城市排水管網(wǎng)水力建模的研究

1深圳市防洪設(shè)施管理處 廣東深圳 518000；

2，3.深圳市中濤環(huán)保工程技術(shù)有限公司 廣東深圳 518000

摘要：本文首先簡單介紹了排水管網(wǎng)水力模型的基本原理和所包含的幾個模塊，以及建模的數(shù)據(jù)需求，然后對水力模型的應(yīng)用方向和應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行了介紹，最后對現(xiàn)階段水力模型應(yīng)用的推廣存在困難的原因進(jìn)行了簡要分析，指出模型的應(yīng)用是趨勢，該領(lǐng)域應(yīng)給予更多的重視。

關(guān)鍵詞：排水管網(wǎng)；水力模型；建模

Abstract：This paper first introduces the basic principles of the hydraulic model of the drainage network and several modules the model contains，and the data modeling needs.Then the direction and situation of hydraulic models applying are introduced.Finally it gives a brief analysis of the reason why there are so many difficulties in the process of promoting hydraulic model.It points out the application of the model is the trend and this field should be given more attention.

Key Words：Drainage network；Hydraulic model；Modeling

一、引言

近些年來，隨著城市化進(jìn)程的加快和極端天氣的增多，城市內(nèi)澇現(xiàn)象層出不窮，對人們的生命財產(chǎn)造成了很大威脅。一方面是由于城市化的進(jìn)程帶來的硬化面積增加導(dǎo)致地表徑流增大，入滲減少；另一方面，城市排水管網(wǎng)系統(tǒng)的規(guī)劃和設(shè)計存在不同程度上的缺陷，導(dǎo)致暴雨期間雨水不能迅速有效的排除[1-3]。

目前我國大多數(shù)的排水管網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計仍沿用恒定流水力學(xué)理論的水力負(fù)荷計算方法，而忽視了實際管網(wǎng)中入流水量是隨著時間變化的[4]；只考慮當(dāng)前設(shè)計管段，而忽略了其他相連管線運行時水流之間的影響，難以做到整個系統(tǒng)的優(yōu)化。造成上下游的管道坡度分配不夠合理，管道內(nèi)水體流態(tài)不好，管渠的淤塞現(xiàn)象嚴(yán)重。而許多發(fā)達(dá)國家早已在管網(wǎng)設(shè)計中引入計算機(jī)模擬技術(shù)，通過搭建排水管網(wǎng)水力模型對管道的水力狀況進(jìn)行模擬，對校核驗證管網(wǎng)布置的合理性具有重要意義[5，6]。本文將簡要介紹排水管網(wǎng)水力模型的原理、組成及應(yīng)用。

二、排水管網(wǎng)水力模型的概述

2.1排水管網(wǎng)模型的基本原理

城市排水管網(wǎng)系統(tǒng)[7]主要由收集設(shè)施、排水管網(wǎng)、調(diào)蓄池、提升泵站、排放口等構(gòu)成，而排水管網(wǎng)模型是將現(xiàn)實排水管網(wǎng)系統(tǒng)原型進(jìn)行抽象和概化，根據(jù)管網(wǎng)的拓?fù)溥B接關(guān)系將各對象有機(jī)組合在一起，進(jìn)而通過設(shè)置模型的邊界條件進(jìn)行模擬計算。通過對各種工況條件下排水管網(wǎng)的運行狀態(tài)的模擬，可以分析評估排水系統(tǒng)運行現(xiàn)狀，并找出排水系統(tǒng)中存在的瓶頸管段，分析過流能力不足以及局部溢流的原因[8]。

2.2排水管網(wǎng)模型的構(gòu)成

排水管網(wǎng)系統(tǒng)水力模型主要可分為以下四個模塊：

（1）降雨模型

降雨模擬就是描述降雨過程線的過程[9]，可以分為兩種。第一種為數(shù)據(jù)資料較為完善的實測降雨模擬，該種情況利用實測到的降雨數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬計算；第二種是根據(jù)當(dāng)?shù)氐慕涤晏匦越Y(jié)合經(jīng)驗或理論公式得到合成降雨曲線，利用降雨曲線進(jìn)行模擬計算，這種方法適用于實測降雨數(shù)據(jù)缺乏的情況[10，11]。

