特-2016杯數(shù)學(xué)建模挑戰(zhàn)賽獲獎(jiǎng)組委會(huì)指定發(fā)布

高工程監(jiān)測(cè)程度以防混接，同時(shí)雨水的沖刷會(huì)帶來(lái)的初染，根據(jù)區(qū)域的地理然后，在小區(qū)域內(nèi)將泊松盤采樣的雨水口連成，用樹(shù)型動(dòng)態(tài)規(guī)劃給出小區(qū)域在經(jīng)濟(jì)上的最優(yōu)值，并將此結(jié)果視為對(duì)小區(qū)域修建該種的經(jīng)濟(jì)概算。根據(jù)已修建管道0-1k倍。降雨量等資料，通過(guò)ARCGIS繪制可視化資料，并研究光明片區(qū)的自然地理環(huán)境與人文環(huán)第一 緒 概 第二 管道存在的約束....................................... 分混流對(duì)管道的影響....................... 第三 分混流對(duì)海綿城市的影響. 第四 第五 第六 優(yōu)點(diǎn) 展望................................................................................... 附錄 第一 緒目前我國(guó)的大多數(shù)城市都要一個(gè)難題，排水管道的改造。隨著城市的發(fā)展，城市難題。市在過(guò)去的若干年都是采用的“截排”來(lái)解決市的污水問(wèn)題。截排式排水海綿城市概念的提起，LID研究的增多，讓人們看到了許多可以改變的新的方面。而圳市2020年的水質(zhì)要求。由于國(guó)內(nèi)城市發(fā)展迅速，針對(duì)城市水環(huán)境質(zhì)量的研究再不斷增多。和的部分城區(qū)一直在開(kāi)展分流改造工作，許多其他城市也主要采取“混流”改為“分流”的思路，希望通過(guò)這種方法，減少對(duì)水體的污染。然而在老城區(qū)進(jìn)行分流改造許多制2012年，“海綿城市”的概念被提出，2015年，16座城市入選“海綿城市”試點(diǎn)城市。2016年，14座城市入選“海綿城市”試點(diǎn)城市。開(kāi)啟了我國(guó)對(duì)于新興污水處理2004年環(huán)保署（EPA）向國(guó)會(huì)提交的一份關(guān)于污水溢流問(wèn)題的表明，在31個(gè)州和哥倫比亞區(qū)內(nèi)，7728500億加侖處理的通過(guò)許多生態(tài)措施在上實(shí)現(xiàn)了對(duì)CSO污染的控制。[3]工難度高、管理要求高、占用空間較多、降雨少的地區(qū)利用率低、初染較大、污水管市絕大多數(shù)河流河道短小是雨源型河流，雨季是河，旱季干涸，缺乏動(dòng)態(tài)補(bǔ)充力巨大。[5]市五大河流（河、茅洲河、觀瀾河、龍崗河、坪山河）均達(dá)不到地表水V類標(biāo)準(zhǔn)，甚至部分河流2~33倍。[6] 初染，限于排水方式，將會(huì)無(wú)法避免的直接排入河流之中。所有的分流制排水方式都存在管理與管道錯(cuò)接問(wèn)題。污水管錯(cuò)接到雨水管及其他污水排入雨水管等問(wèn)題造成的污染在河流污染中占比較大的。不少地區(qū)由于建筑排布，空間利用等問(wèn)題，無(wú)法者分流制都達(dá)不到預(yù)期的效果，于是排水體制先進(jìn)的國(guó)家，如德國(guó)等，均是采用分流地慘重的教訓(xùn)。本文研究了分混流對(duì)污水處理設(shè)施與建設(shè)海綿城市的影響，進(jìn)而給出第二 分混流對(duì)污水處理系統(tǒng)的影接以暴雨強(qiáng)度計(jì)算所得到的暴雨強(qiáng)度及徑流系數(shù)法確定。基于地區(qū)的暴雨強(qiáng)度可

