第七章第七章 水污染控制系统规划水污染控制系统规划7.1 7.1 系统的组成与分类系统的组成与分类7.2 7.2 规划的依据规划的依据7.3 7.3 排放口处理最优规划排放口处理最优规划7.4 7.4 均匀处理最优规划均匀处理最优规划7.5 7.5 区域处理最优规划区域处理最优规划-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 7.1 系统的组成与分类系统的组成与分类一、水污染控制系统的组成污染源污染源污水的收集污水的收集和输送和输送污水处理污水处理水水 体体二、水污染控制系统规划的分类二、水污染控制系统规划的分类1.1.按规划的层次分类按规划的层次分类流域规划流域规划区域规划区域规划设施规划设施规划2.2.按规划的方法分类按规划的方法分类排放口处理最优规划排放口处理最优规划均匀处理最优规划均匀处理最优规划区域处理最优规划区域处理最优规划1.1.排放口处理最优规划排放口处理最优规划水质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，在水体水质条件的约束下，求解各排放口的污水处理效率的最佳体水质条件的约束下，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。组合，目标是各排放口的污水处理费用之和最低。2.2.均匀处理最优规划均匀处理最优规划厂群规划问题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。处理费用最低。3.3.区域处理最优规划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。厂的最佳处理效率的组合。三、最优规划与方案选优三、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输水管线提供的信息，一次求出水污染控制的最佳方案。案。方案选优的工作程序：方案选优的工作程序：I. I. 首先进行污水收集和处理系统的设计，作出各种规首先进行污水收集和处理系统的设计，作出各种规划方案，划方案，II. II. 然后对各种方案的污水排放和水体水质之间的关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，系进行水质模拟，检验规划方案的可行性，III. III. 最后通过损益分析或其它决策分析的方法选出满最后通过损益分析或其它决策分析的方法选出满意的解。意的解。7.2 7.2 规划的依据规划的依据一、水污染控制系统的费用构成一、水污染控制系统的费用构成污水处理费用污水处理费用污水输送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：对水污染控制系统的费用起决定性影响的要素包括：1.水体的自然净化能力（同化能力）水体的自然净化能力（同化能力）2.污水处理与输送的规模经济效应污水处理与输送的规模经济效应3.污水处理效率的经济效应污水处理效率的经济效应二、水体的自净能力二、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。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。放点位置、分散排放或集中排放等）等有关。水体自净能力可以看成是一种水体自净能力可以看成是一种自然环境资源自然环境资源，合理，合理开发和利用这一资源可以降低污水处理的费用。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。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。经验模型经济特征。经验模型式中：式中：C污水处理的费用；污水处理的费用；Q污水处理的规模污水处理的规模 污水水处理的效率理的效率在污水处理效率不变时：在污水处理效率不变时：参数参数K K2 2的值在的值在0.70.70.80.8之间。之间。由于由于K K2 211,1,因此处理单位污染物所需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。这种关的费用将随着污水处理效率的增加而增加。这种关系，称为系，称为污水处理效率的经济效应污水处理效率的经济效应。K K4 4为污水处理为污水处理效率的经济效应指数。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。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。中相互影响、相互制约。7.3 7.3 排放口处理最优规划排放口处理最优规划一、排放口处理最优规划模型一、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目标函数中的变量是污水处理效率，而，而约束条束条件中的件中的变量量则是是污染物的排放染物的排放浓度度Li，二者之，二者之间的关系可用下式表达：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。性的，最常用的解法是动态规划。二、目标函数线性化模型二、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：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。率分成几个区间。假定假定在在0，1）区）区间内，内，用用n段段线性函数来近似原性函数来近似原函数，每一段直函数，每一段直线斜率斜率为si：为了使每一段直线与原函数的误差最小，要求直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：线和原曲线之间所夹的面积最小，即满足：线性规划模型线性规划模型7.4 7.4 均匀处理最优规划均匀处理最优规划一、均匀处理最优规划模型一、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：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。非线性模型。二、二、“全部处理或全不处理全部处理或全不处理”的策略的策略由于污水处理规模经济效由于污水处理规模经济效应的存在，一个小区的污应的存在，一个小区的污水不可能被分裂为两部分水不可能被分裂为两部分或更多部分进行处理。第或更多部分进行处理。第一个小区来说，它本身的一个小区来说，它本身的污水加上由其它小区转输污水加上由其它小区转输来的污水，只存在两种可来的污水，只存在两种可供选择的可能：或者全部供选择的可能：或者全部就地处理，或者全部转输就地处理，或者全部转输至其它小区去处理。至其它小区去处理。该策该策略可用以确定污水处理厂略可用以确定污水处理厂的规模的规模“全部处理或全不处理全部处理或全不处理”的策略对水污染控制系统的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量组合的问题变的解的数目，把一个具有无穷多组流量组合的问题变为一个有限组解的问题。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。用混合整数规划法求解。三、混合整数规划模型三、混合整数规划模型（1）节点流量平衡）节点流量平衡约束条件：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）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入水体的流量（3）管线输水能力约束）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）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）污水管线上只允许污水单方向流动（6）变量的非负约束）变量的非负约束（7）逻辑变量约束）逻辑变量约束混合整数规划模型求解混合整数规划模型求解-分枝定界法分枝定界法Max f=40x1+90x2 s.t. 9x1+7x256 7x120x270 x1,x20，且都，且都为整数整数X14.809X2*1.817f355.89Max f=40x1+90x2 s.t. 9x1+7x256 7x120x270 x14 x1,x20X14.000X2*2.100f349Max f=40x1+90x2 s.t. 9x1+7x256 7x120x270 x15 x1,x20X15.000X2*1.571f341.397.5 7.5 区域处理最优规划区域处理最优规划一一. 规划模型规划模型二二. 试探法求解试探法求解-基于基于“全处理或全不处理全处理或全不处理”的策略的策略1. 开放节点试探开放节点试探 2. 封闭节点试探封闭节点试探 3. 输水线路试探输水线路试探 7.6 7.6 水资源水资源-水质规划水质规划JRMcNamara流量调节的费用函数 cr0，br1 低流放大倍数 规划模型为：规划模型为：