全面分析、評(píng)價(jià)

5、污水管網(wǎng)內(nèi)部的水流工況以及管網(wǎng)的服務(wù)能力，需要考慮各個(gè)節(jié)點(diǎn)流量的隨機(jī)性變化。為此，對(duì)污水管網(wǎng)節(jié)點(diǎn)流量進(jìn)行隨機(jī)模擬研究。借助所建立的隨機(jī)模擬模型，采用蒙特卡羅計(jì)算機(jī)模擬方法，可獲得節(jié)點(diǎn)的一組流量過程線，從而解決污水管網(wǎng)分析中節(jié)點(diǎn)流量隨機(jī)變化的問題。對(duì)多次模擬結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，可獲得各個(gè)水力要素的統(tǒng)計(jì)特性，為污水管網(wǎng)水力狀況分析和評(píng)價(jià)提供了一個(gè)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(duì)流量序列的隨機(jī)性進(jìn)行建模，并輔以關(guān)聯(lián)分析進(jìn)行確定性建模，改變了傳統(tǒng)時(shí)序分析方法先進(jìn)行確定性建模，然后進(jìn)行隨機(jī)性建模的研究思路，不需要數(shù)據(jù)預(yù)處理，從而簡化了建模流程，具有較強(qiáng)的可操作性。(3)目前，污水流量實(shí)測的采樣間隔一般為1d或1h，難以滿足污水管網(wǎng)模擬時(shí)間步長的精度要求。為了減小入流過程線的時(shí)間尺度，應(yīng)用分形理論研究不同時(shí)間尺度流量序列之間的關(guān)系，將長時(shí)間尺度(如1d，1h等)的流量變化特性移植到短時(shí)間尺度(如1min

7、，1s等)內(nèi)，從而提高污水管網(wǎng)非恒定流模擬的時(shí)間步長精度。為此，對(duì)北京兩個(gè)污水廠的日進(jìn)廠流量記錄進(jìn)行分析，計(jì)算其關(guān)聯(lián)維數(shù)和盒維數(shù)，分析結(jié)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(duì)污水管網(wǎng)節(jié)點(diǎn)流量微觀模擬進(jìn)行了研究。通過類比，并借鑒供水管網(wǎng)流量的微觀模擬，將描述電話網(wǎng)中信號(hào)流量的排隊(duì)模型引入到污水管網(wǎng)節(jié)點(diǎn)流量微觀模擬領(lǐng)域，建立其概率框架，可獲得節(jié)點(diǎn)流量的統(tǒng)計(jì)特性(均值、方差和累積概率分布)；并對(duì)排隊(duì)模型和FLUS

8、H模型的特點(diǎn)進(jìn)行了比較。 其次，各個(gè)節(jié)點(diǎn)流量在進(jìn)入污水管網(wǎng)之后，還會(huì)繼續(xù)向下游演進(jìn)，并與下游的節(jié)點(diǎn)流量匯集。為了描述節(jié)點(diǎn)流量在污水管網(wǎng)內(nèi)部的演變規(guī)律，作為節(jié)點(diǎn)流量建模的延續(xù)，進(jìn)一步研究了污水管網(wǎng)管段流量建模理論，即水力模擬計(jì)算理論。根據(jù)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(wǎng)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(duì)模型結(jié)果進(jìn)行了定性驗(yàn)證，結(jié)果表明該模型

9、能夠反映化糞池水流演進(jìn)的重要特性。 最后，對(duì)污水管網(wǎng)建模的支持平臺(tái)進(jìn)行了研究，主要包括：(1)為了便于污水管網(wǎng)非恒定流模擬技術(shù)的應(yīng)用，研究了面向結(jié)構(gòu)圖的污水管網(wǎng)可視化動(dòng)態(tài)建模方法，在Matlab/Simulink平臺(tái)上應(yīng)用M文件S函數(shù)接口建立了污水管網(wǎng)各動(dòng)態(tài)環(huán)節(jié)的仿真結(jié)構(gòu)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(jī)模擬器(用于現(xiàn)狀分析)和污水流量在線預(yù)測自適應(yīng)濾波器(用于管網(wǎng)調(diào)度)。此外，進(jìn)行了