一种基于MIKE+构建污水收集系统量化模拟技术方法

技术领域

本发明属于城市污水提质增效的技术领域，特别涉及到一种基于MIKE+构建污水收集系统量化模拟技术方法。

背景技术

城市污水收集管网系统是一个规模庞大、结构复杂的网络系统，包括污水管网、合流管网等不同体制的排水系统，完善的城市污水收集系统是城市高效率、高质量运转的必要条件。然而由于传统的“重地上，轻地下”城市发展模式，导致城市污水收集系统建设落后、欠账严重，不仅引发频频繁的城市内涝、黑臭水体、水体富营养化等系列水环境问题，而且导致城市污水生活污水收集处理设施运行效能不佳。

目前围绕城市污水收集管网系统的污水提质增效技术方案大多是按照传统恒定流水力计算方法或凭工程经验确定污水收集管网设计方案，并没有通过数值模拟软件量化模拟分析污水提质增效方案的目标可达性，以及针对污水提质增效方案进行最优化，最终可能出现污水提质增效考核目标不具备可达性，或者污水提质增效工程措施过于保守，不符合技术经济性最优化要求，导致污水收集处理设施运行效能难以提升。

城市排水系统模型为污水管网提质增效方案的目标可达性与最优化评估量化分析提供了重要的科学手段。排水系统模型通过数值表达式描述污水、污染物从源头产生、管网输移到末端排放(或处理)全过程中发生的物理、化学及生物反应过程。不仅可以模拟污水、污染物在整个系统中的动态变化过程，而且可以有效“捕捉”污水、污染物的时空分布规律；因此，需要设计一种基于MIKE+构建污水收集系统量化模拟技术方法来解决上述问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于MIKE+构建污水收集系统量化模拟技术方法，该方法可用于简单、便捷地构建城市污水收集系统模型，量化模拟分析管网雨污分流改造、排口截污改造、管网修复等污水提质增效方案的工程效果，可为类似的研究工作与工程实践提供参考。

为实现上述设计，本发明所采用的技术方案是：一种基于MIKE+构建污水收集系统量化模拟技术方法，包括以下步骤：

S1，选定量化模拟区域，确定污水收集系统模拟范围；

S2，对量化模拟区域中污水管网和合流管网系统进行数据标准化处理：

S201，收集量化模拟区域污水管网和合流管网的现状普查数据资料；数据资料属性信息至少包括可准确描述污水管网和合流管网的空间分布情况；

S202，根据S201获取的管网数据资料，利用地理信息系统软件ArcGIS进行标准化处理，分别构建检查井和管道图层，并将检查井与管道属性信息按照标准化原则逐一录入；

S3，将污水收集管网系统基础数据导入MIKE+模型，构建污水收集管网系统基础模型；

S4，输入污水收集管网系统模型的水量和水质边界条件；

S5，确定污水收集系统模型参数；

S6，在污水收集系统模型的基础上分别对各污水提质增效方案进行建模：

S601，结合量化模拟区域污水提质增效目标的实际需求，设计多种污水提质增效方案；

优选地，方案包括小区雨污分流改造、市政雨污分流改造、排口截污改造和管道破损修复方案；

S602，根据所选方案，在MIKE+模型中输入对应模型参数进行建模；

优选地，对于小区雨污分流改造方案建模，即在MIKE+模型中输入小区雨污分流改造后污染源的水质指标值；

优选地，对于市政雨污分流改造方案建模，即仅模拟旱季工况时可在MIKE+模型中将合流管的下游去向接入污水收集系统。如模拟雨季工况时，需根据原合流管实际保留用作污水管或雨水管，若保留为雨水管，则在MIKE+模型中新建1套污水管，将原合流管接驳的污染源接入污水管，同时将污水管下游去向接入污水收集系统；若保留为污水管，则在MIKE+模型中新建1套雨水管，将原合流管下游去向接入污水收集系统；

