老城区合流制排水体制改造方案的选择及优化研究

摘要

排水系统是城市最基本的基础设施之一，其功能主要是分别收集、输送生活污水、工业废水及对雨水的收集和排放。由于城市化进程的加快及生活水平的提高，导致人口密度、排水负荷都在不断的增大，给城市排水系统带来了巨大的排污和排涝负荷，城市内涝、溢流污染、管网沉积堵塞的问题也随之凸显。大多数城市的老城区多采用雨、污合流制排水系统，老城区管网的建设时间较长，存在很多问题，接入其中的雨水及各种污水组分复杂，改造施工难度较大。　　对老城区合流制排水系统的改造，经济而简捷的工程措施是改造成截流式合流制，其中截流倍数的取值对合流制改造工程的环境和经济效益具有很大的影响，因此科学合理地确定截流倍数是合流制排水系统截流改造的重点内容。我国对截流式合流制截流倍数的选择还没有较完善的方法，实际工程中截流倍数的取值存在较大的主观性，没有考虑合流管道污染物的沉积冲刷效应，对污水及沉积物冲刷的雨天溢流污染问题也没有特别关注与考量。　　为解决以上问题，本文以湖南省岳阳市南湖老城区截流式合流制排水系统改造为研究对象，经收集资料，调查管网沉积现状，探讨其合流制改造方案。利用ICEMCFD软件建立三维管道物理模型，并进行网格划分，建立管道固-液两相流的非稳态模型，并通过计算流体力学软件FLUENT作仿真模拟计算，对合流干管中的沉积物冲刷规律进行模拟研究，并得出沉积物冲刷及沉积平衡时的流速与流量，进而确定合适的截流倍数。　　利用城市暴雨管理模型(SWMM)，根据研究区域受纳水体的特点，建立岳阳市南湖地区的SWMM一维非稳态水质模型，分析其地表产汇流过程，地表污染物的冲刷，并与管网中旱流污水一起进行截流式合流制系统的水量、水质演算，最后进行溢流计算，得出该截流倍数下的溢流水量、水质数据，并进行环境容量评估，判断CFD模拟确定截流倍数的可行性。　　对老城区合流制排水体制的改造，分别采用增大截流倍数的截流式合流制改造方案和分步“二次截流”的分流制改造方案等进行比较，分别从管网及污水处理投资、环境效益、实施难易等多方面进行技术经济比较，确定岳阳市老城区合流制排水体制的最优改造方案为增大截流倍数到n0=4的截流式合流制改造方案。对岳阳市老城区合流制排水系统改造工程建设具有指导意义，其他城市老城区合流制排水系统的改造也可以参考和借鉴。

目录

声明

第 1 章 绪论

1.1 研究背景

1.2 国内外研究进展

1.2.1 合流制系统改造研究

1.2.2 截流倍数确定研究

1.2.3 排水管道水力模拟研究

1.3 研究内容及方法

1.3.1 研究的主要内容

1.3.2 研究创新点

1.3.3 研究内容与技术路线

1.4 课题来源

1.4.1 岳阳市中心城区排水专项规划简介

1.4.2 岳阳市中心城区排水现状

1.4.3 规划范围及依据

第 2 章 南湖老城区合流制管道改造与管道沉积研究

2.1 南湖老城区合流制管道改造

2.1.1 改造方案研究

2.1.2 二次截流改造

2.1.3 南湖水环境容量与污染物分析

2.2 排水管道沉积分析

2.2.1 管道沉积物来源

2.2.2 管道沉积物组分及性质

2.2.3 管道沉积物沉降状况

2.2.4 管道沉积物冲刷条件

2.3 小结

第 3 章 计算流体力学模拟

3.1 CFD 模拟概述

3.1.1 前处理

3.1.2 求解

3.1.3 后处理

3.1.4 CFD 基本求解过程

3.2 合流干管流体控制方程

3.2.1 质量守恒方程

3.2.2 动量守恒方程

3.3 合流干管计算网格划分

3.3.1 网格类型

3.3.2 网格划分

3.4 数值离散方法与离散格式

3.5 合流干管数学模型

3.5.1 湍流模型

3.5.2 多相流模型

3.6 边界条件与求解控制参数

3.6.1 边界条件

3.6.2 求解控制参数

3.7 模型可行性验证

3.8 小节

第 4 章 CFD 模拟合流干管沉积物冲刷过程

4.1 模拟参数确定

4.1.1 混合污水中颗粒粒径及体积分数确定

4.1.2 合流干管冲刷流速确定

4.2 建立数值模型

4.2.1 物理模型网格划分

4.2.2 求解器设置

4.3 CFD 模拟结果分析及截流倍数确定

4.3.1 模拟结果分析

4.3.2 截流倍数确定

4.4 本章小结

第 5 章 SWMM 对截流倍数选择的环境分析与经济比较

5.1 SWMM 模型概述

5.1.1 模型组成

5.1.2 模型原理

5.2 南湖老城区 SWMM 模型的建立

5.2.1 研究区域排水系统概化

5.2.2 模拟条件

5.3 SWMM 模拟结果分析

5.3.1 截流倍数为 1 时的溢流水量水质分析

5.3.2 截流倍数为 4 时的溢流水量水质分析

5.3.3 年溢流水量水质分析

5.4 增大截流倍数改造方法工程投资分析

5.4.1 截流干管工程投资

5.4.2 污水处理设施投资

5.4.3 污水处理系统运行投资

5.5 小结

结论

建议

参考文献

致谢