2016深圳杯數(shù)學(xué)建模A題分解

1、賽區(qū)評(píng)閱編號(hào)（由賽區(qū)組委會(huì)填寫）：2016年山西省大學(xué)生數(shù)學(xué)建模競(jìng)賽承諾書我們仔細(xì)閱讀了全國(guó)大學(xué)生數(shù)學(xué)建模競(jìng)賽章程和全國(guó)大學(xué)生數(shù)學(xué)建模競(jìng)賽參 賽規(guī)則（以下簡(jiǎn)稱為“競(jìng)賽章程和參賽規(guī)則”，可從全國(guó)大學(xué)生數(shù)學(xué)建模競(jìng)賽網(wǎng)站下 載）。我們完全明白，在競(jìng)賽開始后參賽隊(duì)員不能以任何方式（包括電話、電子郵件、網(wǎng) 上咨詢等）與隊(duì)外的任何人（包括指導(dǎo)教師）研究、討論與賽題有關(guān)的問題。我們知道，抄襲別人的成果是違反競(jìng)賽章程和參賽規(guī)則的，如果引用別人的成果或 其他公開的資料（包括網(wǎng)上查到的資料），必須按照規(guī)定的參考文獻(xiàn)的表述方式在正文 引用處和參考文獻(xiàn)中明確列出。我們鄭重承諾，嚴(yán)格遵守競(jìng)賽章程和參賽規(guī)則，以保證競(jìng)賽的

2、公正、公平性。如有 違反競(jìng)賽章程和參賽規(guī)則的行為，我們將受到嚴(yán)肅處理。我們授權(quán)全國(guó)大學(xué)生數(shù)學(xué)建模競(jìng)賽組委會(huì)，可將我們的論文以任何形式進(jìn)行公開展 示（包括進(jìn)行網(wǎng)上公示，在書籍、期刊和其他媒體進(jìn)行正式或非正式發(fā)表等）。我們參賽選擇的題號(hào)（從 A/B/C/D中選擇一項(xiàng)填寫）： A我們的報(bào)名參賽隊(duì)號(hào)（12位數(shù)字全國(guó)統(tǒng)一編號(hào)）： 04002012參賽學(xué)校（完整的學(xué)校全稱，不含院系名）： 太原理工大學(xué)參賽隊(duì)員（打印并簽名）：1.黃子蓉2 .楊力兵3 .楊振躍指導(dǎo)教師或指導(dǎo)教師組負(fù)責(zé)人（打印并簽名）：趙國(guó)貞日期：2016 年5 月12 日（此承諾書打印簽名后作為紙質(zhì)論文的封面，注意電子版論文中不得出現(xiàn)此頁。

3、以上內(nèi)容請(qǐng)仔細(xì)核對(duì)，特別是參賽隊(duì)號(hào)，如填寫錯(cuò)誤，論文可能被取消評(píng)獎(jiǎng)資格。）賽區(qū)評(píng)閱編號(hào)（由賽區(qū)組委會(huì)填寫）：2016年山西省大學(xué)生數(shù)學(xué)建模競(jìng)賽編號(hào)專用頁賽區(qū)評(píng)閱記錄（可供賽區(qū)評(píng)閱時(shí)使用）：評(píng)閱人備注送全國(guó)評(píng)獎(jiǎng)統(tǒng)一編號(hào)（由賽區(qū)組委會(huì)填寫）：全國(guó)評(píng)閱統(tǒng)一編號(hào)（由全國(guó)組委會(huì)填寫）：此編號(hào)專用頁僅供賽區(qū)和全國(guó)評(píng)閱使用,參賽隊(duì)打印后裝訂到紙質(zhì)論文的第二頁上意電子版論文中不得出現(xiàn)此頁，即電子版論文的第一頁為標(biāo)題和摘要頁“截排” vs “清源”摘要本文我們就深圳市 “截排”和“清源”兩種主要治理措施對(duì)污水處理系統(tǒng)的影響及 實(shí)施判定條件等進(jìn)行了研究分析， 并基于結(jié)果對(duì)政府治污的“一、三、五、八年目標(biāo)”， 進(jìn)行

