計算機(jī)模擬技術(shù)在排水管理中的應(yīng)用

李歡

柳州威立雅水務(wù)有限公司 廣西柳州 545006

摘要：對于較為復(fù)雜的工程管理，人工嘗試往往受到主觀因素和計算量大的限制，存在著可行的模型被忽略的可能性而徒勞無功。本文討論了排水管理計算機(jī)模擬的基本內(nèi)容與方法，提出了開展排水管理計算機(jī)模擬的研究思路，指出了計算機(jī)模擬技術(shù)在排水管理中的發(fā)展方向和工程應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：排水管網(wǎng)；計算機(jī)模擬；管理模型

前言

計算機(jī)模擬技術(shù)，是在排水管理中應(yīng)用較廣的一種計算方法。它是通過計算機(jī)仿造系統(tǒng)的真實情況，針對不同系統(tǒng)方案多次計算（或?qū)嶒灒?，對照?yōu)化模型，向人們提供一個“政策分析”的工具，決策人員可以試驗各種虛擬假設(shè)的水管理政策，借助計算機(jī)模擬結(jié)果作為決策的重要參考依據(jù)。根據(jù)計算機(jī)模擬技術(shù)在排水分析中的應(yīng)用過程，總結(jié)出采用計算機(jī)模擬技術(shù)，來進(jìn)行排水策模擬實驗的方法步驟：首先對問題進(jìn)行調(diào)查分析，其次建立定量優(yōu)化模型，然后擬定排水管理政策，最后通過政策分析與模型使用效果分析，評估模型，從而及時為城市暴雨事故搶險和雨季交通管理等提供科學(xué)決策依據(jù)。

1、計算機(jī)模擬技術(shù)概述

計算機(jī)模擬技術(shù)，是仿造真實物理系統(tǒng)的情況下，利用電子計算機(jī)模型（或模擬程序），模仿實際系統(tǒng)的各種活動，為制定正確決策提供論據(jù)的技術(shù)。應(yīng)用計算機(jī)模擬技術(shù)解決實際問題的主要內(nèi)容與步驟有以下3個：

1）建立系統(tǒng)的計算機(jī)模型（或模擬程序）；

2）運用模型進(jìn)行計算（或?qū)嶒灒?/p>

3）分析模擬計算結(jié)果，并做出決策。

必須解決的幾個關(guān)鍵問題如下。

①建立可靠的模擬模型 計算機(jī)模擬能否反映客觀實際、能否得到有價值的輸出結(jié)果與建立的模擬模型好壞關(guān)系密切。只有建立可靠的模擬模型，才有可能保證輸出結(jié)果可信。

②確定輸入，也就是如何劃分?jǐn)M選方案 在多數(shù)情況下，可以針對具體情況來人為確定所要模擬計算的輸入，也可以使用優(yōu)選技術(shù)（如網(wǎng)格法、對開法、切塊法等），逐步優(yōu)選方案，作為輸入。

③輸出結(jié)果擇優(yōu)標(biāo)準(zhǔn)的確定對于眾多模擬方案的輸出結(jié)果，到底選擇哪一個方案要有明確的判定標(biāo)準(zhǔn)[1]。

2、雨水管網(wǎng)模擬技術(shù)

2.1基于數(shù)學(xué)模型的動態(tài)規(guī)劃方法

圖1基于數(shù)學(xué)模型的排水管網(wǎng)動態(tài)規(guī)劃流程圖

利用排水管網(wǎng)模型開展排水管網(wǎng)的規(guī)劃是一個多次疊加的復(fù)雜計算過程，其步驟如圖1所示。首先根據(jù)城市規(guī)劃的相關(guān)GIS基礎(chǔ)地形圖、CAD地形圖和土地利用規(guī)劃圖等空間數(shù)據(jù)進(jìn)行排水管道的定線；然后對污水量進(jìn)行估算和分配，或?qū)涤陱搅鬟M(jìn)行空間分配，基于推理公式法進(jìn)行排水管道規(guī)劃模式下的水力計算，初步確定排水管網(wǎng)各管段和節(jié)點的設(shè)計參數(shù)，并對相應(yīng)的規(guī)劃方案進(jìn)行調(diào)整；在規(guī)劃方案完成后，可根據(jù)城市規(guī)劃信息，構(gòu)建規(guī)劃情景下的排水管網(wǎng)模型，通過選擇模型的各類參數(shù)數(shù)值，實現(xiàn)對規(guī)劃方案更為準(zhǔn)確和可靠的描述；最后，利用模型對不同規(guī)劃情景下的管道充滿度、水位、流速等進(jìn)行模擬，以此分析整個規(guī)劃管網(wǎng)系統(tǒng)的運行狀況，并根據(jù)計算的管網(wǎng)負(fù)荷狀態(tài)對規(guī)劃方案進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化，再調(diào)整模型對規(guī)劃方案進(jìn)行模擬計算與評估，直到規(guī)劃方案滿足多個規(guī)劃情景下管網(wǎng)正常運行的技術(shù)要求。

