城市排水管網水力建模的研究

1深圳市防洪設施管理處 廣東深圳 518000；

2，3.深圳市中濤環保工程技術有限公司 廣東深圳 518000

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

關鍵詞：排水管網；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，隨著城市化進程的加快和極端天氣的增多，城市內澇現象層出不窮，對人們的生命財產造成了很大威脅。一方面是由于城市化的進程帶來的硬化面積增加導致地表徑流增大，入滲減少；另一方面，城市排水管網系統的規劃和設計存在不同程度上的缺陷，導致暴雨期間雨水不能迅速有效的排除[1-3]。

目前我國大多數的排水管網規劃設計仍沿用恒定流水力學理論的水力負荷計算方法，而忽視了實際管網中入流水量是隨著時間變化的[4]；只考慮當前設計管段，而忽略了其他相連管線運行時水流之間的影響，難以做到整個系統的優化。造成上下游的管道坡度分配不夠合理，管道內水體流態不好，管渠的淤塞現象嚴重。而許多發達國家早已在管網設計中引入計算機模擬技術，通過搭建排水管網水力模型對管道的水力狀況進行模擬，對校核驗證管網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水力模型的原理、組成及應用。

二、排水管網水力模型的概述

2.1排水管網模型的基本原理

城市排水管網系統[7]主要由收集設施、排水管網、調蓄池、提升泵站、排放口等構成，而排水管網模型是將現實排水管網系統原型進行抽象和概化，根據管網的拓撲連接關系將各對象有機組合在一起，進而通過設置模型的邊界條件進行模擬計算。通過對各種工況條件下排水管網的運行狀態的模擬，可以分析評估排水系統運行現狀，并找出排水系統中存在的瓶頸管段，分析過流能力不足以及局部溢流的原因[8]。

2.2排水管網模型的構成

排水管網系統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。第一種為數據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據進行模擬計算；第二種是根據當地的降雨特性結合經驗或理論公式得到合成降雨曲線，利用降雨曲線進行模擬計算，這種方法適用于實測降雨數據缺乏的情況[10，11]。

（2）地表產流和匯流模型

地表產流過程是指計算降雨扣除蒸發、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），然后根據面積加權法計算整個區域的凈雨量[12]。由凈雨量轉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、水文系統模型法以及連續力學模型法三大類。

（3）管網匯流模型

排水管網匯流模型就是對匯集至排水管道中水流的運動規律進行演算的模型[14]。排水管網匯流演算主要有水力學方法、水文學方法及系統分析方法三種途徑。目前對于管網匯流采用的數學計算模型以水動力學方法為主，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上是對圣維南方程組進行求解的過程。

（4）地表漫流模型

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

2.3排水管網模型所需的基礎數據

水力模型一般需要下列四類基礎數據[21]：

（1）流域特征數據：地理信息數據、流域地表數據、流量基礎數據、雨量基礎數據、城市規劃數據、流域水文數據、水質參數數據，等等；

（2）管網基礎數據：管網信息數據、排水構筑物數據，等等；

（3）模型參數數據：徑流參數數據、土壤滲透數據、蒸發系數數據、水頭損失數據、流量變化數據，等等；

（4）管網維護數據：管網養護數據、管網檢測數據、管網控制數據，等等。

2.4模型參數的率定[22]

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

三、水力模型的應用現狀

3.1水力模型的應用方向

排水管網水力模型主要有以下兩方面的應用：

（1）規劃設計方面應用

排水管網模型可以對仿真模擬現狀或規劃排水管網系統，對區域性排水管網改造和規劃方案進行評估，分析、比較、優化排水泵站和其他設施及管道坡度的工程設計方案，在滿足水力負荷條件下結合實施可能性，優化設計尺寸、坡度等方面，進而節約項目成本。

（2）調度控制方面應用

排水管網水力模型在調度控制方面的應用主要體現在為排水系統的在線監控和運行維護提供輔助控制。具體表現為：流域之間或干管之間的流量調配評估、泵站或其他排水構筑物之間的水流聯動控制策略評估；根據監測系統提供的實時數據計算附近管段的流量和水位。

3.2國內外排水管網模型及應用簡介

發達國家自從20世紀60年代就開始研究城市排水管網模型，以滿足城市排水、防洪等方面的要求。SWMM模型[23]于1971年由EPA（美國環境保護署）開發而來，其內容非常豐富，適用于排水管網中水力和水質情況的動態模擬。SWMM完全開放源代碼，并提供免費下載。當然也有很多模型已經發展成市場遍及多國的商業軟件，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核上相差不多，主要差別在于數據接口和界面友好方面。

我國對模型的研究起步較晚，近些年來除了引進學習國外模型之外，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計模型SSCM模型，可用于城市雨水管道系統的設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非恒定流模擬模型CSPSM，用于城市排水系統的規劃和設計，并在2001年以VB和FoxPro作為開發工具研制出了模型軟件。

四、我國在排水管網模型應用方面存在問題

目前城市管網水力模型在我國的應用及推廣面臨很多問題，主要有以下幾個方面。

（1）目前國際上先進的模型及軟件是基于當地的水文水利條件開發而來，直接在我們國家應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模型及軟件產品還是比較缺乏；

（2）我國大多數城市的排水管網基礎數據不夠齊全，直接影響建模過程的困難度和準確度；

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

（4）水力模型在我國還屬于新鮮事物，由于缺乏成功的應用案例，要改變人們傳統的設計、計算理念還需要一個過程。

五、結束語

隨著計算機技術的普及，引入城市管網水力模型來參與設計及管理是必然趨勢。城市排水管網模型的建立除了影響排水系統設計和運行管理的合理性以外，還能夠帶動其他相關領域的需求及建設，如管網基礎數據庫的建立、流量水位實時采集系統的建立等等。因此排水行業相關技術人員以及政府主管部門應給予足夠的重視，投入更大的精力來縮小與國外該領域的差距。

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