4、了合理性評(píng)估。針對(duì)問題一：對(duì)于“截排”措施，我們以建污水處理廠費(fèi)用、COD濃度、合流水量、合流水質(zhì)等為重要指標(biāo)，以收集的污水處理廠費(fèi)用、深圳各月30年內(nèi)平均降雨量及其影響下的COD濃度變化等數(shù)據(jù)為依托，分析了 “截排”對(duì)污水處理系統(tǒng)成本的影響以 及研究雨水對(duì)CODt度影響導(dǎo)致的設(shè)備損害程度。用非穩(wěn)態(tài)水質(zhì)模型模擬不同截流倍數(shù) 下受納水體的水質(zhì)變化情況，求出截流倍數(shù)；并采用截流倍數(shù)分析法分析截流倍數(shù)對(duì)污 水處理系統(tǒng)的影響。對(duì)于“清源”措施，我們以分流增加了的修污水管網(wǎng)的費(fèi)用及梳理 錯(cuò)接污水管的費(fèi)用為重要指標(biāo)，通過收集數(shù)據(jù)，分析了 “清源”對(duì)污水處理系統(tǒng)成本的 影響。最后通過收集海綿城市的定義，明確

5、了 “截排”、“清源”對(duì)海綿城市建設(shè)的影 響。針對(duì)問題二：對(duì)于“截流”來說，通過調(diào)查及收集資料，算出污水處理廠污水溢出 的處理費(fèi)用及“補(bǔ)水”費(fèi)用；并由污水處理廠的處理規(guī)模與運(yùn)行成本的數(shù)據(jù)， 用MATLAB 擬合其關(guān)系，得污水處理廠運(yùn)行成本；再加上建立污水處理廠費(fèi)用，進(jìn)而求得“截流”措施所需總費(fèi)用。對(duì)于“清源”來說，由需建的管道長(zhǎng)度、單位長(zhǎng)度的管道成本費(fèi)和單 位長(zhǎng)度整治河道費(fèi)用、整治河道長(zhǎng)度，可求得建設(shè)及梳理污水管網(wǎng)所需的費(fèi)用，進(jìn)而求 得采用“清源”措施所需總費(fèi)用。比較“截流”成本費(fèi)及“清源”成本費(fèi)，花費(fèi)較少者 即為選定方案。針對(duì)問題三：將深圳某一區(qū)域政府治污的“一、三、五年目標(biāo)”代入問題二中，

6、求 得“截流”方式總費(fèi)用（2415.7萬元）及“清源”方式總費(fèi)用（623.65萬元）。比較知 長(zhǎng)期看“清源”方式更適合深圳這一區(qū)域發(fā)展。同時(shí)計(jì)算實(shí)施兩種方案時(shí)花費(fèi)，得這一 區(qū)域現(xiàn)階段更適合兩種措施同時(shí)進(jìn)行。后通過計(jì)算評(píng)估政府治污“一、三、五、八年目 標(biāo)”的可行性。關(guān)鍵詞：COD濃度；截流倍數(shù)分析法；海綿城市建設(shè)；MATLAB ;最小二乘法一、問題重述1.1 背景隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，很多弊端也隨之暴露出來。比如工廠的污水隨意排放，流入 河流與江海，嚴(yán)重污染了水環(huán)境，對(duì)我們的生存造成了嚴(yán)重的影響。從而，必須采取適 宜有效的途徑，緩解并改善水污染現(xiàn)象，還居民一個(gè)和諧，健康，無污染的家園。當(dāng)前，深圳市

7、一些地區(qū)出現(xiàn)水環(huán)境質(zhì)量差、內(nèi)澇積水頻發(fā)；雨污混流普遍，雨季雨 水沖擊造成污水處理失效，規(guī)劃的雨污分流體制與實(shí)際的雨污混流制并存等一系列問 題。為切實(shí)加大治水力度，加快提升深圳市水環(huán)境質(zhì)量，深圳市特采取以“截排”和“清 源”兩種治理措施為首的一系列有力措施。1.2 問題本文嘗試通過分步驟來解決下面的問題：(1)通過構(gòu)建數(shù)學(xué)模型，量化分析雨污“分流”與“混流”收集機(jī)制對(duì)污水處理系 統(tǒng)以及海綿城市的建設(shè)的影響。(2)在既能達(dá)到治污要求，又能盡量節(jié)省開支的原則下，給出區(qū)域治污時(shí)實(shí)施“清 源”與“截流”的判定條件。(3)選定深圳一區(qū)域給出污水治理的方案，并基于政府治污的“一、三、五、八年 目標(biāo)”，進(jìn)行合

