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废水收集系统建模介绍
世界潮流与城市化的发展为设计和运行废水管理系统的工程师和设计者们带来许多挑战。在发展中地区，前所未有的废水量以及伴随而来的污染意味着自然环境正逐渐无法应对水污染负荷。发达国家则面临着额外的的挑战，这些挑战与保持和改善水处理级别有关，来应对废水基础设施老化、新的用户对废水管网服务的要求以及逐渐增长的严峻的自然环境规律。
为了满足如今废水管理需要，要完成这些挑战离不开计算机模型和其他最近几十年才发展起来的科技的帮助。水力分析程序能够呈现详细的水力计算，要准确建立废水收集系统模型，这些水力计算是必须的，并且还能够解放建模者，使他们不再需要考虑更宽泛的系统条件范围和更多变的解决方案。设计者和运行者现在能够得到更加详细的系统运行图以及更加准确地预测系统在不同环境下的反应。
本书的重点是水力模型在设计、修复、运行卫生以及合流制污水系统方面的应用。它呈现了管中水流的基本方程，讨论了废水收集系统模型的建立，以及描述了这些模型在实际环境中的应用。本章为介绍性的文章，将通过描述基本术语和概念以及对收集系统、水力条件、计算机建模的历史的概述的方式来介绍。
1.1 废水收集系统概述
废水收集系统负责传输生活废水、商业废水以及工业废水（很多情况下还有雨水和地下水）。从废水源头开始，或送到废水处理地并且最终回收用于再利用及再循环，或被直接排入受纳水体，又或是被土壤吸纳。废水被定义为“社区或工业废水或使用过的水，并且含有可溶物与悬浮物”（American Society of Civil Engineers,1982）。名词“废水(wastewater)”和“污水(sewage)”在本书中可替换使用。传输废水的管道称为“污水管（sewers）”。
术语
废水收集系统由管网、连接处人孔，泵站和压力总管组成。用于这些组件的术语与从一个地点到另一个地点不同。以下是大部分常用元素的定义。
bull;最大的污水管通常称作“干管（trunk sewers）”或“interceptors”,尽管在有些地方名词“interceptors”被用作指代那些截流管道，这些管道之前都是直接排往溪流中，而现在排往污水处理设施。
bull;“主管（main）”（有时称为收集器）是用于描述大多数污水管道的术语
bull;在某些地方，“旁侧管（laterals）”是最小的污水管道; 在其他地方，该术语指的是连接用户与街道主管的管道。
bull;减压污水管（relief sewer）是指用于为系统过载的部分提供额外容量所安装的污水管。
bull;由集中泵站供给的加压管道被称为压力主管（force mains）或泵送干管（rising mains）。
bull;由各个用户的泵供给的加压管道称为压力污水管道系统（pressure sewer systems）。
bull;真空管（vacuum sewers）使用真空泵输送废水。
bull;泵包含在称为泵站（pump station）或提升泵站（lift station）的结构中。
bull;出水井（wet well）是指储存等待泵抽送废水的地下隔间。
bull;人孔（Manholes）或通道结构(access structures)提供进入下水道的通道，便于进行清洁和其他维护活动。
bull;导流井（diversion chambers ）和连接井（junction chambers）是可以混合或分流的结构。在合流制污水管道系统中，流量可以在进入处理构筑物和进入溢流的途中进行分配。
bull;储存设施（storage facilities）包括超大孔隙，表面水塘或地下隧道。
废水收集系统通常以树状（枝状）图案布置，较小的污水管道流入逐渐变大的污水管道。 因此，从任何进入点流入到污水管道系统末端的通常只有一条流动路径。
废水来源
废水收集系统用来收集和运输来自家庭，商业和工业来源的废水。 但是，不经意或不规范的连接管经常导致额外的水流流入系统。渗入是水通过有缺陷的管道，管道接头，连接处或人孔壁从地面进入系统。 流入是水从源头，如建筑物和地基排水沟、湿地或沼泽地区的排水沟、人孔盖、交叉连接处、集水盆或地表径流等，排放到污水管中的水。 这些水流统称为渗入/流入或I / I. 这些非废水流可以分成旱流流量和雨天流量。 降雨导致的流入和渗透或RDII是污水管道流量的组成部分，高于通常的旱流流量部分。 它反映出系统中的污水流量受降雨或融雪的影响。
运输类型
虽然大多数污水管道系统是为部分全重力流设计和运行的，但实际上存在于收集系统中的流动条件可以有五种类型，如图1.1所示。