优选地，对于排口截污改造方案建模，即在MIKE+模型中取消污水直排口，将污水管接入下游污水收集系统；

优选地，对于管网破损修复方案建模，即在MIKE+模型中输入破损修复后的入侵流量值；

S7，运行已完成构建的各污水提质增效方案模型，并输出考核点水质动态变化过程；即在MIKE+模型中运行步骤6中各污水提质增效方案或组合方案情景，并输出各情景下目标考核点的水量、水质指标随时间变化的动态过程；

S8，分析污水收集系统提质增效的目标可达性，若不达标，则返回S6；调整设计方案直至考核点输出水质模拟值满足考核目标要求，具体方法如下：

根据污水提质增效考核目标的实际要求，分析污水收集系统各设计方案目标可达性，若不达标，可反复优化调整污水提质增效方案，重复进行步骤6～8进行模拟试算，直至考核点输出水质模拟值满足考核目标要求。

优选地，步骤S3包括：

S301，利用MIKE+软件模型与ArcGIS软件的数据接口，分别加载检查井和管网基础属性数据，并通过数据匹配功能，实现模型基础数据导入；

S302，运用MKIE+软件模型的自动连接功能，将管网的上下游节点自动连接到对应的检查井，初步完成污水收集系统基础模型构建；

S303，管网参数设定：将污水收集系统下游末端节点的属性调整为排口，污水管道的断面形状根据实际情况情况选择，污水管道曼宁系数根据实际情况输入；

S304，运用管网纵断面命令选择具有空间连接关系的管网，生成管道纵断面图，通过纵断面图排查管网系统空间属性是否正确，若出现逆坡、管顶高于地面等异常情况，则与现状资料进行校核。

优选地，步骤S4包括：

S401，调查收集污染源水量与水质资料，收集量化模拟区域内各类生活生产污染源的日均污水量数据与地块纳管污水水质数据资料，作为污水收集系统的污染源水量水质输入边界；

进一步地，在污染源水量、水质数据获取受限时，则可参照规范中提供的不同类别用地的用水量指标，计算各用地类型的日均用水量，并与量化模拟区域日均售水总量进行反复核实调整；按照用水量与污水量之间的转换系数，折算各污染源的日均污水量，以及量化模拟区域的污水总量Q

S402，调查各类污染源的用水量时变化曲线作为污染源污水产生量的时变化曲线；

S403，在MIKE+模型中加载各类点状污染源数据，并通过数据匹配功能，实现污染源数据导入；

S404，运用MIKE+模型自动连接功能，将污染源自动就近连到污水检查井和合流检查井，同时若收集到污染源与检查井的实际连接情况，则根据实际情况进行逐一核实；

S405，在MIKE+模型中按照污染源类型属性筛选查找，批量输入各类污染源水质指标值；

S406，在MIKE+模型中按照污染源类型，输入各类污染源污水量日变化曲线；

S407，调查收集量化模拟区域各污水直排口旱季日排放污水量Q

S408，在MIKE+模型中可将外水入侵量作为检查井入流边界条件输入到污水收集系统模型中；

进一步地，由于污水收集系统的外水入侵水量包括入渗的地下水、倒灌的河水、汇入的山泉水等，通常各部分入侵水量的入侵点位及相应入侵量均无法较准确地监测确定；若已知污水收集系统中某些点位的实际入侵水量情况下，则按照实际情况输入，剩余的入侵外水可折算至其它检查井，入侵水的水质通过实际监测或文献参考资料确定。

优选地，步骤S5包括：

S501，输入污染物在管网收集系统中输移的对流扩散系数；

S502，输入污染物在管网收集系统中生化降解的降解系数；

S503，根据管网水力水质计算的数值稳定性要求，在MIKE+模型试算确定模型计算的时间步长范围，充分利用模型可自我优化调整时间的步长优势，设置步长变化的松弛因子并采用动态时间步长进行模拟运算；