8、理性評(píng)估。二、問題分析對(duì)于第一個(gè)問題，要分析雨污“分流”與“混流”收集機(jī)制對(duì)污水處理系統(tǒng)的影響, 可以從污水處理系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用，以及不同收集機(jī)制對(duì)污水處理系統(tǒng)的設(shè)備的損耗情況 進(jìn)行分析，除此之外，可以采用截流倍數(shù)分析法對(duì)污水處理系統(tǒng)進(jìn)行分析。分流與混流最主要的區(qū)別就是濃度與量的區(qū)別， 不同的收集機(jī)制會(huì)影響污水處理系 統(tǒng)中不同環(huán)節(jié)的設(shè)備的要求標(biāo)準(zhǔn)，也對(duì)整個(gè)污水處理系統(tǒng)的日處理量有不同的要求。對(duì)于混流措施，即雨水與污水混合流進(jìn)污水處理廠進(jìn)行處理。由于污水處理廠一般對(duì)進(jìn)水 水質(zhì)進(jìn)行了一個(gè)設(shè)定，在少雨的時(shí)候影響還不是很明顯，但是在下雨旺季，由于雨水稀 釋進(jìn)水COD®低，使得污水處理廠實(shí)際進(jìn)水

9、水質(zhì)小于設(shè)計(jì)值，增加了污水處理的難度， 降雨后往往需要一段時(shí)間的調(diào)整才能使其恢復(fù)正常。在這種情況下可以定義一個(gè)由于雨水稀釋導(dǎo)致的一個(gè)影響程度，對(duì)其進(jìn)行分析。采用截流倍數(shù)分析法時(shí)，合流制排水系統(tǒng)截流倍數(shù)的確定，直接影響工程規(guī)模和工 程環(huán)境效益。若截流倍數(shù)n偏小，在地表徑流高峰期混合污水將直接排入水體而造成污 染；若截流倍數(shù)n過大，則截流干管和污水廠的規(guī)模就要加大，基建投資和運(yùn)行費(fèi)用也 將相應(yīng)增加。與截流倍數(shù)n相關(guān)的主要因素有：1）受納水體的水質(zhì)要求。截流倍數(shù)的 選擇首先在于水質(zhì)的要求，即應(yīng)首先看水質(zhì)的功能類別。對(duì)水質(zhì)要求嚴(yán)格的受納水體的 截流倍數(shù)應(yīng)取大些，而對(duì)水質(zhì)要求低的水體則截流倍數(shù)也就相應(yīng)取

10、小一些。2）受納水體的納污能力及納污水體的水質(zhì)級(jí)別目標(biāo)。一般情況下，受納水體對(duì)污染物的稀釋能力 較強(qiáng)，可選取較小的截流倍數(shù)，若受納水體不但對(duì)污染物的稀釋能力較強(qiáng)，并且有較高 的水質(zhì)級(jí)別目標(biāo)，則截流倍數(shù)應(yīng)該相應(yīng)取大一些以利于對(duì)水體的保護(hù)；3）城鎮(zhèn)的文明程度（或級(jí)別）和環(huán)境衛(wèi)生狀況。城鎮(zhèn)的文明程度高（人群衛(wèi)生習(xí)慣良好，不亂倒垃圾, 不亂扔廢棄物，街道、廠區(qū)清潔，城鎮(zhèn)地面積聚的垃圾等污染物少）則截流倍數(shù)可取小 一些，相反則取大些。4）人口密度。人口密度大則污水量大，這時(shí)較大的截流倍數(shù)將 令污水廠的規(guī)模太大，造成實(shí)施困難。5）降雨量、降雨的強(qiáng)度及較大強(qiáng)度降水的持續(xù)時(shí)間。降雨量小的地區(qū)一般降雨頻率也低，

11、地表積存的污染物也多，故截流倍數(shù)應(yīng)取大 些，降雨強(qiáng)度較大并且較大強(qiáng)度降水的持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)的地區(qū)應(yīng)采用較小的截流倍數(shù)，因?yàn)?截流倍數(shù)選取較大的話，雨水提升泵站的運(yùn)行費(fèi)用將增加很多，反之降雨強(qiáng)度較小并且 較大強(qiáng)度降水的持續(xù)時(shí)間短的地區(qū)應(yīng)采用較大的截流倍數(shù)；6）投資因素。當(dāng)截流倍數(shù)取大值時(shí)，排入受納水體的受污染的雨水就少，但各項(xiàng)投資相應(yīng)增大；相反則投資減少， 但不利于水體的保護(hù)。7）其他因素。在某些城鎮(zhèn)，由于管道漏水及地下水滲入污水系 統(tǒng)使污水量增加，相當(dāng)于增大了截流倍數(shù)。在以往的設(shè)計(jì)中，截流倍數(shù)的取值一般按照室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范取 1-5之間的取 值或參照國(guó)內(nèi)外經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行取值。例如上?！昂狭魑鬯卫砉こ獭苯?/p>

