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1、第七章 水污染控制系统规划,7.1 系统的组成与分类 7.2 规划的依据 7.3 排放口处理最优规划 7.4 均匀处理最优规划 7.5 区域处理最优规划,-水污染控制系统规划的目标是协调系统内部之间的关系，以最低的水污染控制费用满足水环境质量的要求。,7.1 系统的组成与分类,一、水污染控制系统的组成,污染源,污水的收集 和输送,污水处理,水 体,二、水污染控制系统规划的分类,1.按规划的层次分类 流域规划 区域规划 设施规划,2.按规划的方法分类 排放口处理最优规划 均匀处理最优规划 区域处理最优规划,1.排放口处理最优规划水质规划 排放口处理最优规划以每个小区的污水排放口为基础，在水体水质
2、条件的约束下，求解各排放口的污水处理效率的最佳组合，目标是各排放口的污水处理费用之和最低。 2.均匀处理最优规划厂群规划问题 目的是在区域范围内寻求最佳的污水处理厂的位置与规模的组合，在同一的污水处理效率的条件下，追求全区域的污水处理费用最低。 3.区域处理最优规划 是排放口处理最优规划和均匀处理最优规划的综合。既要寻求最佳的污水处理厂的位置和容量，又要寻求每座污水处理厂的最佳处理效率的组合。,三、最优规划与方案选优,最优规划的特点：根据污染源、水体、污水处理厂和输水管线提供的信息，一次求出水污染控制的最佳方案。 方案选优的工作程序： I. 首先进行污水收集和处理系统的设计，作出各种规划方案，
3、 II. 然后对各种方案的污水排放和水体水质之间的关系进行水质模拟，检验规划方案的可行性， III. 最后通过损益分析或其它决策分析的方法选出满意的解。,7.2 规划的依据,一、水污染控制系统的费用构成,污水处理费用,污水输送费用,对水污染控制系统的费用起决定性影响的要素包括： 水体的自然净化能力（同化能力） 污水处理与输送的规模经济效应 污水处理效率的经济效应,二、水体的自净能力,水体的自净能力：水体能够同化污染物质而保证水质满足某种同能要求的能力。 取决于：水体自身的物理、化学和生物学等方面的特性，还与对水质的要求、与污水的排放方式（排放点位置、分散排放或集中排放等）等有关。 水体自净能力
4、可以看成是一种自然环境资源，合理开发和利用这一资源可以降低污水处理的费用。 在决定水体自净能力的诸多要素中，水体自身的特性是不可控制的，制订合理的水质标准、合理布置污水排放点位置是合理利用水体自净能力的保证。,三、污水处理与输送的规模经济效应,污水处理的费用函数反映了污水处理规模、效率的经济特征。经验模型,式中：C污水处理的费用；Q污水处理的规模 污水处理的效率,在污水处理效率不变时：,参数K2的值在0.70.8之间。 由于K21，处理单位污水的费用将随着处理规模的增大而降低。费用和规模的这种关系称为污水处理规模的经济效应。K2为污水处理规模的经济效应指数。 污水处理规模经济效应的存在，确立了
5、大型污水处理厂在经济上的优势地位，是建设集中的区域污水处理厂的经济依据。,四、污水处理效率的经济效应,如果污水处理的规模不变，即Q为常数，则有：,大量研究成果表明K41,因此处理单位污染物所需的费用将随着污水处理效率的增加而增加。这种关系，称为污水处理效率的经济效应。K4为污水处理效率的经济效应指数。,由于污水处理效率的经济效应存在，在规划水污染控制系统时，应首先致力于解决那些尚未处理的污水的治理，或者首先提高那些低水平处理的污水处理程度，然后再进行污水的高级处理。 水体自净能力，污水处理规模的经济效应和污水处理效率的经济效应这三个方面，在水污染控制系统中相互影响、相互制约。,7.3 排放口处
6、理最优规划,一、排放口处理最优规划模型,目标函数中的变量是污水处理效率，而约束条件中的变量则是污染物的排放浓度Li，二者之间的关系可用下式表达：,该模型中约束条件是线性的，而目标函数是非线性的，最常用的解法是动态规划。,二、目标函数线性化模型,排放口处理最优规划模型中，污水处理的费用函数可以写为：,上式是非线性的，需要对性函数较好地代表原函数，通常采用分段线性化方法，即将污水处理效率分成几个区间。,假定在0，1）区间内，用n段线性函数来近似原函数，每一段直线斜率为si：,为了使每一段直线与原函数的误差最小，要求直线和原曲线之间所夹的面积最小，即满足：,线性规划模型,7.4 均匀处理最优规划,一
7、、均匀处理最优规划模型,在均匀处理最优规划中，污水处理效率是已知值，费用函数只是污水处理规模的函数，在其约束方程中不出现水质约束：,由于费用函数是非线性的，均匀处理最优规划模型是非线性模型。,二、“全部处理或全不处理”的策略,由于污水处理规模经济效应的存在，一个小区的污水不可能被分裂为两部分或更多部分进行处理。第一个小区来说，它本身的污水加上由其它小区转输来的污水，只存在两种可供选择的可能：或者全部就地处理，或者全部转输至其它小区去处理。该策略可用以确定污水处理厂的规模,“全部处理或全不处理”的策略对水污染控制系统的规划有着重要意义。运用这一结论可以大大缩小问题的解的数目，把一个具有无穷多组流
8、量组合的问题变为一个有限组解的问题。 当一个小区的污水被看为一个整体，或者就地全部处理，或者全部转输到其它小区去处理时，对一个包括n个小区的系统，可能的污水流量组合方案数为2n1。方案的数目小时，可以应用枚举法，增大时则可以采用混合整数规划法求解。,三、混合整数规划模型,（1）节点流量平衡,约束条件：,（2）在某小区建立污水处理厂的规模应不大于在该区排入水体的流量,（3）管线输水能力约束,（4）每小区最多见一座污水处理厂的约束,（5）污水管线上只允许污水单方向流动,（6）变量的非负约束,（7）逻辑变量约束,混合整数规划模型求解-分枝定界法,Max f=40x1+90x2 s.t. 9x1+7x
9、256 7x120x270 x1,x20，且都为整数,X14.809 X2*1.817 f355.89,Max f=40x1+90x2 s.t. 9x1+7x256 7x120x270 x14 x1,x20,X14.000 X2*2.100 f349,Max f=40x1+90x2 s.t. 9x1+7x256 7x120x270 x15 x1,x20,X15.000 X2*1.571 f341.39,7.5 区域处理最优规划,一. 规划模型,二. 试探法求解,-基于“全处理或全不处理”的策略,1. 开放节点试探,2. 封闭节点试探,3. 输水线路试探,7.6 水资源-水质规划,JRMcNamara流量调节的费用函数,cr0，br1,低流放大倍数,规划模型为：,