S504，选取污水收集系统中典型点位的水量水质监测数据，对模型参数进行率定与验证；

进一步地，步骤S5中，为避免模型运行初期不符合实际情况的影响，适当向前延长模型模拟计算启动的时间。由于旱季污染源排放的规律性，在污水收集系统模型中模拟运算的有效时间不少于各污染边界的最小公倍周期。

本发明的有益效果如下：

1、本发明提出的基于MIKE+构建污水收集系统量化模拟的技术方法，系统梳理了构建污水收集系统模型并用于量化评估的全流程技术处理方法。通过该方法可实现简单、便捷建立污水收集系统模型，以及动态模拟分析污水收集系统中水动力、水质动态变化过程，为污水提质增效的改善效果提供量化依据支撑；

2、本发明在MIKE+模型中考虑了不同类型污染源的时间变化与空间分布差异，以及污水收集系统中污染物随管道对流扩散输移与生化降解反应过程，同时考虑了外水入侵对污水收集管网中水动力、水质量化模拟分析的影响，实现污水收集系统闭环模拟，更准确地通过数值模型描述污水收集系统实际运行情况，以及展示水动力、水质随时间与空间的变化效果；

3、本发明在构建污水收集系统模型的基础上，结合城市污水提质增效常见工程措施，阐述了各污水提质增效工程措施在模型概化中的快速处理方法，可为类似基于模型进行量化评估提供借鉴；该技术方法不仅可简单、便捷地实现模型构建与量化模拟分析的全流程，而且具备一定的可复制推广性，可用于城市污水提质增效的量化评估。

附图说明

图1为本发明的流程图；

图2为本发明的污水收集系统模型构建框架图；

图3实例中污染源污水量日变化曲线图

图4为实例中的污水收集系统外水入侵分析图；

图5为实例中的污水提质增效量化模拟设计方案；

图6为实例中的污水收集系统末端进厂污水流量变化图；

图7为实例中的污水收集系统末端进厂污水COD浓度变化图。

具体实施方式

实施例1：

如图1～图7中，一种基于MIKE+构建污水收集系统量化模拟技术方法，包括以下步骤：

S1，选定量化模拟区域，确定污水收集系统模拟范围；

S2，对量化模拟区域中污水管网和合流管网系统进行数据标准化处理：

S201，收集量化模拟区域污水管网和合流管网的现状普查数据资料；数据资料属性信息至少包括可准确描述污水管网和合流管网的空间分布情况；数据资料属性信息包括但不限于：检查井类型、唯一标识、检查井X、Y坐标、直径、井地面标高、井底标高、材质等；管道类型、唯一标识、管道管径(或尺寸)、管长、上游管内底标高、下游管内底标高和管材等；

S202，根据S201获取的管网数据资料，利用地理信息系统软件ArcGIS进行标准化处理，分别构建检查井和管道shp格式图层，并将检查井与管道属性信息按照标准化原则逐一录入；

S3，将污水收集管网系统基础数据导入MIKE+模型，构建污水收集管网系统基础模型；

S4，输入污水收集管网系统模型的水量和水质边界条件；

S5，确定污水收集系统模型参数；

S6，在污水收集系统模型的基础上分别对各污水提质增效方案进行建模：

S601，结合量化模拟区域污水提质增效目标的实际需求，设计多种污水提质增效方案；

优选地，方案包括小区雨污分流改造、市政雨污分流改造、排口截污改造和管道破损修复方案；

S602，根据所选方案，在MIKE+模型中输入对应模型参数进行建模；

优选地，对于小区雨污分流改造方案建模，即在MIKE+模型中输入小区雨污分流改造后污染源的水质指标值；

优选地，对于市政雨污分流改造方案建模，即仅模拟旱季工况时可在MIKE+模型中将合流管的下游去向接入污水收集系统。如模拟雨季工况时，需根据原合流管实际保留用作污水管或雨水管，若保留为雨水管，则在MIKE+模型中新建1套污水管，将原合流管接驳的污染源接入污水管，同时将污水管下游去向接入污水收集系统；若保留为污水管，则在MIKE+模型中新建1套雨水管，将原合流管下游去向接入污水收集系统；