12、流倍數(shù)通過澳大利亞 某公司的軟件分析，取2.43-2.63 ,沈陽暉河治理時(shí)截流倍數(shù)取 3.0。截流倍數(shù)分析流程如圖1所示：圖1截流倍數(shù)分析流程對(duì)于分析“分流”與“混流”對(duì)建設(shè)海綿城市的影響時(shí)，首先弄清海綿城市的概念, 然后便能很清晰地辨別“分流”與“混流”對(duì)其的影響了。對(duì)于第二個(gè)問題，要找出判別條件，首先應(yīng)弄清“截流”與“清源”所需的費(fèi)用包 括哪些方面。對(duì)于“截流”來說，主要的費(fèi)用來源有由于雨量過大時(shí)導(dǎo)致的污水處理廠 超負(fù)荷而造成的污水溢出從而需要進(jìn)行處理的費(fèi)用以及因截流造成的“缺水”現(xiàn)象從而 產(chǎn)生的“補(bǔ)水”費(fèi)用，而對(duì)于“分流”來說，主要的費(fèi)用來源有建設(shè)污水管網(wǎng)所需的費(fèi) 用，梳理污水管所聘請(qǐng)

13、的工人的勞動(dòng)薪水費(fèi)用兩部分構(gòu)成。三、模型假設(shè)1 .假設(shè)污水處理廠的人工費(fèi)，辦公費(fèi)，培訓(xùn)費(fèi)，保險(xiǎn)等費(fèi)用相比于總費(fèi)用可忽略以及每 個(gè)污水處理廠的建設(shè)所需費(fèi)用及規(guī)模一樣。2 .假設(shè)箱涵之前已建了足夠多，不需要再專門花錢用于箱涵建設(shè)。3 .假設(shè)在沒有大量雨水混合的污水中的 COEM度與污水處理廠預(yù)設(shè)置的CO球度相同。4 .假設(shè)在每一天內(nèi)不同時(shí)候流入污水處理廠的污水的濃度是相同的。5 .假設(shè)旱流污水的日流量小于污水處理廠的日處理量。6 .假設(shè)截流時(shí)所需補(bǔ)水的量為自然條件下的下雨的流入污水處理廠的量，并且采取清源收集機(jī)制時(shí)不需要人工補(bǔ)水。四、符號(hào)說明符號(hào)說明q流入污水處理廠的雨水日流量m對(duì)設(shè)備的損害程度c

14、預(yù)設(shè)COD濃度n截流倍數(shù)N配用電機(jī)功率r污水比重Q污水流量h污水提升高度w溢污水溢出從而需要進(jìn)行處理的費(fèi)用w補(bǔ)因截流造成的“缺水”現(xiàn)象從而產(chǎn)生的“補(bǔ)水”費(fèi)用w管建設(shè)污水管網(wǎng)所需的費(fèi)用w河整治河道所需的費(fèi)用w運(yùn)擴(kuò)建的那些污水處理廠一年內(nèi)的運(yùn)行成本費(fèi)用五、模型建立與求解5.1 混流對(duì)污水處理系統(tǒng)的影響1 .1.1混流對(duì)設(shè)備影響根據(jù)前面敘述，由于雨水流入污水處理廠，會(huì)影響cotM度，從而增加污水處理的難度，同時(shí)也對(duì)污水處理廠里面的設(shè)備造成一定的損害。深圳市深圳河灣月平均降 雨量的數(shù)據(jù)見表1：表1深圳市深圳河灣1-12月每月平均降雨量月份1月2月3月4月5月6月各月30年平均降雨量/mm26.4047

15、.9069.90154.30237.10346.5078910月11月12月各月30年平均降雨量/mm319.70354.40254.0063.3035.4026.90深圳市深圳河灣月平均降水量如圖 2所示:400. 00350. 00300. 00250. 00200. 00150. 00深圳市深圳河灣月平 均降水量4 1000° - I I I I I I50 . 00 - n n0 O 0口 11 _ l _ _ _ _j_ l , _ I _I,R 臺(tái) & & & £月份/月圖2深圳市深圳河灣月平均降水量對(duì)此，引入一個(gè)變量 M用來表示其影響程

