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1、市政工程专论主讲人：裴国霞 教授第一章 城市水系统优化理论与技术第二章 给水处理理论与技术第三章 污水、废水处理与资源化利用 第四章 水环境与水体修复技术第五章 数值模拟理论与应用一、城市水系统二、城市水资源优化配置三、城市给水排水系统优化四、城镇节水技术与措施五、城市水环境第一章 城市水系统优化理论与技术 城市水系统概念：是在一定地域空间内，以水资源 为主体，以水资源的开发利用和保护为过程，并与自 然和社会环境密切相关且随时空变化的动态系统。 城市水系统的发展：地表水、地下水一直分属于不同的学科萌芽阶段形成阶段兴起阶段上个世纪60年代，地下水系统为主水库为枢纽的地表水围绕社会、经济、环境等方
2、面现代阶段一、城市水系统土壤水调蓄地下水调蓄地表水调蓄大气降水地面蒸发蒸发植物截留灌溉水回归植物蒸腾植物吸收蒸发潜水蒸发下渗下渗水面蒸发地表径流壤中流地下径流河川 水库 调蓄地表水引水或 调水工农业 生活用水外来水损耗土地利用 植被变化河川径流地下潜流地下水处理 系统渗漏渗漏污废水自然水循环社会水循环水循环的类型 水系统组成用水系统供水系统水资源系统排水系统 城市水系统的现状及问题 城市水资源管理混乱 城市防洪排涝安全得不到保障 城市供水保证率低下 水环境质量严重恶化二、城市水资源的优化配置地球上水 资源分布由于受地理位置和地形地貌的影响，世界水资源在时 间和空间上都存在分布不均匀的状况。导致
3、水资源 紧缺，主要 有两个方面 的影响：自 然因素的制 约；社会经 济的发展， 出现需大于 供的情况世界面临的水资源三大问题1、水少（干旱缺水）2、水多（洪涝灾害）由于气候变化 以及人类活动 的影响使洪水 灾害日益严重 。3、水脏（水质恶化）水环境恶化问题已经 成为影响面最广、后 果最严重的问题，它 严重制约了社会经济 的发展水资源总量居 世界第六位， 人均占有量居 世界第85位由于我国所处的地理位置和 特殊的地形、地貌、气候条 件，导致水资源丰枯在地区 之间差异比较大，总体状况 是南多北少，水量与人口和 耕地分布不相适应。 我国大部分地区受季风 影响明显，降水量年内 分配不均匀，年际变化 较
4、大，并有枯水年和丰 水年连续出现的特点 我国水资源的特点水资源总量丰富， 但是人均占有量少水资源空间 分布不均匀水资源时间 分布不均匀 水资源紧缺给国民经济带来了重大损失 水资源问题威胁到社会安全稳定 水资源问题导致生态系统恶化指在流域或特定的区域内，遵循高效、公 平与可持续利用的原则，通过各种工程与非工 程措施，改变水资源的天然时空分布；遵循市 场经济规律与资源配置准则，利用系统科学方 法、决策理论与计算机模拟技术，通过合理抑 制需求、有效增加供水与积极保护环境等手段 和措施，对可利用水资源在区域间与各用水部 门间进行时空调控和合理配置，不断提高区域 水资源的利用效益和效率。水资源的优化配置
5、概念：11.促进水资源的合理利用； 2.促进水资源开发、经济社会与环境保护 之间 的协调与可持续发展； 3.可实现社会、经济和环境效益的综合最 优31意义目标1.可承载原则 2.可持续性原则 3.开源与节流并重原则 4.开发和保护相结合原则 5.兴利和除弊相结合原则 6.综合效益协调最优原则保障水资源可持续利用和区域可持续发展原则以需定供 以供定需 基于宏观经济 可持续发展以水量配置为主水质因素水资源优化配置的研究进展水资源 配置的 类型区域水资源流域水资源水利工程控制单元跨流域水资源三、城市给水排水系统优化给水系统类型生活给水系统 工业给水系统 农业给水系统 生态给水系统供水 水源自来 水厂