（2）地表產(chǎn)流和匯流模型

地表產(chǎn)流過程是指計算降雨扣除蒸發(fā)、截留、洼蓄以及入滲等初步損失部分之后形成凈雨的過程。對于城市流域，常用的凈雨計算方案需要將匯水區(qū)域下墊面概化成不同類型（如裸土、路面、屋面和綠地等），然后根據(jù)面積加權(quán)法計算整個區(qū)域的凈雨量[12]。由凈雨量轉(zhuǎn)換得到地表徑流過程線的計算模型稱為地表匯流模型[13]。地表匯流過程的建模方法包括概念水文模型法、水文系統(tǒng)模型法以及連續(xù)力學(xué)模型法三大類。

（3）管網(wǎng)匯流模型

排水管網(wǎng)匯流模型就是對匯集至排水管道中水流的運動規(guī)律進(jìn)行演算的模型[14]。排水管網(wǎng)匯流演算主要有水力學(xué)方法、水文學(xué)方法及系統(tǒng)分析方法三種途徑。目前對于管網(wǎng)匯流采用的數(shù)學(xué)計算模型以水動力學(xué)方法為主，其核心是求解圣·維南方程組[15]，排水管道水流的水力模擬計算實質(zhì)上是對圣維南方程組進(jìn)行求解的過程。

（4）地表漫流模型

如果匯入管道中的雨量過大，城市排水管網(wǎng)中的水流會重新溢流到地面，并沿地表面繼續(xù)演進(jìn)，地表漫流模型就是對這一部分水流行為的描述。它采用水文學(xué)和水力學(xué)方法估算洪泛區(qū)淹沒狀況[16-20]，該模型是城市內(nèi)澇風(fēng)險分析的重要工具。

2.3排水管網(wǎng)模型所需的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

水力模型一般需要下列四類基礎(chǔ)數(shù)據(jù)[21]：

（1）流域特征數(shù)據(jù)：地理信息數(shù)據(jù)、流域地表數(shù)據(jù)、流量基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、雨量基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、城市規(guī)劃數(shù)據(jù)、流域水文數(shù)據(jù)、水質(zhì)參數(shù)數(shù)據(jù)，等等；

（2）管網(wǎng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)：管網(wǎng)信息數(shù)據(jù)、排水構(gòu)筑物數(shù)據(jù)，等等；

（3）模型參數(shù)數(shù)據(jù)：徑流參數(shù)數(shù)據(jù)、土壤滲透數(shù)據(jù)、蒸發(fā)系數(shù)數(shù)據(jù)、水頭損失數(shù)據(jù)、流量變化數(shù)據(jù)，等等；

（4）管網(wǎng)維護(hù)數(shù)據(jù)：管網(wǎng)養(yǎng)護(hù)數(shù)據(jù)、管網(wǎng)檢測數(shù)據(jù)、管網(wǎng)控制數(shù)據(jù)，等等。

2.4模型參數(shù)的率定[22]

在建模過程中的一些數(shù)據(jù)不能直接測得，而是通過經(jīng)驗法或者簡化的計算法來假定。這些參數(shù)代入模型經(jīng)過計算之后，把計算結(jié)果與實測數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，若計算值與實測值相差不大，此時的參數(shù)可以作為模型的最終參數(shù)；若計算值與實測值相差較大，則需對假定的參數(shù)進(jìn)行調(diào)整之后再代入模型進(jìn)行計算，再次進(jìn)行比較，直到計算值與實測值的偏差在一定范圍之內(nèi)。這個過程就叫參數(shù)的率定，只有經(jīng)過率定的模型才具有真正的實用價值。

三、水力模型的應(yīng)用現(xiàn)狀

3.1水力模型的應(yīng)用方向

排水管網(wǎng)水力模型主要有以下兩方面的應(yīng)用：

（1）規(guī)劃設(shè)計方面應(yīng)用

排水管網(wǎng)模型可以對仿真模擬現(xiàn)狀或規(guī)劃排水管網(wǎng)系統(tǒng)，對區(qū)域性排水管網(wǎng)改造和規(guī)劃方案進(jìn)行評估，分析、比較、優(yōu)化排水泵站和其他設(shè)施及管道坡度的工程設(shè)計方案，在滿足水力負(fù)荷條件下結(jié)合實施可能性，優(yōu)化設(shè)計尺寸、坡度等方面，進(jìn)而節(jié)約項目成本。