16、度。COLM度C與流入污水處理廠的雨 水日流量Q之間的關(guān)系為：c=ki/q；其中ki為比例系數(shù)。ki從而M與COLM度C之間的關(guān)系為：m = k2/c;其中k2為比例系數(shù)。從而M與雨水日流量Q之間的關(guān)系為：m =k q;其中k為比例系數(shù)。由此可見，由于雨水的作用而使得 CO球度被稀釋，從而造成處理廠的設(shè)備損耗程 度與雨水日流量大致呈正比的關(guān)系。因此，采取混流的辦法，會(huì)導(dǎo)致設(shè)備有一定程度的 損害，且水量越大，損害程度越高。5.1.2混流對(duì)污水處理系統(tǒng)耗能影響另一方面，考慮混流對(duì)污水處理系統(tǒng)運(yùn)行成本的影響。對(duì)于污水處理廠的污水處理系統(tǒng)來說，成本最高的是電能的消耗，而其中耗電較高 的有污水提升泵和回

17、流泵的耗電，鼓風(fēng)機(jī)的耗能，污泥消化池的耗能三個(gè)方面5.1.2（1）污水提升泵和回流泵的耗能污水提升泵是污水處理廠預(yù)處理段的主要耗能設(shè)備，它與回流泵（包括混合液內(nèi)混流泵 和污泥外回流泵）一樣，與要求的提升泵高度有密切關(guān)系，其耗能量估算公式為：r Q h小 10式中，N為配用電機(jī)功率（kW）,r為污水比重，取9.8 103 N/m3; Q為污水流量（m3/s）； h為污水提升高度（m） ; 1為水泵效率，取0.65 0.85; 2為電極效率，取0.95。在污 水處理廠的設(shè)計(jì)中，污水提升泵是按最大流量進(jìn)行配置的，而回流泵則是根據(jù)污水平均 流量與設(shè)計(jì)回流比配置的。5.1.2（2） 鼓風(fēng)機(jī)的耗能鼓風(fēng)機(jī)是

18、污水處理廠中耗能最大的設(shè)備，主要是曝氣沉砂池和生化池提供所需的空 氣。鼓風(fēng)機(jī)的耗能與供氣量和出口風(fēng)壓有關(guān)，一般是根據(jù)供氣量和出口風(fēng)壓選定設(shè)備能 耗。在曝氣沉砂池中，鼓風(fēng)機(jī)的供氣量與水量有關(guān)，出口風(fēng)壓則與有效水深和管路損失 有關(guān)。在生化池中，鼓風(fēng)機(jī)的供氣量不但與水量有關(guān)，而且還與有機(jī)污染物去除量、風(fēng) 壓與有效水深和管路損失有關(guān)。5.1.2（3）污泥消化池的耗能污泥消化池的能耗表現(xiàn)為新鮮污泥的加熱、消化池殼體的散熱和管道部分的散熱， 新鮮污泥的加熱量的計(jì)算公式為：Q1 VC （T1 T0）式中，Qi為新鮮污泥加熱量（kJ/h） ; V為新鮮污泥體積（m3/h） ; Ti為消化溫度，取35 C； T

19、。為新鮮污泥溫度（C） ； C為污泥比熱，取4.18 103 kJ/（ m3 C）。殼體的散熱量的計(jì)算公式為：Q2 Fk（T1 T2）式中，Q2為殼體散熱量（kJ/h ） ； F為殼體總面積（m2） ； k為傳熱系數(shù)kJ/（ m2 C）,一般為1.672.51 ; T2為環(huán)境溫度（C）。管道散熱量：輸泥管道德散熱計(jì)算是比較復(fù)雜的，且散熱較小，故管道的散熱量可 用Qi、Q2之和的10%計(jì)入，即Q3 =0.1 （Q1 + Q2）。污泥消化池的總能耗即為上述三項(xiàng)之和。國(guó)內(nèi)部分污水處理廠設(shè)計(jì)的能耗見表 2:表2污水處理廠單位耗電量名稱(kWgh/m3)(kW gh/m3)(kWgh/m3)0.2600

20、.060 (23.1%)0.139 (53.5%)深圳鹽田污水廠0.3900.057 (14.6%)0.183 (45.9%)成都雙流污水處理廠0.2900.057 (19.7%)0.188 (64.8%)注：括號(hào)內(nèi)為能耗所占比例。5.1.3用截流倍數(shù)分析法分析混流對(duì)污水處理系統(tǒng)的影響5.1.3(1) 雨洪水流量過程計(jì)算確定截流倍數(shù)需先計(jì)算洪流量及雨洪污染物濃度、旱流流量及旱流污染物濃度，在此基礎(chǔ)上，假定不同截流倍數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)計(jì)算。5.1.3(1)設(shè)計(jì)暴雨過程計(jì)算采用目前排水規(guī)范應(yīng)用的暴雨公式：i A(1 ClgT)(t+B)n式中，i為暴雨強(qiáng)度，mm/min ； t為降雨歷時(shí)；T為重現(xiàn)期；A1

