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章节
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废水收集系统建模简介
世界人口和城市化的发展对设计，维护和运营废水管理系统的工程师和规划人员提出了许多挑战。 在发展中地区，前所未有的增长以及随之而来的废水产量的增加意味着环境对污染负荷的吸收能力逐渐下降。 发达国家在面临老化的废水基础设施结构，需要下水道服务的新客户以及日益严格的环境法规等方面面临着维持或提高服务水平的额外挑战。
负责应对当今废水管理挑战的人员得到近几十年来开发的计算机模型和其他技术的支持。 液压分析程序可以执行详细的水力计算，以便精确地建模废水收集系统，从而使建模人员能够考虑更广泛的系统条件和替代解决方案。 设计师和操作员现在可以更详细地了解系统行为，并更准确地预测系统在各种情况下的反应。
本书的重点是将水力模型应用于卫生和组合式下水道系统的设计，修复和运行。 介绍了管道内流动的基本方程，讨论了污水收集系统模型的构建，并描述了这些模型在实际情况下的应用。 本章通过描述基本术语和概念，并概述收集系统，液压系统和计算机建模的历史，作为对文本的介绍。
- 1 废水收集系统概述
废水收集系统将家庭，商业和工业废水（在很多情况下是雨水和地下水）从其来源传送到可能被处理并最终回收再利用或回收利用的地方，排放到
一个接收水体，或应用于土地。 废水被定义为“含有溶解和悬浮物的社区或工业的废水或废水”。 （美国土木工程师协会，1982）。 在本书中，废水和污水可以互换使用。 输送废水的管道被称为下水道。
术语
废水收集系统由管网组成，连接人孔或入口室，泵站和压力管道。 用于这些组件的术语因地点而异。 以下是最常见元素的定义。
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- 最大的下水道通常被称为干管下水道或拦截器，尽管在某些地方拦截器是为那些拦截以前直接排入溪流但现在被运送到处理设施的流量的下水道保留的。
- 主要（有时称为收集器）是用来描述大多数下水道的术语。
- 在一些地方，侧面是最小的下水道; 在其他情况下，这个术语是指从客户到街道主要的管道。
- 泄水管道描述了一个安装的污水管，用于为系统过载的部分提供额外的处理能力。
- 由集中式泵站供水的加压管道被称为强制干管或上升干管。
- 来自个体客户的泵供给的加压管道被称为压力下水道系统。
- 真空下水道使用真空泵输送废水。
- 泵被包含在称为泵站或升降站的结构中。
- 湿井是地下室，用于存储等待泵送的废水。
- 人孔或入口结构可以进入下水道进行清洁和其他维护活动。
- 导流室和连接室是可以混合或分流的结构。 在合并的下水道系统中，流量可以在处理和溢出之间分配。
- 储存设施可能由超大的管道，表面池塘或地下隧道组成。
废水收集系统通常以树状（树状）图案布置，较小的下水道流入逐渐变大的下水道。 因此，从任何入口点到下水道系统终点通常只有一条流路。
废水来源
废水收集系统旨在收集和运输来自家庭，商业和工业来源的废水。 但是，无意或非法的连接往往会导致额外流入系统。 渗透是水
通过有缺陷的管道，管道接头，连接件或人孔壁从地面进入系统。 流入水是从建筑物和地基下水道，湿地或沼泽地区的排水沟，人孔，交叉连接，集水盆或地表径流等来源排入下水道。 这些流量统称为渗透/流入或III。 这些非废水流量可以分成干湿天气成分。 降雨来源的流入和渗透或RDII是高于正常干旱天气流量模式的下水道流量的组成部分。 它代表了系统中降雨或融雪的下水道流量响应。
运输类型
虽然大多数下水道系统都是为部分全重力流设计和运行的，但实际上在集水系统中可能存在五种类型的流动条件，如图1.1所示。
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- 部分全重力流动 - 管道中有一个自由水面。
- 附加重力流量 - 由于下游控制，重力管道中的流动深度位于管道顶部之上。
- 有效的主管道压力流 - 污水沿重力流不可行的地方 - 例如从一个重力流域到另一个重力流域 - 泵送。
- 压力下水道 - 每个客户都有一个排放到压力下水道的泵。
- 真空下水道 - 通过真空泵将流体引入系统。
