第七章 一维非恒定河流和河网水量水质模型 对于中小型河流，通常其宽度及水深相对于长度数量较小，扩散质（污染物质、热量）很容易在垂向及横向上达到均匀混合，即扩散质浓度在断面上基本达到均匀状态。这种情况下，我们只需要知道扩散质在断面内的平均分配状况，就可以把握整个河道的扩散质空间分布特征，这是我们可以采用一维圣维南方程描述河流水动力特征或水量特征（水位、流量、槽蓄量等）；用一维纵向分散方程描述扩散质在时间及河流纵向上的变化状况。特别地，对于稳态水流，可以采用常规水动力学方法推算水位、断面平均流速的沿程变化；采用分段解析解法计算扩散质浓度沿纵向的变化特征。但是，在非稳态情况下（水流随时间变化或扩散质源强随时间变化）解析解法将无能为力（水流非恒定）或十分繁琐（水流稳态、源强非恒定），这时通常采用数值解法求解河道水量、水质的时间、空间分布。在模拟方法上，无论是单一河道还是由众多单一河道构成的河网，若采用空间一维手段求解，描述水流、水质空间分布规律的控制方程是相同的，只不过在具体求解方法上有所差异而已。 7.1 单一河道的控制方程 7.1.1 水量控制方程 采用一维圣维南方程组描述水流的运动，基本控制方程为： (1) 023/42 2=+-++R Q u n g x A u x Z gA x Q u t Q ???????? (2)
式中t 为时间坐标，x 为空间坐标，Q 为断面流量，Z 为断面平均水位，u 为断面平均流速，n 为河段的糙率，A 为过流断面面积，B W 为水面宽度（包括主流宽度及仅起调蓄作用的附加宽度），R 为水力半径，q 为旁侧入流流量（单位河长上旁侧入流场）。此方程组属于二元一阶双曲型拟线性方程组，对于非恒定问题，现阶段尚无法直接求出其解析解，通常用有限差分法或其它数学离散方法求其数值解。在水流稳态、棱柱形河道条件下，上述控制方程组退化为水力学的谢才公式，可采用相应的方法求解水流特征。 7.1.2 扩散质输运控制方程 描述河道扩散物质运动及浓度变化规律的控制方程为：带源的一维对流分散（弥散）方程，形式如下： S S h A KAC x c AE x x QC t AC r x ++-???? ??=+????????)()( (3) 式中，C 为污染物质的断面平均浓度，Q 为流量， 为纵向分散系数，S 为单 位时间内、单位河长上的污染物质排放量，K 为污染物降解系数，S r 为河床底泥释放污染物的速率。 此方程属于一元二阶偏微分方程，对于非恒定水流问题，微分方程位变系数的偏微分方程，现阶段尚无法直接求出其解析解，通常用有限差分法或其它数学离散方法求其数值解。在水流稳态、污染源源强恒定条件下，可按水动力特征将河道分为若干子段，在每个分段上，上述控制方程简化为常系数的常微分方程，可采用解析方法秋初起理论解。 7.2 单一河道一维水量水质模型
第二章 预 处 理 第一节 水质和水量调节 废水的水量和水质并不总是恒定均匀的，往往随着时间的推移而变化。生活污水随生活作息规律而变化，工业废水的水量水质随生产过程而变化。水量和水质的变化使得处理设备不能在最佳的工艺条件下运行，严重时甚至使设备无法工作，为此需要设置调节池，对水量和水质进行调节。 一、水量调节 废水处理中单纯的水量调节有两种方式：一种为线 内调节(见图2-1)，进水一般采用重力流，出水用泵提升。 调节池的容积可采用图解法计算，具体参见设计手册。 实际上，由于废水流量的变化往往规律性差，所以调节 池容积的设计一般凭经验确定。 另一种为线外调节(见图2-2)。调节池设在旁路上， 当废水流量过高时，多余废水用泵打入调节池，当流量低于设计流量时，再从调节池流至集水井，并送去后续处理。 线外调节与线内调节相比，其调节池不受进管高度限 制，但被调节水量需要两次提升，消耗动力大。 二、水质调节 水质调节的任务是对不同时间或不同来源的废水进行混合，使流出水质比较均匀，调节池也称均和池或匀质池。水质调节的基本方法有两种： ①利用外加动力(如叶轮搅拌、空气搅拌、水泵循环)而进行的强制调节，设备简单，效果较好，但运行费用高。 ②利用差流方式使不同时间和不同浓度的废水进行自身水力混合，基本没有运行费，但设备结构较复杂。 图2-3为—种外加动力的水质调节池，采用压缩空气搅拌。在池底设有曝气管，在空气搅拌作用下，使不同时间进入池内的废水得以混合。这种调节池构造简单，效果较好，并可防止悬浮物沉积于池内。最适宜在废水流量不大、处理工艺中需要预曝气以及有现成压缩空集水泵 调节图2-2 线外调节方 式