2.2排水管網(wǎng)模型簡介

SWMM模型是一個對城市區(qū)域排水系統(tǒng)的水量和水質(zhì)變化規(guī)律進(jìn)行綜合模擬分析的計算機(jī)模型。SWMM將城市排水管網(wǎng)系統(tǒng)中的水文和水力要素概化為管線（Link）、節(jié)點（Node）和匯水區(qū)（Catchment）三種類型。用非線性水庫模型模擬地表徑流，用圣維南方程演算管網(wǎng)的輸送過程，用累積一沖刷模式模擬地表徑流的污染。SWMM模型可用于城市區(qū)域降雨徑流、合流制管道、污水管道和其他排水系統(tǒng)的規(guī)劃設(shè)計、情景分析和方案評估等多個方面，包括為控制城市內(nèi)澇而設(shè)置的各類排水設(shè)施的選擇與設(shè)計、為減少CSO而制定管理策略、為掌握人流和入滲對污水管溢流的影響而進(jìn)行系統(tǒng)評估、為開展城市非點源污染研究以減少雨季非點源污染負(fù)荷而制定控制措施等。在基礎(chǔ)數(shù)據(jù)滿足建模要求的前提下，SWMM模型也可應(yīng)用于非城市區(qū)域的分析與模擬[2]。

2.3排水管網(wǎng)模擬軟件簡介

由于排水管網(wǎng)模型可以對城市排水系統(tǒng)進(jìn)行全面的分析和模擬計算，為排水管網(wǎng)管理提供決策所需的計算分析數(shù)據(jù)，國內(nèi)外目前有很多對城市排水管網(wǎng)進(jìn)行建模和分析的模擬軟件，以提高復(fù)雜模型構(gòu)建與模擬結(jié)果分析的工作效率，這些軟件大都以SWMM模型作為核心計算引擎。這不僅因為SWMM模型是免費提供的，而且由于它可以全面地對城市排水管網(wǎng)運行中的各種情景和管網(wǎng)設(shè)施進(jìn)行模擬分析。但是SWMM作為一個專業(yè)的模擬模型，對使用者的專業(yè)化要求比較高，而且由于SWMM模型本身與GIS技術(shù)的集成度不高，造成了建模過程復(fù)雜繁瑣，模擬結(jié)果可讀性差等問題，對排水管理的實際業(yè)務(wù)支持明顯不足，從而制約了模型的廣泛應(yīng)用。鑒于此，目前國內(nèi)外有多家環(huán)境與水資源工程咨詢公司或軟件公司致力于SWMM模型的二次開發(fā)，通過建立界面友好、操作便捷的模擬軟件，可顯著提高模型的實用性。

2.4排水管網(wǎng)模型的參數(shù)識別

排水管網(wǎng)模型中所涉及的參數(shù)可分為確定性參數(shù)和不確定性參數(shù)兩類。確定性參數(shù)通常是管長、管徑等幾何參數(shù)，可通過GIS工具和相關(guān)數(shù)據(jù)提取獲得較真實的數(shù)值，在模型構(gòu)建的過程中可直接使用而不需要率定；對于不確定性參數(shù)，通常無法通過測量手段得到其準(zhǔn)確值，也有可能由于相關(guān)資料缺失而導(dǎo)致無法提取。在初步構(gòu)建排水管網(wǎng)模型并對獲得的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行整理與分析后，可通過研究區(qū)域的大量相關(guān)數(shù)據(jù)，結(jié)合經(jīng)驗進(jìn)行參數(shù)取值范圍的設(shè)定，并在不確定性環(huán)境下對模型中的不確定性參數(shù)進(jìn)行參數(shù)識別，以使模型更加真實的反映排水管網(wǎng)的客觀排水規(guī)律[3]。

2.5實際工程中排水管網(wǎng)建模的難點與關(guān)鍵問題

（1）實際工程中排水管網(wǎng)建模的難點

排水管網(wǎng)模型建模與分析中重要的數(shù)據(jù)包括管網(wǎng)數(shù)據(jù)、模型參數(shù)和監(jiān)測數(shù)據(jù)。其中，管網(wǎng)數(shù)據(jù)由城市管道和檢查井等排水構(gòu)筑物的尺寸、高程等數(shù)據(jù)組成，決定了模型模擬區(qū)域排水管網(wǎng)的結(jié)構(gòu)特征；模型參數(shù)決定了模型中雨污水的產(chǎn)匯流與傳輸特征；監(jiān)測數(shù)據(jù)則是用來調(diào)整模型參數(shù)與驗證模型準(zhǔn)確性的重要依據(jù)。

基于排水管網(wǎng)建模軟件，可以設(shè)計靈活的建模和應(yīng)用模式。針對我國排水管網(wǎng)數(shù)字化建設(shè)的現(xiàn)狀，根據(jù)不同城市的管網(wǎng)數(shù)據(jù)情況，可以采取不同的建模策略。對于數(shù)據(jù)比較完備的城市，可以對整個城市區(qū)域的排水管網(wǎng)進(jìn)行數(shù)字化處理，構(gòu)建整個城市區(qū)域的管網(wǎng)模型；對于只具有部分?jǐn)?shù)據(jù)或尚未進(jìn)行管網(wǎng)普查的城市，應(yīng)充分利用現(xiàn)有檔案數(shù)據(jù)，采取分期、分區(qū)