??總=??上游+??產(chǎn)

??雨產(chǎn)生= 暴雨強(qiáng)度

q=

表 0.40~0100????2，距離管道的最遠(yuǎn)點(diǎn)的集水t=??1+ ??1——地面集水時(shí)間當(dāng)建筑物密度較大、地形較陡、雨水口布置較密的地區(qū)，??1宜采用較小值，??2——管渠內(nèi)雨水流行時(shí)間

=∑

L——各設(shè)計(jì)管段長(zhǎng)度（m）管道的雨水量。而徑流系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)取值的研究的是區(qū)域內(nèi)的地面（土壤）要素對(duì)進(jìn)入Q= 影響優(yōu)化系數(shù)取值的主要因素為區(qū)域內(nèi)是否有河流流經(jīng)如果一個(gè)區(qū)域內(nèi)部有河流流若有河流流經(jīng)則α=0，若區(qū)域內(nèi)沒(méi)有河流流經(jīng)則α=1。一般利用污水排放系數(shù)估算為??污=∑??用水?? 雜性和管道內(nèi)液體流動(dòng)的多樣性，即使采用變速流也難以保證精確度。因此在排水管謝才、曼寧

Q= 2v=C√????=?????? 表 在進(jìn)行雨水管道、合流管道水力計(jì)算時(shí)，按照滿流設(shè)計(jì)，即?=1，R=??= 表 最大設(shè)計(jì)充滿度

1管道充滿cos?1(2????RR=

(????2

+?√??2?(2??

S=

cos?1(2???? +?√??2?(2?? 2 22200-300mm水力半3350-450mm水力半4500-900mm水力半 表（圖5）5水力坡度、管徑、流量最大流速，以防止在運(yùn)行過(guò)程中對(duì)管道造成損壞。同時(shí)為了保證的有效利用，不產(chǎn)生????????≤??≤

????????≤??≤D∈{??1,??2,…為主，合流制排水方案下，合流管道的流量設(shè)計(jì)應(yīng)以??雨+??污為主。6設(shè)計(jì)雨水流量下的管道參COD、SS、氨氮和磷等，最后方式也不同，比如傳統(tǒng)活性污泥法的運(yùn)行成本計(jì)算[15]、建立運(yùn)行費(fèi)用函數(shù)進(jìn)行回歸分析

Y= 單位污水處理量的電耗(????·X 固定資產(chǎn)折舊和用等部分，它們的數(shù)值一般情況下都是固定數(shù)值，不會(huì)隨著處理量

????????=??(??· 污水處理廠實(shí)際凈水成本 時(shí)，污水處理廠的費(fèi)用。假設(shè)污水處理廠所需要處理的區(qū)域的總雨水量為??雨、總污雨7污水處理廠運(yùn)營(yíng)成本與雨水進(jìn)流第三 分混流對(duì)海綿城市的影水帶來(lái)的自然等方面具有良好的“彈性“，通過(guò)相關(guān)城市建設(shè)中的措施來(lái)實(shí)現(xiàn)下雨時(shí)吸水、蓄水、滲水、凈水，需要時(shí)將蓄存的水釋放并加以利用[17]。海綿城市建設(shè)工程細(xì)分如圖8所示。收集、凈化，實(shí)現(xiàn)雨水的回收利用[18]。在這個(gè)過(guò)程中，充分利用到了生態(tài)化的技術(shù)，用率，實(shí)現(xiàn)“綠色生態(tài)城市的建設(shè)目標(biāo)”。[17][18]8所示。8海綿城市概念海綿城市建設(shè)在排水建設(shè)工程上的要求 染關(guān)，因此很有必要城市分流制與混流制（截留式混流制）的水質(zhì)信息及兩者對(duì)城市水環(huán)境的污染方面進(jìn)行比較,為排水體制的選擇和水污染控制決策提供參考。高速的，使得天然流域被開(kāi)發(fā)，植被受到破壞，土地利用狀況改變，自然景觀性質(zhì)和微生物特性發(fā)生變化,甚至成為影響水質(zhì)的主導(dǎo)因素,一些有機(jī)物及重金屬會(huì)對(duì)水生生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生嚴(yán)重的影響,并可能產(chǎn)生潛在的二次污染，是典型的城市非點(diǎn)源污染。[20]初損的植物的截留量、填洼量、雨期蒸發(fā)量較小，而后損的下滲量較大且變化明SWMM模型的理論模型中[21]，通常結(jié)合匯水區(qū)的地形情況、用地類型、規(guī)劃水面積??2和無(wú)洼蓄量的不透水面積??3。概化如圖1所示。9子流域概化成地面徑流，產(chǎn)流計(jì)算如（3.1）所示：??產(chǎn)=(??? ??產(chǎn)——透水地表的產(chǎn)水量（mm）i——降雨強(qiáng)度（mm/s）f1011所示。在地表匯10非線性水庫(kù)的模型示意11非線性水庫(kù)模型