21、，C, B, n為地方參數(shù)，可查設(shè)計(jì)手冊(cè)，或據(jù)實(shí)測(cè)暴雨資料確定。5.1.3(1) 凈雨過程計(jì)算降雨徑流經(jīng)驗(yàn)相關(guān)圖法師一種行之有效的方法，可用下式表達(dá)：sr y(sp pn Cp)3+c；-C1式中，Pn為前期影響雨量；SP為累計(jì)雨量；SR為累計(jì)產(chǎn)流量；Cp、Ci為產(chǎn)流公式參數(shù)，不同水文分區(qū)取值不同。5.1.3(1)流量過程計(jì)算推求流量過程可采用等流時(shí)線法、經(jīng)驗(yàn)單位線法、瞬時(shí)單位線法、水力學(xué)法等。瞬時(shí)單位線法是指無窮小時(shí)段內(nèi)流域上均勻的單位凈雨所形成的地面徑流過程線。納希用幾個(gè)線性水庫串聯(lián)后，推導(dǎo)出納希瞬時(shí)單位線公式如下:u(t)1 t n 1()eK (n) K式中，n為水庫數(shù)或調(diào)蓄次數(shù)；K為

22、分段內(nèi)的傳播時(shí)間；(n)為伽瑪函數(shù)。借助S曲線可將瞬時(shí)單位線轉(zhuǎn)化為時(shí)段長(zhǎng)為t的時(shí)段單位線u( t,t),便于實(shí)際應(yīng)用。ts(t) 0u(t)dt1u( t,t) s(t) s(t t)根據(jù)瞬時(shí)單位線，用卷積公式可求出流量過程：tQ(t)0R(t )u( )d式中，Kt為考慮流域面積及計(jì)算時(shí)段長(zhǎng)的單位換算因子；n、K為參數(shù)，可由實(shí)測(cè) 資料確定，或查有關(guān)資料用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算。5.1.3(2)徑流污染物濃度計(jì)算采用非點(diǎn)源運(yùn)動(dòng)波模型計(jì)算，其基本假定為：流域下透水，污染物守恒，在降雨開 始前均勻分布于整個(gè)流域，并在徑流中均勻混合。徑流污染物濃度的運(yùn)動(dòng)方程如下：Ct D 2Cr£ 冬lZ O ut

23、 x x hT t式中，Cr為污染物濃度；hT為總凈雨深；h為凈雨深；D為彌散系數(shù)；u為平流質(zhì)點(diǎn)流速。由假定運(yùn)動(dòng)方程簡(jiǎn)化為：dCrCdh出hT dt解得 Cr Cr0ht hthT式中Cr0為積分常數(shù)表示降雨開始時(shí)的污染物濃度。徑流中污染物總量為:MWCm-1加丁(1 -) eMW1F»(1 -) e式中F為流域面積；MW為污染物總量采用下式計(jì)算污染物沖刷總量：MW qFT式中q為污染物沖刷率模數(shù)；T為降雨沖刷歷時(shí)。1.1.3 (3)混合流污染物濃度計(jì)算根據(jù)計(jì)算區(qū)域規(guī)劃人口情況，工業(yè)布局等確定旱季流量 Q和旱季污染物濃度C,將 合流制管渠模擬為擬為；零維完全混合反應(yīng)器，則混合流的污染

24、物濃度用下式計(jì)算： CQ CrQi ChQr +Qi式中Ch為混合流污染物濃度。1.1.4 (4)截流倍數(shù)確定用非穩(wěn)態(tài)水質(zhì)模型模擬不同截流倍數(shù)下受納水體的水質(zhì)變化情況，與受納水體環(huán)境保護(hù)目標(biāo)進(jìn)行對(duì)照，滿足受納水體環(huán)境保護(hù)目標(biāo)的最小截流倍數(shù)即為所求。5.2 分流對(duì)污水處理系統(tǒng)的影響采取“分流”的收集機(jī)制相比于混流來說，首先則是不會(huì)有使得COD濃度偏低，從而影響設(shè)備損耗的問題。其次，由于把污水和雨水分開，從而減小了污水處理廠的處 理量，從而減小了其成本。只是分流的措施增加了修污水管網(wǎng)的費(fèi)用以及梳理居民錯(cuò)接 污水管的費(fèi)用，但與污水處理系統(tǒng)沒有關(guān)系。5.3 “分流”與“混流”對(duì)海綿城市建設(shè)的影響顯而易