6、配水 管网居民 用户取水处理输送呼和浩特市引黄入呼供水工程 水厂总数1450座，供水规模12265.05万立方米/日， 供水量253.54亿立方米，平均日供水量6946.30万立方 米/日； 居民生活用水97.24亿立方米，占47.47%；工业用水 53.74亿立方米，占26.23%；非居民用水42.01亿立方 米，占20.44%；特种行业用水2.19亿立方米，占1.07% ；其他8.38亿立方米，占4.79%； 用水普及率：96.34%； 人均综合用水定额191.80升/人/日，人均生活用水定 额132.43升/人/日。 城市供水现状我国生活用水状况： 人口的不断增加，生活水平有所提高，用水
7、标准在不 断提高，生活用水量在不断增加； 存在着水资源浪费的现象； 部分地区生活饮用水的水质较差，威胁到人们的健康 。工业用水现状： 随着社会经济的发展，工业用水量比例在不断上升； 工业设施比较落后，工业用水的重复利用率不高，工业 节水有很大潜力； 我国工业废水的处理率及程度较低，这就给环境带来很 大的压力，甚至使地下水也受到了不同程度的污染。农业用水现状： 农业用水所占比重虽然在不断下降，但仍然较高； 农业灌溉水利用效率较低，浪费现象依然严重； 现代节水灌溉技术应用程度较低 。 1949年为95%，1980 年为 86%，1997年为 73%，到了2004年降 至64.6% 以色列等国的现代
8、灌溉 技术应用面积占总灌溉 面积的比例达61以上 ，而中国仅占1.5生态用水现状：广义上说：是指维持 全球生态系统水分平 衡所需要的水量。 生态用水的研究起步较晚； 对生态用水的重要性认识不足； 生态用水所占比重非常小； 生态用水保障措施不到位。编编号水资资源 一级级分 区2003年2004年2005年2006年 用水量 / 亿亿m3占总总用 水 量比例用水量 / 亿亿m3占总总用 水 量比例用水量 / 亿亿m3占总总用 水 量比例用水量 / 亿亿m3占总总用 水 量比例 A松花江3.00.85%3.20.87%5.51.45%2.40.60% B辽辽河0.00.00%1.30.69%1.60
9、.84%2.41.18% C海河1.90.50%4.31.16%5.11.35%4.61.18% D黄河2.50.71%3.20.86%3.60.94%3.70.93% E淮河3.00.63%4.10.74%5.00.92%5.50.93% F长长江27.01.57%30.01.65%22.11.20%24.71.31% G东东南诸诸 河7.52.37%7.52.37%7.92.43%8.22.50%H珠江9.01.07%8.00.93%8.91.02%8.60.98% I西南诸诸 河0.60.64%0.20.21%0.30.30%0.30.29%J西北诸诸 河24.94.13%20.13.3
10、5%32.85.32%32.65.24%K全国合 计计79.51.49%82.01.48%92.71.65%93.01.60%资料来源：20032006年中国水资源公报20032006年全国生态用水统计表深圳用水量变化趋势深圳市2005年用水量比2004年增长7644万立方米，增长率4.7%，增 长率比2004年有所递减，总用水量达到167712万立方米。城市给水排水系统优化设计内容： 水泵站的优化与节能 管网系统的合理布置，管径，管网造价； 输水管渠的优化设计：包括重力输水管渠和压力输水管道； 降低运行、管理费用：分析供水能量，调整工程布置，减小未 利用水压； 新建管网、改建管网、扩建管网优
11、化设计 给水系统优化调度； 保持管网水质； 污水管网优化设计，包括雨水管网、合流制管网； 应急供水。给排水管网优化计算方法枚举法：枚举法需要存储每一管段所有可能用到 的标准管径, 形成标准管径解空间, 再进行逐个试 算。此方法所需存储空间大, 计算效率很低, 只能 解决管段数量很少的管网优化问题。 线性规划法：俞国平教授提出了以管长为决策变 量的线性规划模型。主要是在满足节点方程的条 件下分配管段流量,在这些区段上适宜地选定若干 规格管径，目标函数就变成了以区段长度Ij 为变量 的线性规划问题。可以解决树状管网的优化设计 问题。 非线性规划法： 通过拉格朗日把有约束非线性规划问题变换为无约束