??????=????? 5??出 ??(??? i——降雨強(qiáng)度（mm/s）????——滯蓄深度（m）W——3.2（3.3）

=??

????[??1?2(??2???1)? dp——地表蓄水深度I——子匯水區(qū)寬度（n——曼寧糙率系數(shù)；i——降雨強(qiáng)度（mms——時(shí)段內(nèi)水深的初始值采用Newton- 迭代法對(duì)方程（4）進(jìn)行求解.從而求出任意時(shí)間段內(nèi)的d1（3.5B=??1（1? ——最大累積量，即質(zhì)量/單位面積或質(zhì)量/單位路面長(zhǎng)C2——累計(jì)率，即day1（kg擬以不同單位為計(jì)量的被沖刷污染物質(zhì)，如濁度（單位JTU，細(xì)菌總數(shù)等。（3.6????????= RcQ——徑流速率m3Poff———沖刷負(fù)荷（kg/s式中，????和n是該模型和污染物對(duì)應(yīng)的數(shù)值，不同污染物該參數(shù)不同，此沖刷完以下從理論方法計(jì)算分流制雨水和混流制溢流的污染物濃度次降雨濃度、次降染負(fù)荷量和年降染負(fù)荷量，進(jìn)一步量化兩種排水系統(tǒng)的水質(zhì)，從而得到不同排水機(jī)制需要，本文給出的分流制污染負(fù)荷是指某一匯水面積上匯集到雨水管道中的雨水

????=??1(??)+??2=??1(??)+ C(t)=??1(??)??1(??)+

,的合流中雨水的濃度,mg/Q2——生活污水流量L??2——生活污水濃度mgt)——t時(shí)刻合流制干管某一斷面 C(t)——t時(shí)刻合流制干管某一斷面 混合濃度,mg/

??1(??)= ??(??)=60?0.001?∑??01[??(??)+?? )](??? ??=1

1 1 1(t）——t時(shí)刻雨水干管某一斷面的污染物通量 （3.11（3.12）>??4(??)=??(??)???3=??(??)???4(??)=——傳輸流量——截留倍4C4(t)——合流制干管溢流污染物濃度,mg/L =

1 Tn——第n次降雨的A1——次降染負(fù)荷量，kg用上述理論模型進(jìn)行試驗(yàn)分析分別計(jì)算分流、混流的污染物濃度、次降染負(fù)荷理論計(jì)算的實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置如下：研究區(qū)域的匯水面積設(shè)置為10hm2，降雨量為hm2)，降雨時(shí)間足夠長(zhǎng)。300/ha進(jìn)行計(jì)算。1250kg/ha13100kg/ha14300kg/ha降的更快。類似這種情況，高且污染嚴(yán)重的城市的地面衛(wèi)生狀況不佳，出現(xiàn)了分流15污染10mm/h降雨1h以后污20污染物15污染10mm/h降雨1h以后污20污染物10mm/h降雨10h以后污10mm/h降雨10h以后污0污染物污染物污染物由圖16可知，當(dāng)降雨量恒定，降雨1h，直至地表徑流，分流制產(chǎn)生的污染負(fù)荷???——水生生物棲息地所需??1——滲漏需水量C排放（C河道 Ki 以市茅洲河為例，按照區(qū)域規(guī)劃和建設(shè)生態(tài)定位需要，需要保證河網(wǎng)水質(zhì)達(dá)到到