优选地，对于排口截污改造方案建模，即在MIKE+模型中取消污水直排口，将污水管接入下游污水收集系统；

优选地，对于管网破损修复方案建模，即在MIKE+模型中输入破损修复后的入侵流量值；

S7，运行已完成构建的各污水提质增效方案模型，并输出考核点水质动态变化过程；即在MIKE+模型中运行步骤6中各污水提质增效方案或组合方案情景，并输出各情景下目标考核点的水量、水质指标随时间变化的动态过程；

S8，分析污水收集系统提质增效的目标可达性，若不达标，则返回S6；调整设计方案直至考核点输出水质模拟值满足考核目标要求，具体方法如下：

根据污水提质增效考核目标的实际要求，分析污水收集系统各设计方案目标可达性，若不达标，可反复优化调整污水提质增效方案，重复进行步骤6～8进行模拟试算，直至考核点输出水质模拟值满足考核目标要求。

优选地，步骤S3包括：

S301，利用MIKE+软件模型与ArcGIS软件的数据接口，分别加载检查井和管网基础属性数据，并通过数据匹配功能，实现模型基础数据导入；

S302，运用MKIE+软件模型的自动连接功能，将管网的上下游节点自动连接到对应的检查井，初步完成污水收集系统基础模型构建；

S303，管网参数设定：将污水收集系统下游末端节点的属性调整为排口，污水管道的断面形状根据实际情况情况选择，污水管道曼宁系数根据实际情况输入；

S304，运用管网纵断面命令选择具有空间连接关系的管网，生成管道纵断面图，通过纵断面图排查管网系统空间属性是否正确，若出现逆坡、管顶高于地面等异常情况，则与现状资料进行校核。

优选地，步骤S4包括：

S401，调查收集污染源水量与水质资料，收集量化模拟区域内各类生活生产污染源的日均污水量数据与地块纳管污水水质数据资料，作为污水收集系统的污染源水量水质输入边界；

进一步地，在污染源水量水质数据获取受限时，则可参照规范中的用水量指标进行计算，具体方法如下：

一、收集量化模拟范围的用地类型及分布情况；

二、将用地类型数据导入ArcGIS中生成shp格式数据，同时创建属性表，属性信息包括但不少于污染源类型、面积、用水量、污水量；

三、通过几何计算统计分析各用地类型的面积；

四、按照《城市给水工程规划规范》(GB50282-2016)中不同类别用地用水量指标，计算各用地类型的日均用水量，并与量化模拟区域日均供水总量进行反复核实调整；

五、按照用水量与污水量之间的转换系数(取值0.8～0.9之间)，折算各污染源的日均污水产生量，以及量化模拟区域的污水总量Q污染源；

六、通过ArcGIS中“feature to point”功能，将面状污染源转化为点状污染源，同时创建点状污染源属性表，属性信息包括但不少于污染源X、Y坐标、类型、标识、用水量、污水量、污水水质指标；

七、按照污染源用地类型筛选代表性污染源，分别进行污水取样水质检测，确定各类污染源的污水水质指标；在污染源水质检测受限时，可参考相关文献资料或者类似区域已有的水质指标；