（2）調(diào)度控制方面應(yīng)用

排水管網(wǎng)水力模型在調(diào)度控制方面的應(yīng)用主要體現(xiàn)在為排水系統(tǒng)的在線監(jiān)控和運行維護(hù)提供輔助控制。具體表現(xiàn)為：流域之間或干管之間的流量調(diào)配評估、泵站或其他排水構(gòu)筑物之間的水流聯(lián)動控制策略評估；根據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)提供的實時數(shù)據(jù)計算附近管段的流量和水位。

3.2國內(nèi)外排水管網(wǎng)模型及應(yīng)用簡介

發(fā)達(dá)國家自從20世紀(jì)60年代就開始研究城市排水管網(wǎng)模型，以滿足城市排水、防洪等方面的要求。SWMM模型[23]于1971年由EPA（美國環(huán)境保護(hù)署）開發(fā)而來，其內(nèi)容非常豐富，適用于排水管網(wǎng)中水力和水質(zhì)情況的動態(tài)模擬。SWMM完全開放源代碼，并提供免費下載。當(dāng)然也有很多模型已經(jīng)發(fā)展成市場遍及多國的商業(yè)軟件，如DHI（丹麥水力研究所）推出的MIKE系列，英國Wallingford公司的InfoWorksCS軟件，以及美國Bentley的StormCAD、SewerCAD等。各種模擬軟件在計算內(nèi)核上相差不多，主要差別在于數(shù)據(jù)接口和界面友好方面。

我國對模型的研究起步較晚，近些年來除了引進(jìn)學(xué)習(xí)國外模型之外，也在積極的研究本國的城市水文模型。1993年岑國平[24]等建立了我國第一個完整的雨水管道徑流計算和設(shè)計模型SSCM模型，可用于城市雨水管道系統(tǒng)的設(shè)計校核以及雨洪模擬等方面。周玉文[21]于1998年建立了城市排水管網(wǎng)非恒定流模擬模型CSPSM，用于城市排水系統(tǒng)的規(guī)劃和設(shè)計，并在2001年以VB和FoxPro作為開發(fā)工具研制出了模型軟件。

四、我國在排水管網(wǎng)模型應(yīng)用方面存在問題

目前城市管網(wǎng)水力模型在我國的應(yīng)用及推廣面臨很多問題，主要有以下幾個方面。

（1）目前國際上先進(jìn)的模型及軟件是基于當(dāng)?shù)氐乃乃麠l件開發(fā)而來，直接在我們國家應(yīng)用的話難免會有些偏差，因此符合我國國情的城市排水管網(wǎng)模型及軟件產(chǎn)品還是比較缺乏；

（2）我國大多數(shù)城市的排水管網(wǎng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)不夠齊全，直接影響建模過程的困難度和準(zhǔn)確度；

（3）水力建模是一個專業(yè)技術(shù)很強(qiáng)的新型排水工程分支，建模過程對人員的知識、技巧和經(jīng)驗要求比較嚴(yán)格，由于國內(nèi)研究起步較晚，目前十分缺乏高級資格的模型技術(shù)人員；

（4）水力模型在我國還屬于新鮮事物，由于缺乏成功的應(yīng)用案例，要改變?nèi)藗儌鹘y(tǒng)的設(shè)計、計算理念還需要一個過程。

五、結(jié)束語

隨著計算機(jī)技術(shù)的普及，引入城市管網(wǎng)水力模型來參與設(shè)計及管理是必然趨勢。城市排水管網(wǎng)模型的建立除了影響排水系統(tǒng)設(shè)計和運行管理的合理性以外，還能夠帶動其他相關(guān)領(lǐng)域的需求及建設(shè)，如管網(wǎng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫的建立、流量水位實時采集系統(tǒng)的建立等等。因此排水行業(yè)相關(guān)技術(shù)人員以及政府主管部門應(yīng)給予足夠的重視，投入更大的精力來縮小與國外該領(lǐng)域的差距。

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