Q水=(1+??0)?? ??污??污+??雨??污??水 污

+??

??水——進(jìn)入污水處理廠的水??水——進(jìn)入污水處理廠的濃??0——截流倍

??排=??雨???0?? ??污??污+??雨??污??排 污

+??

??排=?? ??排=?? 第四 分混流的判定模 其 t2) tt ,,

,(2..(

-,n

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t

t*tf

ee22

nt t t

f(t)tdt

2e22(1e22)n12

2mn

區(qū)域內(nèi)部?jī)r(jià)格模17細(xì)胞間的最小距離總是一定的，這種最小距離固定的采樣方法叫做Possion-Disk取完網(wǎng)之后，我們還需要連接，連接也有一定要求，首先長(zhǎng)短不要太不這兩這兩個(gè)點(diǎn)離它的距離小于令隊(duì)首為目標(biāo)將右節(jié)點(diǎn)標(biāo)記為黑并將其加入隊(duì)將此節(jié)點(diǎn)作為目標(biāo)節(jié)最近的19400*300管道連20800*600diagram211000*1000泰森多邊形分解決排水的優(yōu)化問(wèn)題（價(jià)格最優(yōu)問(wèn)題，并在許多細(xì)節(jié)方面做出新的優(yōu)化。其中混流制??[?][??]=min(??[?1][??????????????(??)]+???(?1,?,??????????????(??)),??[?2][???????????????(??)]???(?2,?, ?? 由?，?可以得到此時(shí)的坡度I 2v=C√????=?????? Q= Q——流量（??3/??）FF=

????(????, ????=(52.07+76.491??2.3489)+(0.3358+ 首先，以向量??表示第k次方案，用????表示第i個(gè)區(qū)域所選擇的排水方案。????= ????????????????????? ?????????????????????對(duì)于任意滿足如下約束條件的向量??=(????????????) 量，所有經(jīng)濟(jì)與截流合理方案向量 組成的集合記為P????????≤??(????,????,…,????)≤ ????∈ ∑∑

≥≥

+??????????)?

??(????,????,…,????) ??0——設(shè)計(jì)截對(duì)于任意??∈??，都能保證在設(shè)計(jì)暴雨強(qiáng)度下不產(chǎn)生明顯的截流式溢流，且其經(jīng)濟(jì)指標(biāo)G在所有方案中最小者的λ倍內(nèi)選取合適的λ值，既能非常接近理論上的經(jīng)濟(jì)最優(yōu)解，又能夠很大程度地平衡計(jì)算經(jīng)濟(jì)指標(biāo)G時(shí)產(chǎn)生的誤差。對(duì)于這些方案，不能僅僅從經(jīng)濟(jì)和??(????????????)的值與當(dāng)前的管線布置相關(guān)。令??表示方案??i 情況a最為理想可以不做改動(dòng)；對(duì)于情況b，工程上傾向于在該地區(qū)新建雨水并將合流改造成污水，經(jīng)濟(jì)上雨水修建成本占絕大多數(shù)；對(duì)于情況c，需要完善毛細(xì)的連接，原則上要求不能錯(cuò)接；對(duì)于情況d，需要同時(shí)新建雨水和污水；對(duì)于情況e，應(yīng)優(yōu)先考慮對(duì)該地區(qū)進(jìn)行社區(qū)改造。對(duì)于情況a、c，沒(méi)有理由從分流改成合流，于是在做分流混流判定時(shí)，只需要考慮情況b、d、e。???????+∑??????+ ?????????????????? = ?????+?????+∑??????+∑ ?????????????????? ?????+?????+∑??????+∑??????+ ?????????????????? ?????——第i塊地塊雨水連入外部的管道造價(jià)（包括管道的買入費(fèi)用和埋設(shè)?????——第i塊地塊污水連入外部的管道造價(jià)（包括管道的買入費(fèi)用和埋設(shè)于是，??(????,????,…,????)= + ??，其中????是方案??中鋪設(shè)外部所需要 ??=1 費(fèi)用，在外部已經(jīng)鋪設(shè)完成的情況下??????=0 ????= ?? ????= ?? ???????????????????????? ????