八、按照上述方法计算输入点状污染源属性信息；

S402，调查各类污染源的用水量时变化曲线作为污染源污水产生量的时变化曲线；

S403，在MIKE+模型中加载各类点状污染源数据，并通过数据匹配功能，实现污染源数据导入；

S404，运用MIKE+模型自动连接功能，将污染源自动就近连到污水检查井和合流检查井，同时若收集到污染源与检查井的实际连接情况，则根据实际情况进行逐一核实；

S405，在MIKE+模型中按照污染源类型属性筛选查找，批量输入各类污染源水质指标值；

S406，在MIKE+模型中按照污染源类型，输入各类污染源污水量日变化曲线；

S407，调查收集量化模拟区域各污水直排口旱季日排放污水量Q

S408，在MIKE+模型中可将外水入侵量作为检查井入流边界条件输入到污水收集系统模型中；

进一步地，由于污水收集系统的外水入侵水量包括入渗的地下水、倒灌的河水、汇入的山泉水等，通常各部分入侵水量的入侵点位及相应入侵量均无法较准确地监测确定；若已知污水收集系统中某些点位的实际入侵水量情况下，则按照实际情况输入，剩余的入侵外水可折算至其它检查井，每个检查井的入侵量如下：

其中qi为某已知检查井井外水入侵流量，单位为m3/s；n为其它入侵检查井数量；入侵外水的水质通过实际监测或文献参考资料确定。

优选地，步骤S5包括：

S501，输入污染物在管网收集系统中输移的对流扩散系数；

S502，输入污染物在管网收集系统中生化降解的降解系数；

S503，根据管网水力水质计算的数值稳定性Cr、Pe要求如下：

在MIKE+模型反复试算确定本管网模型计算时间步长范围，另充分利用模型可自我优化调整时间的步长优势，设置分别设定最大、最小时间步长，步长变化的松弛因子，即可根据模拟计算实际需求，实现时间步长在最大、最小时间步长之间动态取值，进行数值模拟运算。

S504，选取污水收集系统中典型点位的水量水质监测数据，对模型参数进行率定与验证；如污水处理厂进厂、污水直排口等，与模型输出的模拟数据进行参数的率定与验证，可采用相对误差法(X

进一步地，步骤S5中，为避免模型运行初期不符合实际情况的影响，适当向前延长模型模拟计算启动的时间。由于旱季污染源排放的规律性，在污水收集系统模型中模拟运算的有效时间不少于各污染边界的最小公倍周期。

实施例2：

实施例2选取长江经济带典型城市排水系统为例，量化模拟区域为该城市中心城区第一、二、四污水处理厂纳污范围。由于现状污水收集系统建设年代较早，管道结构、功能缺陷问题严重，河水倒灌、地下水入渗、山泉水入侵，沿河截污管网高水位运行，管网错混接，污水直排，导致污水处理厂进厂COD水质浓度低，严重制约了第一、二、四污水处理厂运行效能提升。为有效评估污水提质增效方案对污水处理厂进厂COD浓度的提升改善效果；

如图2所示，本发明中污水收集系统模型概化包括量化模拟范围内的污染源①、检查井②、污水收集管网③(含污水管、合流管)，污染源产生污水排入污水收集系统的接驳纳管④，污水直排⑤、合流溢流⑥、山泉水汇入⑦、地下水入渗⑧、河水倒灌⑨、污水处理厂进水⑩。

本发明提出了一种基于MIKE+构建污水收集系统量化模拟技术方法，通过构建数值模型，动态量化模拟从源头污染物产生，进入污水收集系统，在污水管道中输移降解后，最终排入污水处理厂的全过程；具体步骤如下：

S1，选定量化模拟区域，确定污水收集系统模拟范围；

S2，对量化模拟区域中污水管网和合流管网系统进行数据标准化处理：

S201，收集量化模拟区域污水管网和合流管网的现状普查数据资料；数据资料属性信息至少包括可准确描述污水管网和合流管网的空间分布情况；数据资料属性信息包括但不限于：检查井类型、唯一标识、检查井X、Y坐标、直径、井地面标高、井底标高、材质等；管道类型、唯一标识、管道管径(或尺寸)、管长、上游管内底标高、下游管内底标高和管材等；

S202，根据S201获取的管网数据资料，利用地理信息系统软件ArcGIS进行标准化处理，分别构建检查井和管道shp格式图层，并将检查井与管道属性信息按照标准化原则逐一录入；