用水量预测方法综述 我国城市化正以罕见的速度进行, 到2000年底, 全国城市化水平已由1980年的19. 4%迅速增长到36. 2%; 预计到2020年城市化水平可达到50%左右。由于人口持续增长、经济高速发展、生活水平不断提高, 城市的工业和生活用水需求量大幅度增长, 使城市水资源供需矛盾加剧, 解决城市缺水问题是目前城市化建设面临的挑战。在进行城市水资源规划时, 城市用水量预测是其重要基础内容之一, 城市用水量预测结果直接影响到给水系统调度决策的可靠性和实用性,也直接关系到城市水资源的可持续利用和社会经济的可持续发展。 给水管网用水量预测是进行给水系统优化调度的前期上作, 根 据城市发展规划要求, 对给水管网系统的用水量进行分析、研究, 选择合适的用水量预测方法, 建立切实的用水量预测模型, 是进行给水系统优化调度的基础和前提, 它不仅为决策提供必要的信息, 在一定程度上讲, 它的准确度将直接影响给水系统优化调度的合理性和有 限投资的效益。城市用水量预测在城市建设规划、输配水系统的优化调度中具有重要的作用。它的准确程度直接影响到供水系统调度决策的可靠性及适用性。 城市给水系统时用水量预测是依据过去时段的城市供水量数据来推测下一个时段的城市需水量数据。通过对原始数据处理和用水量模型建立，发现、掌握城市给水系统时用水量变化规律，对下一个时段的城市总需水量做出科学的定量预测。建立的模型要根据历史数据的变化进行修正，使模型始终处于最优状态。 城市用水量预测方法按照预测周期可分为: 短期预测和中长期 预测; 按照预测原理可分为: 趋势外推法和因果型预测法; 按照对数据的处理方式不同有: 时间序列分析法、灰色预测法、解释性预测方法和用水定额法等。 本文主要讨论短期用水量预测和中长期用水量预测。中长期用水量预测主要用于水资源规划和城市的整体设计规划，它的预测依据是城市经济发展和人口增长速度的规律;短期预测是根据时用水量历史记录、日用水量历史记录或每周用水量历史记录数据及影响用水量的因素, 对未来一小时、一天或几周的用水量进行预测, 又称为时预测、日预测和周预测。它主要用于城市供水系统的调度管理。短期用水量预测主要用于城市给水系统在线实时模拟、给水系统优化调度，主要预测方法是时间系列法。 城市用水量特点：城市用水量具有其自身的变化规律，一般城市用水量以日周年为周期呈现周期性的变化趋势，在夏天用水量一般较高，冬天较低。节假日用水量变化规律与工作日用水量变化规律稍有不同，同时用水量也受气象因素的影响，偶然因素也会影响城市时
龙源期刊网 https://www.doczj.com/doc/bb17490370.html, 城市生活污水处理效果评价及出水水质日变化规律研究 作者：杨洁张卫平 来源：《现代商贸工业》2008年第11期 摘要：在对龙王嘴污水处理厂进水与出水的水质－包括有毒重金属在内的23项指标进行为期一年监测的基础上，对其污水处理效果进行了评价。同时对出水的全盐量、pH、总氮、 总磷、、、总硬度、阴离子表面活性剂（LAS）、悬浮物进行了日分析，研究其日变化规律。监测结果表明: LAS、、、SS的去除率接近或超过90％，出厂水的各项理化指标达到排放标准。日分析结果表明、、LAS变化规律与居民作息时间有关，而其他几项指标变化不大。 关键词：污水处理;处理效果;变化规律 中图分类号：X7文献标识码：A文章编号：1672-3198（2008）11-0367- 我国是世界上人口最多的国家，随着城市人口的骤增、乡村的城镇化和人民生活水平的提高,人均需水量和总需水量不断增加，城市污水总排放量也随之相应逐渐增加。因而，建设大 型污水处理设施集中处理城市污水是目前改善城市水环境的必要措施。近年来,我国城市污水 处理设施的建设取得了巨大的进步，城市污水处理量以及污水处理率达到了很大的提高。 武汉市龙王嘴污水处理厂是世界银行贷款污水治理项目，座落于武昌雄楚大道南侧、南湖之滨的关山村，总占地约13.3公顷，工程总耗资16千万元，设计总处理废水能力为15万服务面积，受益人口36万。该污水处理厂采用改良型A2O活性污泥法工艺，辅以化学除磷，能更有效地去除氮、脱磷，出厂水又经过氯气消毒，使出水水质、泥质更好。本文通过对武汉市龙王嘴污水处理厂进、出水的固体悬浮物、、、全盐量、硬度、总磷、总氮、阴离子表面活性剂及重金属Zn、Cu、Hg 、Ni、Cd、Cr、Pb、As、Se等水质指标历时一年的连续分析，研究了整个污水处理厂对污染物的去除效果，并选择全盐量、pH、总氮、总磷、、、总硬度、阴离子表面活性剂等常规指标对该厂的二级处理出水进行了一次日分析，试图从中找出规律，以更好的指导实践。 1 实验部分