=∑????????∑????????

????????=

第五 針對(duì)茅洲河光明片區(qū)的研光明新區(qū)隸屬于省市寶安區(qū)，成立于2007年8月19日。下轄公明、光明兩陵臺(tái)地，西部主要是沖積平原，并殘存一些低丘，而西岸多為泥岸。光明新區(qū)屬光明新區(qū)現(xiàn)狀城市建設(shè)用地面積4903.68???2，占轄區(qū)總面積的31.57%，其中大多為茅洲河是第一大河，發(fā)源于境內(nèi)的羊臺(tái)山北麓，干流全長(zhǎng)41.61km。茅洲河獻(xiàn)率為27.3%。[31]因此解決市茅洲河光明片區(qū)的污水排放問(wèn)題對(duì)茅洲河的治污影響非圖22市污水始始束23模型應(yīng)用流程24光明新區(qū)法定圖Thiessen多邊形法、面積管長(zhǎng)比法；GISDEM（數(shù)字高程模型）的匯水面積劃由于降水-徑流模型中，針對(duì)環(huán)境不同的區(qū)域，有不同的經(jīng)驗(yàn)與方法，所以在進(jìn)行DEM,DEMSRTMDEM90M分辨率原始高程數(shù)據(jù)或GDEMDEM30MDEM數(shù)據(jù)的分析方法有關(guān)，而GDEM的數(shù)據(jù)噪聲相對(duì)較大但水平正[35]。所以，在研究過(guò)程中對(duì)DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚硎潜匾?。綜合考慮多方面因素影響，同時(shí)考慮后續(xù)需數(shù)據(jù)的精度與可靠性，通過(guò)ARCGIS25數(shù)據(jù)收集研究步子面積研究方法。通過(guò)從地理空間數(shù)據(jù)云中獲取的GDEMDEM30M分辨率數(shù)字高程首先，利用市行政區(qū)規(guī)劃圖繪制shp文件對(duì)GDEM數(shù)據(jù)進(jìn)行裁剪，提取出光明新區(qū)的GDEM數(shù)據(jù)。利用ARCGIS光明新區(qū)GDEM數(shù)據(jù)，獲得光明新區(qū)的高程信息（如26光明新區(qū)高程 257光明新區(qū)流向28光明新區(qū)區(qū)域29光明新區(qū)洼地30光明新區(qū)區(qū)域最低高程31光明新區(qū)區(qū)域出口最低高32光明新區(qū)洼地?zé)o虛假洼地DEM（如下圖。33光明新區(qū)無(wú)洼地DEMDEM數(shù)據(jù)的分辨率過(guò)低導(dǎo)致誤差過(guò)大，采線性內(nèi)插法（BilinearInterpolation）對(duì)DEM進(jìn)行重采樣。雙線性內(nèi)插選取距4個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)（柵格）xy呈線性關(guān)系。34光明新區(qū)重35光明新區(qū)坡度36光明新區(qū)分區(qū)平出污水圖（38。37光明新區(qū)雨水表 100150升/人·4773441802頃15場(chǎng)2478頃2341355/38光明新區(qū)污水ARCGIS繪出工程費(fèi)用圖（39。 39街區(qū)施工費(fèi)到的最優(yōu)解相差10%以內(nèi)、且在環(huán)境約束條件下的解集。由于計(jì)算量較大，我們選擇與已 圖40規(guī)表 3.373.173.09億3.13SWMM區(qū)域劃分與概化，選取市光明新區(qū)，劃分子匯水區(qū)域713個(gè)，2節(jié)點(diǎn)227個(gè)，干管241條，子匯水區(qū)域內(nèi)的排布不過(guò)多考慮，方案中管道的策略采用節(jié)點(diǎn)是否補(bǔ)污水的方法進(jìn)行模擬與仿真。