水力模型的智慧排水工程設(shè)計(jì)與應(yīng)用分析

王 萌

濟(jì)南市市政工程設(shè)計(jì)研究院（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，山東 濟(jì)南 250000

1 水力模型的特點(diǎn)

城市排水管網(wǎng)規(guī)模較大，且縱橫交錯(cuò)、較為復(fù)雜，不便于城市排水管理，基于此，可根據(jù)排水管網(wǎng)的真實(shí)數(shù)據(jù)調(diào)研，將其轉(zhuǎn)化為可視化的圖形和數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)，即排水管網(wǎng)水力模型。模型將復(fù)雜的管網(wǎng)組成、關(guān)系及水力特性簡化成管段和節(jié)點(diǎn)，定義其工程特性，便于日常的城市排水管理過程中對其進(jìn)行計(jì)算、表達(dá)。通過排水管網(wǎng)水力模型對城市的實(shí)際排水性能及各種影響因素進(jìn)行模擬，能夠充分掌握城市的排水管網(wǎng)情況，通過模型掌握排水管網(wǎng)在不同降雨程度下的水力狀態(tài)，及時(shí)調(diào)整改善城市排水管網(wǎng)條件，實(shí)現(xiàn)城市排水工程的及時(shí)、高效管理。

2 水力模型的構(gòu)建過程

在構(gòu)建排水管網(wǎng)水力模型的過程中，通過相應(yīng)的建模軟件可對城市的排水管網(wǎng)進(jìn)行水力動(dòng)態(tài)模擬分析，進(jìn)而為城市排水系統(tǒng)方案的制訂提供技術(shù)支持。其中，在選擇建模軟件時(shí)，要確保軟件具備視圖、編輯、流量分配、水力分析及結(jié)果查看等功能，另外還要求其能夠支持與GIS平臺的數(shù)據(jù)傳輸整合。例如對模型構(gòu)件屬性進(jìn)行數(shù)據(jù)添加及修改功能等，方便工作人員在日常城市排水管理過程中對其進(jìn)行編輯修改。

通過采集城市排水管網(wǎng)的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，初步構(gòu)建管網(wǎng)的水力模型，對管網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)、測量井、泵站及CSO等進(jìn)行現(xiàn)場數(shù)據(jù)勘察，完善管網(wǎng)水力模型附屬構(gòu)筑物的詳細(xì)信息，對于缺失的模型數(shù)據(jù)信息，可以通過查詢歷史施工資料或雷達(dá)探測進(jìn)行缺失數(shù)據(jù)補(bǔ)充，也可以對排水管網(wǎng)施工及運(yùn)行使用過程中的影像資料進(jìn)行重點(diǎn)分析，科學(xué)劃分積水區(qū)域。對城市的人口數(shù)量，增長速度、土壤條件及城市污水量等數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)研，并詳細(xì)錄入水力模型中，完善人口、污廢水、土地徑流系數(shù)等模型數(shù)據(jù)。

構(gòu)建完水力模型后，需要對其進(jìn)行審核校驗(yàn)、水力分析，并進(jìn)行具有針對性的優(yōu)化調(diào)整。在晴天及不同降雨強(qiáng)度下測量管網(wǎng)中的流速、水流量和水位高度，檢查水力模型是否貼合實(shí)際情況。收集城市的歷史降雨管網(wǎng)數(shù)據(jù)，將水力模型的模擬數(shù)據(jù)與之對比，開展進(jìn)一步的核查校驗(yàn)。以城市實(shí)際降雨情況和歷史降雨數(shù)據(jù)為設(shè)計(jì)需求，完成排水管網(wǎng)現(xiàn)狀和未來發(fā)展?fàn)顩r的模型設(shè)計(jì)，通過對城市排水管網(wǎng)現(xiàn)狀的實(shí)地勘察情況，對其進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評估，從而針對其排水薄弱點(diǎn)進(jìn)行改善。水力模型構(gòu)建審核無誤后，利用模型平臺的樹狀視圖和三維分析功能，檢查管網(wǎng)上下游之間的連通情況是否合理，將城市管網(wǎng)排水系統(tǒng)各管段的排水負(fù)荷情況進(jìn)行規(guī)劃、統(tǒng)計(jì)，從而評估排水現(xiàn)狀管網(wǎng)的運(yùn)行狀況，便于城市排水管理工作的開展[1]。