第七章一维非恒定河流和河网水量水质模型 对于中小型河流，通常其宽度及水深相对于长度数量较小，扩散质（污染物质、热量）很容易在垂向及横向上达到均匀混合，即扩散质浓度在断面上基本达到均匀状态。这种情况下，我们只需要知道扩散质在断面内的平均分配状况，就可以把握整个河道的扩散质空间分布特征，这是我们可以采用一维圣维南方程描述河流水动力特征或水量特征（水位、流量、槽蓄量等）；用一维纵向分散方程描述扩散质在时间及河流纵向上的变化状况。特别地，对于稳态水流，可以采用常规水动力学方法推算水位、断面平均流速的沿程变化；采用分段解析解法计算扩散质浓度沿纵向的变化特征。但是，在非稳态情况下（水流随时间变化或扩散质源强随时间变化）解析解法将无能为力（水流非恒定）或十分繁琐（水流稳态、源强非恒定），这时通常采用数值解法求解河道水量、水质的时间、空间分布。在模拟方法上，无论是单一河道还是由众多单一河道构成的河网，若采用空间一维手段求解，描述水流、水质空间分布规律的控制方程是相同的，只不过在具体求解方法上有所差异而已。 单一河道的控制方程 7.1.1 水量控制方程
采用一维圣维南方程组描述水流的运动，基本控制方程为： ????Q x B Z t q W += (1) 023/42 2=+-++R Q u n g x A u x Z gA x Q u t Q ???????? (2) 式中t 为时间坐标，x 为空间坐标，Q 为断面流量，Z 为断面平均水位，u 为断面平均流速，n 为河段的糙率，A 为过流断面面积，B W 为水面宽度（包括主流宽度及仅起调蓄作用的附加宽度），R 为水力半径， q 为旁侧入流流量（单位河长上旁侧入流场）。此方程组属于二元一 阶双曲型拟线性方程组，对于非恒定问题，现阶段尚无法直接求出其解析解，通常用有限差分法或其它数学离散方法求其数值解。在水流稳态、棱柱形河道条件下，上述控制方程组退化为水力学的谢才公式，可采用相应的方法求解水流特征。 7.1.2 扩散质输运控制方程 描述河道扩散物质运动及浓度变化规律的控制方程为：带源的一维对流分散（弥散）方程，形式如下： S S h A KAC x c AE x x QC t AC r x ++-??? ? ??=+????????)()( (3)
1.水资源：指通过水循环年复一年得以更新的地表水资源和地下水资源。(地球上的水资源，从广义来说是指水圈内水量的总体。包括经人类控制并直接可供灌溉、发电、给水、航运、养殖等用途的地表水和地下水，以及江河、湖泊、井、泉、潮汐、港湾和养殖水域等。从狭义上来说是指逐年可以恢复和更新的淡水量。) 2.补给量：指天然状态或开采条件下，单位时间通过各种途径进入含水系统的水量。 3.允许开采量：又称可开采量或可开采资源量，是指在技术上可能、经济上合理，并在整个开采期内出水量不会减小，动水位不超过设计要求，水质和水温变化在允许范围内，不影响已建水源地正常开采，不发生危害性的环境地质现象的前提下，单位时间从含水系统或取水地段中所能取得的水量。 4.水量平衡：所谓水量平衡，是指任意选择的区域（或水体），在任意时段内，其收入的水量与支出的水量之间差额必等于该时段区域（或水体）内蓄水的变化量，即水在循环过程中，从总体上说收支平衡。 5.如何理解有关地下水补给资源、储存资源和可开采量的含义 补给资源：指含水系统经常与外界发生交换的水量，即天然条件下或人为状态下，通过各种途径进入含水系统或水源地开采层的可供利用的地下水数量。从多年平均角度看，就是含水系统每年可以获得补充和恢复的水量。 储存资源：在地质历史时期中不断累计储存于含水系统之中的水量。 可开采量：意同允许开采量。 6.水文地质测绘又称地下水资源地面调查，是通过对调查区内地质、地貌、地下水露头和地表水状况的观察分析，从宏观上认识地下水的埋藏、分布和形成条件的一种调查手段。 7.水文地质测绘内容：地貌调查，地层调查，地质构造调查，泉的调查，水井调查，地表水调查，水质调查，气象资料调查，与地下水有关的环境地质调查。 8.