S3，将污水收集管网系统基础数据导入MIKE+模型，构建污水收集管网系统基础模型；

S4，输入污水管网系统的水量水质边界条件；

S401，由于量化模拟区域的污染源类型多、数据量大，按照用地类型统计约有1533个，无法准确获取各污染源的水量与水质数据。故根据现状各类用地类型的用水量指标，取用水量与污水量之间的转换系数0.85，测算各污染源的日均污水产生量，并通过ArcGIS快速生成点源污染源，同时计算量化模拟区域日均污水总量Q

S402，如图3所示为各类污染源的污水产生量变化曲线。

S403，在MIKE+模型中导入各类污染源shp数据，将污染源类型与MIKE+模型中提供的污染源类型进行匹配，即居民生活对应Domestic、工业污染对应Industrial、公共服务对应Public、商业污染对应Commercial、其他对应Other。

S404，运用MIKE+模型自动连接功能，将污染源自动就近连到污水检查井、合流检查井，同时若收集到污染源与检查井的实际连接情况，则根据实际情况进行逐一核实。

S405，按照居民生活、工业污染、公共服务、商业污染、其他类型属性批量选取污染源，并分别输入步骤4.1中确定的各污染源COD值。

S406，输入各类污染源污水量变化曲线。

S407，调查收集到量化模拟区域各污水直排口旱季日排放污水量Q

S408，由于暂无法确定具体入侵点位，相应缺少具体点位的入侵水量数据，则外水入侵总量平均折算至各污水检查井与合流检查井，即每个检查井的入侵量q＝Q

S5，确定污水收集系统模拟模型参数；

S501，COD在管网中对流扩散输移的最大、最小系数分别为10m

S502，COD在管网中生化降解的降解系数为0.3/day。

S503，通过反复试算确定该管网模型模拟计算时间步长范围为1～5s。另分别设定最大、最小时间步长为5s、1s以及步长变化松弛因子为1.3，即模型可根据模拟计算实际需求，实现时间步长在1～5s动态取值。

S504，为避免模型运行初期不符合实际情况的影响，适当向前延长模型模拟计算启动的时间1d，模拟运算有效时间为1d，故该污水收集系统模型模拟计算持续时间取2d。

S505，选取三个污水处理厂现状进厂的水量、COD浓度监测数据与模拟值，对该模型的水力、水质参数进行验证。采用模拟值与检测值之间的相对误差(X

S6，在污水系统基础模型的基础上，按照图4所示的六种污水提质增效方案分别进行建模。

S7，在MIKE+模型中运行步骤6中各污水提质增效方案情景，并输出各方案情景下，污水处理厂进厂流量与水质动态变化过程。

选取第一污水处理厂进厂的流量与水质模拟结果的动态变化过程进行说明。

如图6所示动态展示了各污水提质增效方案情景下，第一污水处理厂进厂污水流量变化曲线。相比现状情况，污水提质增效方案降低了进厂水量，主要是控制了外水入侵水量，可降低污水处理厂日进水负荷，腾出更多处理余量，以处理雨天初期雨水或城市扩张增排污水。

如图7所示动态展示了各污水提质增效方案情景下，第一污水处理厂进厂污水流量变化曲线。相比现状情况，各污水提质增效方案均起到了提升污水处理厂进厂COD浓度效果。在旱季污水全收集、收集全处理的前提下，若外水入渗控制在20％以内，则污水处理厂进厂COD日平均浓度可控制在200mg/L以上，可较好地保障污水处理厂运行效能。

上述的实施例仅为本发明的优选技术方案，而不应视为对于本发明的限制，本申请中的实施例及实施例中的特征在不冲突的情况下，可以相互任意组合。本发明的保护范围应以权利要求记载的技术方案，包括权利要求记载的技术方案中技术特征的等同替换方案为保护范围。即在此范围内的等同替换改进，也在本发明的保护范围之内。