25、見，“混流”收集機(jī)制對(duì)于建設(shè)海綿城市來說是不可取的。所謂的“海綿城 市”，就是在適應(yīng)環(huán)境變化和應(yīng)對(duì)自然災(zāi)害等方面具有良好的“彈性”，下雨時(shí)吸水、 蓄水、滲水、凈水，需要時(shí)將蓄存的水“釋放”并加以利用。海綿城市建設(shè)應(yīng)遵循生態(tài) 優(yōu)先等原則，將自然途徑與人工措施相結(jié)合，在確保城市排水防澇安全的前提下，最大 限度地實(shí)現(xiàn)雨水在城市區(qū)域的積存、 滲透和凈化，促進(jìn)雨水資源的利用和生態(tài)環(huán)境保護(hù)。 在海綿城市建設(shè)過程中，應(yīng)統(tǒng)籌自然降水、地表水和地下水的系統(tǒng)性，協(xié)調(diào)給水、排水 等水循環(huán)利用各環(huán)節(jié)，并考慮其復(fù)雜性和長(zhǎng)期性。而“混流”收集方式會(huì)讓許多雨水跟隨污水流到污水處理廠進(jìn)行處理，造成地表缺水，從而破壞生態(tài)，不利

26、于海綿城市的建設(shè)但“分流”收集機(jī)制則有利于海綿城市的建設(shè)，能充分利用雨水資源，將多余的雨 水儲(chǔ)存起來，在需要的時(shí)候又能及時(shí)的取出來進(jìn)行利用?！翱炫拧迸c“海綿城市”的不 同如圖3所示：圖3年徑流總量控制率概念示意圖5.4 找選“截流”和“清源”的判定條件5.4.1 “截流”的花費(fèi)若采用“截流”方式，則主要產(chǎn)生的費(fèi)用有由于雨量過大時(shí)導(dǎo)致的污水處理廠超負(fù) 荷而造成的污水溢出從而需要進(jìn)行處理的費(fèi)用w溢，以及因截流造成的“缺水”現(xiàn)象產(chǎn)生的“補(bǔ)水”費(fèi)用w補(bǔ)，還有擴(kuò)建污水處理廠所需的費(fèi)用 w擴(kuò)以及擴(kuò)建的那些污水處理 廠一年內(nèi)的運(yùn)行成本費(fèi)用w運(yùn)。而處理污水溢出的費(fèi)用又主要由污水廠的污水日處理量f以及當(dāng)日流入污

27、水處理廠的總污水量Pj （其中i表示月份，j表示第i月的第j天,且假設(shè)每一個(gè)月都為30天） 有關(guān)。設(shè)處理單位體積的污水所需要花費(fèi)的費(fèi)用為 w。，則一年所需要的花費(fèi)總額w溢為:12 30w溢（Pj e）w。i 1 j 1考慮所需的補(bǔ)水費(fèi)用w補(bǔ)。它與每天流入污水處理廠的雨水流量 qj （同樣的這里i表示第i月份，j表示第i月份的第j天，且假設(shè)每個(gè)月都為30天）以及所補(bǔ)單位體積的水所需的費(fèi)用w1的關(guān)系為：12 30qijWi 1 j 1而考慮污水處理廠擴(kuò)建的費(fèi)用時(shí)，應(yīng)考慮建立怎樣規(guī)模的污水處理廠才能使得既 能達(dá)到污水處理的效果，又能使得建設(shè)污水處理廠的成本盡可能的低。根據(jù)收集到的數(shù) 據(jù)，得到建立不同

28、規(guī)模的污水處理廠與所需的運(yùn)行成本的關(guān)系見表3:處理規(guī)模 Q（萬 m3/d）11.22577.31010.5202730 40100運(yùn)行成本 C（元/m3 ）1.20.80.750.640.50.40.520.380.4 0.280.42 0.410.38表3污水處理廠的處理規(guī)模與運(yùn)行成本的關(guān)系運(yùn)用MATLAB對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到的曲線如圖 4所示：圖4處理規(guī)模與運(yùn)行成本的擬合曲線其輸出結(jié)果為：General model Exp2:f(x)=a*exp(b*x)+c*exp(d*x)Coefficient (with 95% confidence bounds):a=0.8638 (0.45

29、18, 1.276)b= -0.351 (-0.7462, 0.04414)c= 0.4013 (0.2248, 0.5778)d= -0.0007642(-0.01014, 0.008612)Goodness of fit:(匹配度)SSE: 0.109R-square: 0.8544Adjusted R-square: 0.8058RMSE: 0.11故運(yùn)行成本C與處理規(guī)模Q之間的擬合曲線關(guān)系為:0.351Q0.0007642 QC 0.8638e0.4013e由上可知，用MATLAB線性擬合的曲線匹配度為85.44%。故由于擴(kuò)建后的污水處理廠運(yùn)行所需的費(fèi)用w運(yùn)與運(yùn)行成本C和污水處理廠的污