水文地质调查目的是查明天然及人为条件下地下水的形成、赋存和运移特征，地下水水量、水质的变化规律，为地下水资源评价、开发利用、管理和保护以及环境问题防治提供所需的资料。 9.水文地质调查任务：视不同的用途和不同的精度要求而定，但都应查明地下水系统的结构、边界、水动力系统及水化学系统的特征，具体需查明下面3个基本问题: 1)地下水的赋存条件。查明含水介质的特征及埋藏分布情况 2)地下水的补给、径流、排泄条件。查明地下水的运动特征及水质、水量变化规律。 3)地下水的水文地球化学特征。不仅要查明地下水的化学成分，还要查明地下水化学成分的形成条件。 10.水文地质调查方法：地下水资源是水资源的一部分，由于其埋藏于地下，其调查方法要比水资源调查更复杂。除需要采用一些地表水资源调查方法外，因地下水与地质环境关系密切，还要采用一些地质调查的技术方法。最基本的调查方法有:地下水资源地面调查(又称水文地质测绘)、钻探、物探、野外试验、室内分析、检测、模拟试验及地下水动态均衡研究等。随着现代科学技术的发展，不断产生新的地下水资源调查技术方法，包括航卫片解译技术、地理信息系统(GIS)技术、同位素技术、直接寻找地下水的物探方法及测定水文地质参数的技术方法等，这些都大大提高了地下水资源调查的精度和工作效率。 11.地下水调查对象和调查方法 12.地表水调查对象和调查方法（P24） 对于地表水，除了调查研究地表水的类型、水系分布、所处地貌单元和地质构造位置外，还要进一步调查以下内容： （1）查明地表水与周围地下水的水位在空间上的变化特征。 （2）观测地表水的流速及流量，研究地表水与地下水之间量的转化性质。
城市排水管网泵站与污水处理厂间水量水质变化预测方法研究 静贺1，刘艳臣1，邱勇1，施汉昌1，陆永宏2，吴林安2，何人杰2，陈宇2，叶亮2，李激2（1. 清华大学环境科学与工程系，北京 100084；2. 无锡排水总公司，江苏无锡 214023） 摘 要：城市排水管网水量水质变化情况受汇水区域特征、降雨等多种因素影响，其动态变化过程是 造成污水处理厂进水变化的主要原因，严重影响到下游污水处理厂的运行状况。本文以某污水处理厂 上游排水管网为例，根据中途泵站和污水处理厂的水量水质连续监测结果，针对管网泵站与污水处理 厂间水量水质变化关系及其预测方法进行了研究。研究结果表明，运用多元线性回归模型可以简单实 现水质变化的预测，运用人工神经网络方法可以更加准确实现水质变化情况的预测，运用旱季流量、 降雨引起径流和渗流估算模型可以实现水量变化情况的预测，研究结果对于排水管网的监测预警及其 实现管网与污水厂的运行联动具有重要意义。 关键词：城市排水管网；水量变化；水质变化；预测方法 1 前言 近年来，随着我国污水处理事业的快速发展，城市排水管网的建设与运行也开始受到广泛关注。由于受到服务区域类型、管网构筑物、季节及降雨因素等多种条件的综合影响，城市排水管网的水量水质呈现空间上和时间上的复杂多变特性，成为影响管网安全运行和污水处理厂稳定运行的重要因素，同时也直接影响到城市水环境的污染状况。研究城市排水管网污染负荷的动态特性，对污水处理厂进水负荷进行预测，可以掌握降雨等突发事件对排水管网运行的影响，从而保障污水收集和处理系统的稳定运行。 目前，国内已有的相关研究主要集中在城市排水管网运行的水量分析上[1-5]，但缺少对水质动态变化的关注[6]。而国外的相关研究则在排水管网在线水质监测的基础上[7] [8]，比较多的关注排水管网运行对水质变化的影响[9-11]。针对排水管网的水量水质变化情况的预测，目前应用较多的方法通常依据管网结构和流体力学建模[12-15]，但是这种方法对排水管网的地域特征、汇水水源状况等信息要求较高，在实际应用过程中的难度较大。 因为排水管网末端出水的污染物负荷既能反映排水管网的运行状态，也是影响下游污水处理设施运行效果的直接因素，所以本文主要基于排水管网末端出水的动态负荷变化的监测结果，运用比较适合于管网构造、汇水区以及管网运行数据较为缺乏的情况的统计学的水质预测方法[16]，对排水管网泵站与污水处理厂间水量水质变化状况的预测方法进行研究，对不同预测分析模型的预测结果进行比较分析。 2 研究材料与方法 2.1 研究对象 本文研究以某城市污水处理厂的上游片区管网为研究对象，如图1(a)所示。管网上游污水通过五个一级泵站输送至下游的自流管网片区，最终通过管网末端出口排入污水处理厂，概化图如图1(b)所示。