bull;部分全重力流—管道中有一个自由水面。
bull;增压重力流—由于下游控制，重力管中的水流深度要高于弯管顶。
bull;压力主管中的压力流—污水沿着无重力流的区域由泵传输，例如从一个重力排水渠到另一个重力排水渠。
bull;压力污水管—每个用户都有一个排放到压力污水管的泵。
bull;真空污水管—水流由真空泵输送从而通过系统。
尽管大多数收集系统中的管道属于第一类，但同一系统中可以存在所有五种类型流的组合。
用于污水系统的管材包括钢筋混凝土，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，金属管和某些情况下的混凝土管可以衬里以减少腐蚀的影响。
图1.在各种类型的卫生下水道中发现的流动状况
1.2建模
模型和建模这两个词的使用方式很多，有助于区分众多类型的模型。 美国大学词典（Random House，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，实际上有下列几种模型。
bull;数学模型是描述某些物理过程的一组方程。 例如，曼宁方程是描述管道或通道中速度，大小，粗糙度和水力坡度线斜率之间关系的数学模型。 数学模型可以通过分析或数字方式求解。
bull;计算机模型是表示近似或反映该系统的特定行为的物理系统的计算机程序。 数值表示允许计算数值分析。 计算机模型通常包含一个或多个数学模型。 像Sewer-CAD这样的程序可以模拟污水收集系统中的水流。
bull;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，程序Sewer-CAD，再加上描述城市A中收集系统的数据文件，即可组成城市A的污水管道系统模型。
除了这三种类型的模型之外，在软件设计中还经常使用单词模型和建模来描述数据的结构。 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、功能和其他对象之间的关联。 数据模型或数据模式指的是数据在数据库文件和数据库表中的组合方式。 通过定义的正式数据模式，用户和程序可以确切地知道放置或查找数据的位置。 找到数据后，模式将进一步描述其类型，大小和约束。
在本书中，建模这个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
生活污水管道模型用于设计，远程总体规划，水质调查，运行分析，能力评估和规范应用。模型的开发，校准和维护包括了为系统运行者设计的一个连续的过程。 一些应用程序如下所述：
远程总体规划。：规划人员和工程师调查污水收集系统及其预计流量，以确定哪些资本改善项目是确保未来服务质量所必需的。 这个过程称为总体规划（也称为资本改善规划或综合规划研究），通常包括项目系统增长和废水流量的活动，设计范围为5年，10年，20年或更长。 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，可能会出现系统增长。 无论何时预期系统增长，都必须评估收集网络为其客户提供充分服务的能力。 不仅可以使用模型来识别潜在的容量问题（例如溢流），而且还可以使用模型来定位收集器，泵站和压力主管，从而永远不会发生这些问题。
设计： 在新的污水管道系统的设计或现有系统的扩展中，液压模型模拟了各个部件和整个系统的性能。在设计过程中，可以通过评估多种配置，替代方案和负载，以确定管道尺寸，高度和对齐。 在预期条件下，检查管道的尺寸或泵的性能是否符合标准，是如何在设计中使用模型的示例。
可修复性研究：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对系统的部分进行修复。 管接头裂开并产生泄漏，允许渗透。 不均匀的沉降会导致管段错位，沉积物可能会堵塞管段。 为了抵消这些老化的影响，公用事业公司可以选择清洁或重新围绕管道以试图将其恢复到其原始的水力状态。 或者，可以用新的（可能更大的）管道替换原管道，或者可以并行安装另一个管道。 人孔可以更换或修复。 水力模拟可用于帮助设计修复工作，评估此类修复方案的效果，并确定最经济的改进措施。
水质调查：污水管道收集系统向处理厂输送的流量和质量会影响处理效率，并最终影响受纳水体的水质。一些废水收集模型可以跟踪监测流程中的各种成分。污水管道系统中的超标的I / I会降低处理厂的效率并导致高水平的污染物排放到受纳水体中， 使得污水管道将未经处理的废水排放到环境中。 今天，许多环境监管机构都有严格的限制，可能采取强制措施来解决此类问题。 必须在卫生系统中消除溢流，而在组合系统中，必须将其最小化以减少水质影响。 模型可以帮助我们了解管道系统溢出的地点，时间和原因，并评估可以改善水质的缓解措施。