模型概化如圖41.圖41光明區(qū)概化42降雨43降雨44降雨圖，概化713個(gè)子匯水區(qū)域，第六 模型的優(yōu)缺點(diǎn)及展3、在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，利用市DEM信息獲得市光明新區(qū)高程地理信息，并利用ARCGIS對(duì)高程地理信息進(jìn)行分析處理，得到較為準(zhǔn)確的街區(qū)地理屬性信息。將地理信息與1、由于數(shù)據(jù)收集，無(wú)法獲得公開(kāi)的市清晰度較高的DEM數(shù)據(jù)與SHP文件，無(wú)法得到市光明片區(qū)排水的具體信息，所以對(duì)光明片區(qū)的方案規(guī)劃存在誤差。無(wú) SWMM模型可以利用設(shè)形的各種參數(shù)，但過(guò)于繁瑣尚沒(méi)有簡(jiǎn)潔且有效的計(jì)算方法此外，我們給出的是基于SWMM模型的管道模型的可視化效果，我們可以詳細(xì)閱參考文 /link?url=MdGXABusypW_l6D1FY2XbjX0Li0bU4zeqyk_4lVV5LQkWNGoKRB93SomH3ZB0VffHF_AhdQ1SFCEB4-HlfIKIlIBoKZPa_clBDugTOTZMaXESrXZzap8VxfK百科：http://bike ]. ，張娜，，賀兵.雨洪管理模型SWMM的原理、參數(shù)和應(yīng)用[J].中國(guó)徐一茗.基于SWMM的巢湖市老城區(qū)合流制管道溢流污染的模擬研究[D].建筑劉翠云，車伍，董朝陽(yáng).分流制雨水與合流制雨水水質(zhì)的比較[J給水排[26]張雅卓.城市河道綜合整治研究及思考[J]水利發(fā)展研究.2009,9(6):32-37[28]百科 yas2bMfDl0i4G2SwHfi2fV94Euak2Bs1v4lTSpAxWk16B4CX1i3NTVoCKpOeLSXYTMRdwiSDBB[29]百科 張靖.GIS空間內(nèi)插方法與應(yīng)用研究[D].呼和浩特市：內(nèi)師范大學(xué)地圖學(xué)與地理附fori=1mfor ylabel('??|í3§??ó é±?￡?a/ìì￡?' grid;aimq=182.9056;fori=1:1:Nforforforj=1:1:i-ifbizhi(j)>bizhi(i)

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iftotalj>testmoneyforforbizhi(N+j)=bihi(long-20+j;use(N+j)=use(long20+j);forforj=1:1:long-

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ifj<=20iftotalj>testmoney

forifsum(function%小區(qū)域雨水管道造for

forj=1:1:boifforififlo<minn

whiletruefork=1:1:boififlo<minbif

ifheap(tail)=oraif

forforh=1:1forfori=1:1:boforh=minh:1maxhfori=bo:-forh=minh+1:1:maxhforh1=minh:1:(h-iflii=(hh1)/(10*lsdis(wher));lld=floor(ld10)/10+1;ififelseifri==0

forh=1:1ififG(h,heap(1))<ming

functionforaxisequal;axis([0X0Y]);holdon;forj=1:1:boifforififlo<minn

whiletruefork=1:1:b