南通考试网-柯棣华

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< br>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

< br>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< br>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）
符号 定义
未降雨时的日污水流量
降雨时的雨水流量
q
0

q
1

M

污水对设备的损耗程度
COD浓度
配用电机功率
污水比重
污水流量
污水提升高度
扩建的那些污水处理厂一年内的运行成本费用
扩建污水处理厂需要的费用
建设污水管网所需的费用
整治河道所需的费用
C

N

r

Q

h

W
2

W
3

W
5

W
6


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

C
1

Cq
0
;
q
0
q1
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：

M
K
;其中
K
为正常数.
C
当降雨时，
M
与雨水日流量
q
1
之间的关系为：
M
K
C
1
Cq
0
q
K
Q
1

0
Cq
0
Cq
0



K

q
0
q
1



由此可见，由于雨水
q
1
作用而使得污水浓度
C
1
被稀释，从而造成了污水对设备损耗程度
M
与雨水日流量成正相关关系.因此，采取混流的办法会导致设备的损耗程度增大，且水量越< br>大，损害程度越高.

5.2.2 混流对污水处理系统耗能影响

除了考虑混流对设备的影响，混流对污水处理耗能的影响也不可
忽略.
污水处理系统 耗能主要包括污水提升泵和回流泵的耗能、鼓风机
的耗能，污泥消化池的耗能，其他非主要设备虽然也存 在耗能，但是
相对较小可以忽略不计，在这里我们只考虑主要设备的耗能.
5.2.2 （1） 污水提升泵和回流泵的耗能
污水提升泵是污水处理厂预处理段的主要耗能设备，它 与回流泵
（包括混合液内混流泵和污泥外回流泵）一样，与要求的提升泵高度
有密切关系，其耗 能量估算公式为：

N
rQh
10
3


1

2
式中，N为配用电机功率（kW），
r
为污水比重，取9.8

10
3
N
m
3
；
Q为污水流量（
m< br>3
s
）；
h
为污水提升高度（m）；

1
为 水泵效率，取
0.65—0.85；

2
为电极效率，取0.95.在污水处 理厂的设计中，污水
提升泵是按最大流量进行配置的，而回流泵则是根据污水平均流量与
设计回 流比配置的.
5.2.2 （2） 鼓风机的耗能
鼓风机是污水处理厂中耗能 最大的设备，主要是曝气沉砂池和生
化池提供所需的空气.鼓风机的耗能与供气量和出口风压有关，一般
是根据供气量和出口风压选定设备能耗.在曝气沉砂池中，鼓风机的
供气量与水量有关，出口风 压则与有效水深和管路损失有关.在生化
池中，鼓风机的供气量不但与水量有关，而且还与有机污染物去 除量、

风压与有效水深和管路损失有关.
5.2.2 （3） 污泥消化池的耗能
污泥消化池的能耗表现为新鲜污泥的加热、消化池壳体的散热和
管道部分的 散热，新鲜污泥的加热量的计算公式为：

Q
1
VC(T
1
T
0
)

式中，
Q
1
为新鲜污泥加热量（KJh）；V为新鲜污泥体积（
m
3

h）；
T
1
为消化温度，取
35
℃；
T< br>0
为新鲜污泥温度（℃）；C为污泥比热，
取4.18

10
3
KJ(
m
3

℃).
壳体的散热量的计算公式为：

Q
2
Fk(T
1
T
2
)

式中，
Q
2
为壳体散热量（KJh）；F为壳体总面积（
m
2
）；k为
传热系数KJ(
m
2

℃)，一般为1.67—2.51 ；
T
2
为环境温度（℃）.
管道散热量：输泥管道德散热计算是比较复杂的 ，且散热较小，
故管道的散热量可用
Q
1
、
Q
2
之和的10﹪计入，即
Q
3
=0.1（
Q
1
+
Q
2
）.
污泥消化池的总能耗即为上述三项之和.
国内部分污水处理厂设计的能耗见表2：
表2 污水处理厂单位耗电量
名称 单位水量耗电量 污水提升单位耗电 鼓风机房单位耗电
（kW

h
m
） （kW

h
m
） （kW

h
m
）
沈阳市北部污水厂 0.260 0.060（23.1%） 0.139（53.5%）
深圳盐田污水厂 0.390 0.057（14.6%） 0.183 (45.9%)
成都双流污水处理厂 0.290 0.057 (19.7%) 0.188 (64.8%)
333
注：括号内为能耗所占比例.

5.3“分流”与“混流”对建设海绵城市的影响
海绵城市，即城市在适应环 境变化和应对雨水带来的自然灾害等
方面具有良好的“弹性”.下雨时溪水、蓄水、渗水、净水，需要时
将蓄存的水“释放”并加以利用.建设海绵城市，统筹发挥自然生态
功能和人工干预功能，有效 控制雨水径流，实现自然积存，自然渗透，
自然净化的城市发展方式，有利于修复城市水生态，涵养水资 源，增
强城市防涝能力，提高新型城镇化质量，促进人与资源和谐发展.
显而易见，“混流” 机制不适应海绵城市的建设，大量的污水流
入污水处理厂，就会造成地表缺水，不利于水循环，破坏生态 系统.
而“分流”机制有利于建设海绵城市，能充分利用水资源，有利于生
态系统.
5.4 找选“截流”和“清源”的判定条件
5.4.1 “截流”的花费
采用“截流”方式的缺陷在于：雨污水混合收集后增加了污水处
理量，当雨量过大时会使污水处理厂超 负荷运行而造成污水溢出，设
污水处理厂多处理的污水的量为
Q
1
；其次是原 本该进入河道的雨水
被截后会造成河道缺水而破坏生态，需增加额外资源投入进行河道补
水维持 生态，日增加量为
Q
2
；扩建的污水处理厂的运行成本费用为
W
2< br>；扩建污水处理厂的一年的总费用为
W
3
.
假设污水处理厂处理单位 体积的污水所需的费用为
W
0
；增补单
位体积的水的费用为
W
1
；
则“截流”措施一年的费用
W
4
为：