运行：系统操作员通常负责确保系统向处理厂提供连续的污水流。 流动中出现意外的峰值或异常模式可能表示非法排放到污水管道。流量的异常减少可能表示污水管道道主管溢流，中断或冲洗，或泵站发生故障。 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。 如果模型包含与全天流量变化相关的信息，则可以使用它来安排访问站点的最佳时间。通过分析整个系统的速度和深度变化，可以帮助预测硫化氢产生增加的区域。
规范遵从性： 液压污水管道道模型是评估和证明符合环境法规的极其有用的工具。 如第15章所述，卫生下水道系统的操作员必须遵守许多不断变化的规范。 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CSO政策（美国环境保护局，1999）声明如下：
管网系统的建模是一种有价值的工具，用于预测废水管道对各种潮湿天气事件的响应，并在评估不同的控制策略和替代方案时评估水质影响。 EPA支持在评估九项最低控制措施和制定长期CSO控制计划时，适当和有效地使用建模。
收集系统建模的类型
在收集系统中使用两种建模，即稳态和非稳态流。稳态模型假设系统中每个点的流速恒定，并且可以被视为系统变化条件下的快照。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容量来传达峰值流量。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较低流速下的速度是否足以进行自清洁。
对于大多数设计工作，这种稳态方法是足够的。对于具有广泛变化的流量的较大系统或存在各种变化流态的系统，在管道中循环或存储数据是显著的，非稳态流动条件的模拟变得重要。这是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来路由流经系统来实现的。第3章详细讨论了非稳态流路由。
1.3收集系统分析的历史透视
收集系统分析的历史遵循两条路径：
bull;收集系统的开发
bull;开发液压分析技术和软件。
收集系统
最早的排水系统可以追溯到公元前3世纪。印第安纳文明随后是美索不达米亚人（Mays，2001）。这一时期的系统主要是为雨水排放而开发的，但也经常使用卫生废物。在公元前二世纪，米诺斯文明在克里特岛上开发了大量的排水系统。这些包括Knossos中第一个记录的单独下水道系统（Mays，2001）。公元前1100年至700年，希腊人开始建造街道下的第一个下水道。罗马人做了相同的添加原石沙井盖和青铜环提升（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，来自室罐的夜间土壤作为固体废物处理。通常情况下，夜间的土壤被简单地通过一扇敞开的窗户丢弃，其中有一个“garde Irsquo;eau”，其翻译为“注意水”（Ecenbarger，1993）.Metcalf＆Eddy（1972）报告说人类浪费直到1815年才被禁止进入伦敦管道系统
从波士顿系统直到1833年。德国汉堡强制要求在1843年将房屋连接到下水道系统（Foil，Cerwick和White，1999）。
1800-1865期间引入了一项主要技术：连续供应自来水（Tarr，1996）。 随着19世纪中叶冲水马桶的出现，废水流量发生了很大变化。尽管有许多设计，但第一个被广泛接受的设计在1884年归功于托马斯·克拉珀（Ecenbarger，1993; Rey-bum，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）。水厕的开发意味着干燥天气污水流量显着增加，而进入接收流的水质显着恶化。城市开始构建系统以去除废物而不考虑治疗。 这里注意到十九世纪三个更值得注意的项目。
最初的巴黎风暴下水道是在中世纪建造的，因为街道铺设了道路（Delluer，2003）。在Napoleon I下，建造了一个拱形污水管网，如图1.2所示。它长约30公里。 1850年，Georges Haussmann和Eugene Belgrand设计了现有的下水道和供水网络。它的建造是为了排放巴黎下游的水流。该系统通过重力工作，泵站位于低社区。下水道足够大，可以容纳饮用水主管，电缆和气动管。大多数主要的收集器都有一个圆形的下部，称为“cunette”，每侧都有检查人行道。许多部分具有
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