30、水日處理量f的關(guān)系式為:w運(yùn)=C f 360ccc / c cccc 0.351 Q c0.0007642 Q、=360 ( 0.8638e0.4013e) f式中360是根據(jù)前面所假設(shè)的每個(gè)月30天得到的。故截流所需的總費(fèi)用 W為:W w溢+w補(bǔ)w擴(kuò)+w運(yùn)1230(Pj j 112 e)w0 +i130qijww 擴(kuò) +w 運(yùn)j11230(Pj j112 e)w0 +i130qa+w擴(kuò) +360(0.8638e-0.351 Q+0.4013e 隗007642) f j15.4.2的花費(fèi)若采用“清源”的方式，則總費(fèi)用 W 包括建設(shè)污水管網(wǎng)所需的費(fèi)用 w管。其中, 建設(shè)污水管網(wǎng)所需的費(fèi)用w管主要

31、與所需建的管道長(zhǎng)度l,單位長(zhǎng)度的管道成本費(fèi)用v, 有關(guān)以及整治河道所需的費(fèi)用 w河。數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：W lv+w 河5.4.3判別條件由前面所討論的，其前提都是在能達(dá)到治污要求下的。根據(jù)總費(fèi)用盡量小的原則，故作如下討論：當(dāng)W>W時(shí)，即12 3012 30W w溢 +w 補(bǔ) w擴(kuò) +w運(yùn)=(Pij e)wo+qijWi w擴(kuò) +w運(yùn) >W Iv+w 河時(shí)，i 1 j 1i 1 j 1應(yīng)選“清源”這一收集機(jī)制；當(dāng)W<W時(shí)，應(yīng)選“截流”這一收集機(jī)制。5.5選定深圳一區(qū)域給出污水治理的方案我們選定深圳河灣區(qū)給出合理的治理方案。根據(jù)深圳“五年”建設(shè)目標(biāo)，需建設(shè)污水管長(zhǎng)度 l為310.6

32、公里(IP 3.106 105 m),污 水管道價(jià)格v為20元/米，采用的補(bǔ)的水為自來水，價(jià)格為 2.8元/m3 ,污水處理廠對(duì) 污水的日處理量e為60萬噸/天(即6 105m3/d ),整治河道的費(fèi)用為w河為3552元/km, 整治河道長(zhǎng)度為6.9km。建設(shè)日處理200噸的污水處理廠需土建費(fèi)用 38萬元，設(shè)備費(fèi) 45萬元，噸水處理費(fèi)用為0.28元。5.5.1 “清源”方式一年總費(fèi)用計(jì)算首先考慮采取“清源”方式，故一年所需費(fèi)用W為：W lv+w 河= 3.106 105 20+6.9 3552 =6236508.8(X)623.65 (萬元)5.5.2 “截流”方式一年總費(fèi)用計(jì)算再考慮“截流”

33、方式一年所需費(fèi)用 Wo由于前面已經(jīng)給出“截流”方式費(fèi)用的表達(dá) 式為：12 3012 30W w溢+w 補(bǔ) w 擴(kuò) +w 運(yùn)=(Pj e)w°+qow1 w 擴(kuò) +w 運(yùn)由此可知，每一天的流入污水處理廠的污水總量 Pj與每天流入污水處理廠的雨水流量q是不一樣的，此處為了簡(jiǎn)便，故令一年內(nèi)流入污水處理廠的平均日污水總量 P近似 每一天的流入污水處理廠的污水總量每天流入污水處理廠的雨水流量 q,一年內(nèi)的平均 每天流入污水處理廠的雨水流量 q近似每天流入污水處理廠的雨水流量 qj。故上式可簡(jiǎn) 化為：W= （P f）w0 qw1 w擴(kuò) w運(yùn)w運(yùn)=360（0.8638 e 0.351 Q 0,4013e 0.0007642 Q） f把數(shù)據(jù)代入上式，可解得總費(fèi)用 W為：W=2415.7 （萬元）5.5.3 結(jié)合“一、三、五、八”規(guī)劃分析根據(jù)上面分析，第五年，明顯“清源”方式的成本費(fèi)（623.65萬元）相比于“截流” 方式的成本費(fèi)（2415.7萬元）可以說是遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于，所以從長(zhǎng)期來看，采取“清源”措施是一種