3 基于水力模型的智慧排水應(yīng)用

3.1 智慧排水門戶

將眾多城市排水管理過程中的信息進(jìn)行集成，構(gòu)建信息發(fā)布及瀏覽的界面，即智慧排水門戶，包括將污水處理廠、泵站、管網(wǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與水力模型結(jié)合，從而達(dá)到對城市排水系統(tǒng)的一體化管理。智慧排水門戶以集成城市排水企業(yè)眾多系統(tǒng)為出發(fā)點(diǎn)，打造綜合化管理平臺，防止造成信息溝通交流不便、傳遞不及時(shí)的問題，完成多源、多系統(tǒng)結(jié)合的信息數(shù)據(jù)共享平臺建設(shè)。對于平臺訪問采用單點(diǎn)登錄及多框架集成技術(shù)，應(yīng)用統(tǒng)一的集成管理模式，提高風(fēng)險(xiǎn)防范能力與管理效率，降低企業(yè)的管理維護(hù)成本，提高系統(tǒng)的綜合效益，為城市排水系統(tǒng)管理和企業(yè)起到增值的作用[2]。

3.2 集中化統(tǒng)一運(yùn)行管理

智慧排水在建設(shè)投入運(yùn)行之后，將對城市污水處理廠、管網(wǎng)、城市年降水量及城市周圍河流等信息進(jìn)行統(tǒng)一的監(jiān)督管理，打造對城市關(guān)于排水一切信息的數(shù)據(jù)監(jiān)視、報(bào)警功能，實(shí)時(shí)監(jiān)督城市污水處理廠、泵站及管網(wǎng)的運(yùn)行情況，體現(xiàn)出對實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)信息的集成化及對材料、人員的集中管理特性，同時(shí)將城市排水管網(wǎng)運(yùn)行過程中的風(fēng)險(xiǎn)可視化，對風(fēng)險(xiǎn)等級進(jìn)行評估，優(yōu)先將高風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行預(yù)警和處理，完成對不同地域多污水處理廠、泵站的集成統(tǒng)一化管理[3]。

3.3 優(yōu)化城市排水管網(wǎng)

對管網(wǎng)在排水過程中的流速和壓力進(jìn)行評估，并用不同的顏色區(qū)分高、中、低風(fēng)險(xiǎn)級別，通過GIS平臺城市地圖將其直觀地展現(xiàn)出來，方便城市智慧排水管理運(yùn)行。針對排水管網(wǎng)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)及管網(wǎng)上下游之間的聯(lián)系進(jìn)行分析，充分掌握管網(wǎng)的結(jié)構(gòu)信息，進(jìn)行雨水、污水管網(wǎng)在不同降水程度下的排水動(dòng)態(tài)模擬，計(jì)算城市排水管網(wǎng)的最大負(fù)荷，分析城市管網(wǎng)的流速、壓力，以及城市排水系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)能否完成城市的排水任務(wù)，根據(jù)城市的實(shí)際情況，對排水管網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，通過水力模型結(jié)合智慧排水系統(tǒng)，對污水管道系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬，排查管網(wǎng)使用過程中容易發(fā)生溢流的污水節(jié)點(diǎn)，利用GIS城市地圖，將其按不同風(fēng)險(xiǎn)程度以不同顏色進(jìn)行展示、預(yù)警，進(jìn)而對排水管網(wǎng)薄弱處實(shí)施改進(jìn)措施[4]。將構(gòu)建的水力模型與GIS城市地圖結(jié)合，能夠在設(shè)備上查詢?nèi)我舛喂艿拦?jié)點(diǎn)的水位高低、壓力大小的等情況，進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，便于在防汛過程中的預(yù)防、管理工作。另外，在不同降雨強(qiáng)度、城市發(fā)生火災(zāi)等用水時(shí)，能夠?qū)ε潘芫W(wǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)信息查詢。智慧城市排水系統(tǒng)能夠按照城市的實(shí)際降雨強(qiáng)度等情況，對排水管網(wǎng)進(jìn)行不同情況的模擬分析，并對管網(wǎng)的現(xiàn)狀和負(fù)荷情況進(jìn)行評估，分析、排查排水管網(wǎng)在城市不同排水強(qiáng)度下的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)，進(jìn)而改進(jìn)優(yōu)化管網(wǎng)系統(tǒng)。

3.4 合理調(diào)度泵站資源

通過分析排水管網(wǎng)歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)及現(xiàn)狀，根據(jù)城市的實(shí)際降水和排水情況，對管網(wǎng)運(yùn)行狀況進(jìn)行預(yù)測，模擬分析不同強(qiáng)度下的排水情況，計(jì)算泵站的運(yùn)行負(fù)荷，對單極泵站與多級泵站進(jìn)行聯(lián)合調(diào)度，提高城市對洪澇災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)抵御能力。