12、非线性规划问题。目标函数是管段流量(qi) 和节点水压 (H) 的费用函数，需进行流量初始分配。 因环状管网的管段流量优化分配是一凹规划课题, 没有 最优解，利用管径(D ) 和节点水头(H ) 之间的非线性函 数关系, 将管径作为非基本变量, 节点水头为基本变量, 以管径为初始可行解, 进行优化计算。 常用的计算方法是广义简约梯度法(GRG)。该法应用 范围广, 收敛速度较快, 是目前解决一般不等式约束非线 性规划问题最有效的方法之一。 遗传算法( GA ) ：遗传算法是随机优化方法的一 个新的正在发展的领域，采用离散的标准管径为 决策变量, 并对其进行一定进制的编码, 通过选择, 杂交和变
13、异等迭代操作因子, 进而求得满意的结果 。实践已证明对于任何管网的系统优化设计, 都能 得到全局最优解或趋于全局最优的解。 模拟退火法（SA ) ：是一种模拟金属退火的全局 优化随机方法。从任意一个标准管径初始可行解 开始, 并用某一机制(交换、查找、逆转) 产生邻域 解,用水力约束条件控制计算流程 ，如此迭代下去 直到得出一满意解答。以离散的标准管径为空间 搜索点, 管径不必调整。 四、城镇节水技术与措施 城镇节水的意义n可以减少当前和未来的用水量，维持水资源的可持续利 用；n节约供水系统的运行和维护费用，减少水厂的建设数量 或降低成本；n减少污水处理厂的建设数量或延缓污水处理构筑物的扩 建
14、，使现有的系统可以接纳更多用户的污水，从而减少 收纳污染的水体，节约污水处理建设的资金和运行费用 ；n增强对干旱的预防能力，短期节水措施可以带来立竿见 影的效果，而长期的节水措施则因大大降低了水资源的 消耗量而能够提高正常时期的干旱防备能力。具有社会效益。通过用水审计和其他措施，可 以调节地区间的用水差异，避免用水不公平及 其他与用水有关的社会问题；具有环境效益。除了对野生动物、湿地和环境 美化方面的效益外，还有维护河流生态平衡、 避免地下水过度开采而带来的地下水污染等方 面的效益。生活节水：节水措施： 普及节水意识； 全面推行节水型用水器具，提高生活用水效率；农业节水：工程节水：包括渠道衬砌
15、、管道输水、传统地面灌水 技术的改进以及各种喷灌、微灌新灌水技术的实施；农艺节水：主要包括地面覆盖、耕作改良、水肥耦合 、抗旱品种选育、化学制剂等。工业节水： 提高冷却水的循环重复利用； 革新生产设备；降低漏损； 开发新水源，利用海水作为工厂冷却水或工艺用水 ； 改进生产工艺，采用低水耗和零水耗工艺，提高水 的重复利用率。其它节水措施： 研发和推广节水设备，提高公共用水效率； 加快城市供水管网技术改造，降低输配水管网损失； 污水资源化，加强中水回用； 运用经济杠杆节水； 开发新水源，雨水收集，海水利用，暴雨洪水蓄积等。城市中水系统小型中水系统五、城市水环境基本概念：城市水环境主要包括城市自然生
16、物赖以 生存的水体环境，抵御洪涝灾害能力，水资源供给 程度, 水体质量状况，水利工程景观与周围的和谐 程度等项内容。 城市水环境特点： 供水保证率高，城市用水主要为生活及工业用水, 供水 要求质量高、水量大、水量稳定，且在区域上高度集中, 在时间上相对均匀, 年内分配差异小； 城市供水对外依赖性强，由于城市地域狭小, 本地水资 源量十分有限, 一般本地水源难以满足, 因此, 城市供水 主要依靠现有的城区外围水源地或调引客水来支持； 城市的水环境条件脆弱； 城市规模的不断扩大, 在一定程度上改变了城市地区的 局部气候条件, 又进一步影响到城市的降水条件。 城市化使地表水停留时间缩短, 下渗和蒸发减少, 径流 量增加；同时使地下水减少、且得不到补偿。城市水环境现存在的主要问题： 城市开发不合理, 水质恶化； 河道淤积严重, 影响城市防洪能力；
