数学建模A题

截排vs清源

摘要

本文讨论了在生态环境建设和治水工作中的“截排”和“清源”措施选择问题并基于政府治污的“一、三、五、八年目标”进行合理性评估.

针对问题一：量化分析雨污“分流”与“混流”收集机制对污水处理系统以及海绵城市建设的影响.我们主要运用了COD浓度分析法分析对设备损耗程度的影响以及对污水处理过程中的耗能进行分析

来判断“分流”与“混流”对污水处理系统的影响.最后我们收集海绵城市的定义，具体分析了“截排”和“清源”对建设海绵城市的影响.

针对问题二：给出区域治污时实施“截排”、“清源”措施的判定条件.所谓“截排”措施，是于治理区域的排水管网末端建设拦截管道或箱涵，将雨、污混合水收集起来送至污水厂处理.对于“截排”措施，我们运用污水的三级处理模型，再根据污水处理厂的运行成本和污水处理量用MATLAB拟合其关系，得到污水处理厂运行成本，再加上污水处理厂建设费用以及设备损耗费用得到“截排”措施的总费用.所谓“清源”措施，则是力图从源头起建立“雨污分流”排污机制，在治理区域内以两套管网分别收集污水和雨水，让污水经污水管进入污水厂处理，让雨水经排洪口直接进入河道，使城市处于一种理想的污水治理状态.对于“清源”措施，我们主要考虑排水管网建设

的管道长度、单位长度所需成本和整治河道长度、单位长度整治费用，进而得到“清源”措施的总费用.比较“截排”和“清源”的总费用，花费较少者即为选定方案.

针对问题三：将深圳某一区域带入问题二中具体分析，判断方案中的总费用，给出污水治理建议方案.然后通过计算对政府治污的“一、三、五、八年目标”进行合理性评估.

关键词：COD浓度分析法；污水的三级处理；海绵城市建设.

一、问题的重述（问题的提出）

1.1背景

随着经济的高速发展，水资源的污染情况日益严重过，甚至到了让人触目惊心的地步，首先是污水排放，各种工业废水

以及城市生活废水的肆意排放，已经严重影响到了主要江河湖

泊等流域的水质，对我们的生存造成了严重的影响.对此，必须

采取适当的措施，缓解并改善水污染现象.

目前深圳市高度重视生态环境建设和治水工作，计划在未来五年安排一系列的治水提质项目，并将采取一系列有力措施，实现“八年让碧水和蓝天共同成为深圳靓丽的城市名片”.

1.2问题

（1）尝试构建深圳治水提质工程数学模型，量化分析雨污“分流”与“混流”收集机制对污水处理系统以及海绵城市的

建设的影响.

（2）在既能达到治污要求，又能尽量节省开支的原则下，给出区域治污时实施“清源”与“截流”的判定条件.

（3）选定深圳一区域给出污水治理的方案，并基于政府治污的“一、三、五、八年目标”，进行合理性评估.

二、问题的分析

针对第一个问题，分析雨污“分流”与“混流”收集机制对污水处理系统以及海绵城市建设的影响.可以从污水处理成本以及在处理过程中不同收集机制对设备耗能情况来分析两种收集机制对污水处理的影响.

从“分流”与“混流”的本质上看，其主要的差别就在于污水的含污染物浓度以及污水量的大小.不同收集机制对污水处理系统的设备要求不同，对每天处理的污水量的要求也是不同的.所谓混流措施，就是对雨水与污水混合流进污水处理厂进行处理.污水处理厂对于流入的污水水质有一个给定的标准，如果在雨水旺季，雨污混合，雨水稀释进水浓度COD偏低，其污水水质定小于给定值，相应加大了污水处理厂的处理难度，降雨结束后短时间内不会恢复正常，当然降雨量小的时候就不用考虑其水质变化.由以上情况我们可以定义一个受雨水稀释导致的一个影响程度，对污水处理系统的影响进行分析.

污水处理一般来说包含以下三级处理：一级处理是它通过机械处理，如格栅、沉淀或气浮，去除污水中所含的石块、砂石和脂肪、油脂等。二级处理是生物处理，污水中的污染物在微生物的作用下被降解和转化为污泥。三级处理是污水的深度处理，它包括营养物的去除和通过加氯、紫外辐射或臭氧技术对污水进行消毒。通过对污水的三级处理过程的分析，得到污水处理的成本.

在污水处理过程中，需要用到的主要耗能设备有污水提升泵、回流泵、鼓风机和污泥加热设备.其耗能包括电能和热能，由此可以通过计算设备的耗能大小来分析不同收集机制对污水处理系统的影响.

针对第二个问题，要求在既能达到治污标准，又能尽量节省开支的原则下，给出其判定条件，而我们想要达到这个要求就必须认识到“截流”与“清源”需要的费用包括哪些内容.对“清源”来讲，相对简单，只考虑建设污水管网所需的费用和梳理污水管的费用.但对“截流”来讲，它的费用来源有：①雨水过大，导致污水处理厂超负荷而大量雨污混合物流出从而增加了另外的处理费用；②因为截流造成河道“缺水”而外生的“补水”费用；③在污水处理厂经过三级处理而产生的处理费用.最后通过分析两种方法的总成本费用来给出我们需要的判别条件.

三、基本假设（模型假设）

1.假设污水处理厂的人工费、办公费、培训费、保险等费用相比于总费用可忽略.

2.每个污水处理厂的规模一样，所需的费用一样.

3.已存在较多的箱涵，不需要专业用于箱涵建设.

4.假设降雨量大小由每天的平均降雨量界定，在降雨量不大时，可忽略，即认为当天流入的污水浓度均相同.

5.假设旱流污水的日流量小于污水处理厂的日处理量.

6.假设截流时所需补水的量为自然条件下的下雨的流入污水处理厂的量，并且采取清源收集机制时不需要人工补水.

四、符号定义（符号的约定）

五、模型的建立与求解

5.1“分流”对污水处理系统的影响

“分流”对污水处理系统的影响，相对于“混流”来说，首先不会有COD 浓度的变化和对机器设备损耗的影响，再者，将雨水和污水在源头分开，大大的减少了污水处理厂的工作量，进而减少了污水处理厂的成本.但是，“分流”机制会产生修污水管网的费用和错接居民污水管网的费用.

5.2 “混流”对污水处理系统的影响

5.2.1“混流”对设备的影响

假设未降雨时每日污水量为0q ，浓度为C ，降雨时每日雨水量为1Q ，则降雨后的浓度1C 与日雨水量1q 的关系为：

0101

Cq C q q =+; 假设污水对设备的损耗程度为M ，则M 与污水浓度的关系为：