W
4


i1
12

j1
30< br>(Q
1
W
0
Q
2
W
1
)W3
W
2
;
i表示月份，j表示天数（假设一个月按30天计）
5.4.2 “清源”的花费
采用“清源”方式所需的费用与修理污水管网所需的费用
W
5
和
梳理污水管网的费用
W
6
有关.而修理污水管网所 需的费用
W
5
由污水
管网的长度
l
和单位体积v决定.
则，采用“清源”措施所需的费用
W
7
为：
W
7
lvW
6

5.4.3 判别条件
由前 面所讨论的，其前提都是在能达到治污要求下的.根据总费
用尽量小的原则，故作如下讨论：
①当
W
4
W
7
时，即
W
4


i1
12

j1
30
(Q
1
W
0
Q
2
W
1
)W
3
W
2
W
7
lvW
6

应选“清源”这一收集机制； < br>②当
W
4
③当
W
4
W
7
时，应选 “截流”这一收集机制.
W
7
时，两种方式都可以.
5.5 选定深圳一区域给出污水治理的方案
我们选定深圳龙岗河流域给出合理的治理方案.
根据深圳“五年”建设目标，需建设污水管长度
l为
345.6公里
（即< br>3.45610
5
m），污水管道价格
v
为20元米，整治河道的费 用为
w
河
为3552元km，整治河道长度为6.4km.

5.5.1 “清源”方式一年总费用计算
首先考虑采取“清源”方式，故一年所需费用
W

为：
W
7
lvW
6
3.45610
5
2035526.4 6.93510
6

5.5.2 “截流”方式一年总费用计算

5.5.3 结合“一、三、五、八”规划分析
由上面的计算和分析可得，“清源”方式的成 本费用为
6.93510
，
相对于“截流”措施的成本费 来说是远远小于的 ，所以，从长期
来看，深圳市龙岗河流域污水处理办法应当采用“清源”.但是“清
源”措施需 要建设大量的污水处理管网，还要梳理污水管，全面实施
这个工程，不仅会严重居民的生活质量，而且持 续时间比较长，很难
保证后续工作的正常进行.但从短期来看，深圳市本身就存在很多的
污水处 理厂，采取“截流”措施，可以节省大量的工程，造成的影响
也比较小.所以，深圳市龙岗河流域的污水 处理办法短期应采取“截
流”的方式，长远来说还应不断完善“清源”措施.

六、模型的优缺点评价
6.1 对问题一的评价
在对第一个问题的处理上，其优点 在于从污水处理的建厂到处理费用以及设备的损耗折旧等
多方面考虑了“分流”与“混流”对污水处理系 统的影响，并且引入了COD浓度，量化分
析了降雨对污水处理设备的损耗程度，科学的反映了降雨和污 水处理之间的正相关关系。但
是由于时间关系，没能具体的进行统计分析，把理论和实际紧密联系，而在 污水处理过程中
为了简化数据，忽略了污水处理过程中的人工费、培训费等。另外在研究对海绵城市建设 的
影响的时候，由于时间关系我们只是通过语言分析，未能进行量化分析，从而缺少了理论的
6

支持。如果时间充足，我们将收集数据具体分析阐述“截排”和“清源”对建设海绵城市 的
影响。

6.2 对问题二的评价
对于问题二，我们给出了“清源”和 “截排”的定义，并运用三级处理模型对“截排”措施
进行量化分析，用MATLAB拟合污水处理厂运 行成本和污水处理量的关系，得到污水处理
成本的恰当关系式，最终计算出“截排”所需的费用。但这样 也存在一定的缺陷，关系式太
过简单，只能粗略的表示污水治理量与费用的关系，并且在计算过程中为了 简化计算，忽略
了电费、人工费等，式计算结果出现一定的偏差。另外对于“清源”的处理上，我们主要 考
虑了污水管网的建设和梳理整治管道的费用。从整体出发，计算出“清源”所需要的总费用，
有具体的数据作支撑，但涉及范围窄、考虑不全面。

6.3对问题三的评价
针对 问题三，直接把数据带入问题二中的模型，因此该模型存在的问题也会在延续到问题三。
就模型来说，“ 清源”的成本费用远远小于“截排”的成本费用，但就实际情况而言，大规
模的采用“清源”方式会对居 民和社会造成巨大的影响，所以就深圳市的发展来看，短期内
应以“截排”为主，在长远的发展中以“清 源”为主。








参考文献
[1]姜启源．数学模型．北京：高等教育出版社，1990．
[2]袁震东，洪渊，林武忠．数学模型．上海：华东师范大学出版社，2002．

< br>[3]姜启源．零件参数设计．数学的实践与认识，1998，12（1）：98-107．
[4]北京市统计网：http:.c