3.5 水力模型模擬管理

通過軟件構(gòu)建水力模，與信息化平臺結(jié)合，直觀地展現(xiàn)出模型結(jié)果，加大城市排水管理工作中的決策與合理調(diào)度力度。排水公司將管網(wǎng)水力模型結(jié)合智慧排水系統(tǒng)，將其應(yīng)用到實(shí)際的城市排水管理工作中，達(dá)到模型數(shù)據(jù)與管網(wǎng)運(yùn)行結(jié)果的共享目的，利用GIS地圖直觀展示水力模型模擬分析結(jié)果，科學(xué)、高效地完成城市排水工作的管理。

3.6 調(diào)度方案管理

以方案管理理念作為城市排水管理工作的基礎(chǔ)，采用方案管理模式對排水管網(wǎng)系統(tǒng)中的各時(shí)段模型實(shí)現(xiàn)在線、離線管理，通過模型模擬、編輯、分析、展示等功能，為用戶提供更便捷的管理方案。利用方案庫概念構(gòu)建城市排水系統(tǒng)方案體系，形成一系列的方案模板，用戶針對不同情況下選擇合理的方案。運(yùn)用水力模型技術(shù)，結(jié)合方案管理模式，完成排水系統(tǒng)對各類模型的構(gòu)建，按照城市的實(shí)際排水需求，進(jìn)行更細(xì)致、更貼合的模型調(diào)整，用最短時(shí)間得到滿足實(shí)際需要的模型文件，并且能夠完成針對不同強(qiáng)度降雨的動(dòng)態(tài)模擬排水過程，將其以動(dòng)畫形式的播放。

3.7 防汛工作合理調(diào)度

對城市的實(shí)際降水情況、泵站運(yùn)行狀況、管網(wǎng)負(fù)荷等數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，對于部分排水薄弱點(diǎn)，例如城市低洼地區(qū)的雨水井，通過降雨模擬，分析計(jì)算該處在不同降雨強(qiáng)度下是否存在排水不及時(shí)現(xiàn)象，以及積水的面積和深度情況等，進(jìn)而對其不同風(fēng)險(xiǎn)程度進(jìn)行評估、預(yù)警。綜合分析城市的整個(gè)管網(wǎng)排水狀況，排水存在風(fēng)險(xiǎn)的區(qū)域按照不同程度進(jìn)行劃分，形成城市排水狀況分析圖，為城市防汛工作提供應(yīng)急預(yù)案，在防汛過程中能夠合理調(diào)動(dòng)資源應(yīng)對。

3.8 排水系統(tǒng)具備智能感知

城市指揮排水系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中具備良好的智能感知功能，能夠及時(shí)完成城市排水管網(wǎng)的數(shù)據(jù)、風(fēng)險(xiǎn)信息采集。在建設(shè)城市智慧排水系統(tǒng)過程中，采用各種檢測設(shè)備，對污水處理廠、泵站、排水管網(wǎng)及城市周邊水域、城市降水情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，將所有信息進(jìn)行集成，以數(shù)據(jù)和視頻的形式展現(xiàn)出來，打造統(tǒng)一、標(biāo)準(zhǔn)、共享的城市排水管理平臺。通過數(shù)據(jù)周期管理制度與智慧排水管理系統(tǒng)結(jié)合，形成數(shù)據(jù)集成、共享管理平臺，提高城市排水管理工作過程中的實(shí)時(shí)性與高效性，增強(qiáng)城市排水管理的穩(wěn)定性。

3.9 移動(dòng)設(shè)備指揮排水應(yīng)用

城市智慧排水工程建設(shè)過程中，可以將嵌入式GIS、空間分析等技術(shù)應(yīng)用到移動(dòng)設(shè)備上，利用互聯(lián)網(wǎng)和無線通信技術(shù)形成智慧排水的移動(dòng)指揮終端，使其具備GIS輔助查詢、實(shí)時(shí)監(jiān)督、報(bào)警以及通信等功能，提高城市應(yīng)急指揮過程中的信息發(fā)布、查詢等功能的高效性，實(shí)現(xiàn)城市防汛應(yīng)急管理的一體化和高效管理。

4 結(jié)束語

在現(xiàn)階段城市的發(fā)展建設(shè)中，智慧排水建設(shè)與水力模型得到了越來越廣泛的應(yīng)用，為城市的防洪澇及城市排水管理工作提供了全新、高效的技術(shù)方法，將智慧排水與水力模型結(jié)合，并應(yīng)用到城市排水建設(shè)工程中，可模擬城市排水系統(tǒng)的排水能力，并進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評估預(yù)警，提高智慧城市排水系統(tǒng)管理的主動(dòng)性與精細(xì)化，以建立更加安全、綠色與節(jié)能的城市排水系統(tǒng)。