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尽管大多数收集系统管道属于第一类，但系统可以将所有五种类型的流量组合。
污水系统中使用的管道材料包括钢筋混凝土，预应力混凝土，铸铁，球墨铸铁，玻璃化粘土，聚氯乙烯和聚乙烯。 由于污水的腐蚀性，金属管道和某些情况下的混凝土管道可能会衬里以减少腐蚀的影响。
部分全重力下水道
附加重力下水道
水位
压力
HGL
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下水道 J
I I 压力下水道
客户泵
真空下水道
图1. l
\_ \_电梯
主真空
真空泵 - 储罐
收集箱
真空阀/泵
#39;Z
污水泵
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造型
模型和建模这样的词语在很多方面都有使用，因此有助于区分许多类型模型之间的差异。 美国大学词典（Random College，1970）将模型定义为“表示某物的构造或操作的物理或数学表示”。 关于废水收集系统，实际上有几种型号。
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- 数学模型是描述一些物理过程的一组方程。 曼宁方程是描述管道或通道中速度，尺寸，粗糙度和液压坡度线斜率之间关系的数学模型的一个例子。 数学模型可以通过分析或数值求解。
- 计算机模型是代表近似或反映该系统特定行为的物理系统的计算机程序。 数值表示允许进行计算数值分析。 计算机模型通常包含一个或多个数学模型。 诸如下水道CAD的程序可以在污水收集系统中建立流动模型。
- 系统模型由计算机模型和特定系统模型所需的所有数据组成。 例如，SewerCAD以及描述A市收集系统的数据文件构成了A市的下水道系统模型
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除了这三种类型的模型之外，模型和建模等词也经常用于软件设计中以描述数据的结构。 对象模型是构成软件包的对象（组件）结构的图形表示，包括它们的属性，函数以及其他对象之间的关联。 数据模型或数据模式是指数据在数据库文件和数据库表中组织的方式。 通过定义的正式数据模式，用户和程序员可以准确知道在哪里放置或查找数据。 一旦找到数据，模式将进一步描述其类型，大小和约束。
在本书中，建模一词最常用于描述为特定系统创建和使用废水收集系统模型的过程。
收集系统模型的应用
卫生下水道模型用于设计，长期总体规划，水质调查，运营分析，能力评估和法规遵从。 模型的开发，校准和维护包括系统操作员的连续过程。 下面介绍一些应用程序。
远程总体规划。 规划人员和工程师调查废水收集系统及其预测流量，以确定哪些资本改进项目对确保未来服务质量是必要的。 这个称为总体规划（也称为资本改进计划或综合规划研究）的过程通常包括5,10,20年或更长时间的设计视野项目系统增长和废水流动的活动。 系统增长可能是由于人口增长，工业扩张，兼并，收购或废水收集公用事业之间的批发协议。 必须评估收集网络充分为客户服务的能力，
预计将会增长。 模型不仅可以用来识别潜在的容量问题（如溢流），还可以用于确定收集器，泵站和强制总管的大小和位置，从而不会发生这些问题。
设计。 在设计新的下水道系统或扩大现有系统时，水力模型模拟单个部件和整个系统的性能。 在设计过程中，可以评估众多配置，改变原生和装载，以确定管道尺寸，高程和路线。 在预期条件下检查管道的尺寸或建议的泵的性能是在设计中如何使用模型的示例。
康复研究。 与所有工程系统一样，污水收集系统的磨损通常导致最终需要修复系统的部分。 管接头裂缝并发展泄漏，从而渗入。 不均匀的沉降会导致管段不对中，沉积物可能会堵塞管道部分。 为了应对这些老化的影响，公用事业公司可能会选择清洁或重新划线，试图将其恢复到原来的水力条件。 或者，可以用新的（可能更大的）管道替换管道，或者可以并行安装另一个管道。 沙井可能会被替换或修复。 水力模拟可用于帮助设计复原工作，评估这种复原的效果，并确定最经济的改进措施。
水质调查。 下水道集合系统输送到处理工厂的流量和质量会影响处理效率，最终影响接收机构的水质。 一些污水收集模型可以追踪流量中的各种成分。 下水道系统中的高I / I水平可能会降低处理厂的效率，并导致高水平的污染物排入接收机构。 溢流下水道将未经处理的废水排入环境。 今天，许多环境管理机构都有严格的限制，对这种溢出采取可能的执法行动。 溢出必须被消除
在卫生系统中，在组合系统中，它们必须最小化以减少水质影响。 模型可以帮助我们了解缝纫机溢出的时间，地点和原因，并评估缓解措施，从而改善水质。
运营。 系统操作员通常负责确保系统为处理厂提供连续的污水流量。 流量中意外的高峰或异常模式可能表明非法排入下水道。 流量异常下降可能表示下水道主机或泵站发生故障溢出，中断或冲刷。 模型可以模拟不同的日常操作方案，以确定各种操作的效果，例如修改泵站操作，为操作员提供更好的信息来做出决策。 如果模型包含与整天流量变化相关的信息，则可用它来安排访问站点的最佳时间。 考虑到整个系统的速度和深度变化可以帮助预测硫化氢生成增加的区域。
合规性。 液压下水道模型是评估和证明符合环境法规的非常有用的工具。 正如第15章所讨论的那样，卫生下水道系统的操作人员必须遵守许多不断变化的规定。 模型可以证明系统是否具有足够的容量及其对水质的影响。 例如，美国环保署的Com-
（CSO）政策（美国环境保护署，1999）声明如下：
下水道系统的建模被认为是一种有价值的工具，可用于预测各种潮湿天气事件的下水道响应情况，评估不同控制策略和替代方案时对水质的影响。 美国环保局支持在适当的情况下适当和有效地使用模型来评估9个最低限度的控制措施和制定长期的CSO控制计划。 （Section II.Cl d）
收集系统建模的类型
采集系统采用两种建模方法，即稳态和非稳态流动。 稳态模型假定系统中每个点都有恒定的流速，并且可以被认为是系统变化情况下的快照。 虽然废水系统中的流量实际上并不稳定，但设计者的主要兴趣是确定是否有足够的能力传输峰值流量。 稳态模型是预测这些峰值流量的理想选择。 此外，稳态模型可用于确定低流速下的速度是否足以进行自我清洁。
对于大多数设计工作来说，这种稳态方法已经足够。 对于流量变化较大的较大系统或系统而言，泵循环或管道中的储存非常重要，非恒定流动条件的模拟就变得非常重要。 这通过使用水文路由技术或通过求解更复杂的流体动力学方程通过系统的路由流来实现。 第3章详细讨论了非定常流路由。
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- 收集系统分析的历史透视
收集系统分析的历史有两条途径：
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- 收集系统的发展
- 液压分析技术和软件的发展。
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收集系统
最早的排水系统可以追溯到公元前三世纪，印度河文明和美索不达米亚人（Mays，2001）。 这一时期的系统主要用于雨水排放，但也经常提供卫生废物。 在公元前二世纪，米诺斯文明在克里特岛发展了大量的排水系统。 这些包括Knossos中首次记录的独立下水道系统（Mays，2001）。 公元前1100年至公元前700年，希腊人开始修建街道下的第一条下水道。 罗马人也用同样的方法增加了带有青铜戒指的粗石头人孔盖（Mays，2001）。
在黑暗时代，西欧的污水收集系统进展甚微。 收集系统主要用于雨水，如果可能的话，来自室内盆的夜晚土壤被作为固体废物处置。 通常，通过一扇敞开的窗户，通过一阵“前卫”声浪将夜晚土壤丢弃，这意味着“注意水”（Ecenbarger，1993）。 梅特卡夫和艾迪（Metcalf＆Eddy，1972）报道，直到1815年，人类废物才从伦敦下水道系统中被禁用
从波士顿系统直到1833年。德国汉堡在1843年强制要求将住宅连接到下水道系统（Foil，Cerwick和White，1999）。
1800-1865年期间引入了一项主要技术：持续供应自来水（塔尔，1996年）。 随着十九世纪中叶抽水马桶的出现，废水流量发生了很大变化。 虽然有很多设计，但第一个被广泛接受的设计是1884年托马斯·克拉珀（Ecenbarger，1993; Rey burn，1971）。 到1880年，美国大约三分之一的城市家庭都有抽水马桶（Tarr，1996）。 水厕的发展意味着干旱天气污水流量显着增加，而进入接收河的水质明显恶化。 城市开始构建系统去除废物而不考虑处理。 这里指出了十九世纪更值得注意的三个项目。<!--
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