淺談Infoworks CS在城市排水管網建模中的應用

余小玉

摘 要：建立城市排水管網的優(yōu)劣直接影響著城市的管理與發(fā)展，其檢測與維護特別重要。本文介紹了國外的排水管網系統(tǒng)模擬軟件，重點介紹了Infoworks CS軟件，通過比較，選擇了Infoworks CS作為研究的工具和手段，通過該軟件對某市HZ區(qū)的排水管理進行模擬，從拓撲系統(tǒng)結構中發(fā)現(xiàn)管網存在的問題，針對問題提出解決措施。

關鍵詞：Infoworks CS；排水管網；模型；問題

城市排水管網系統(tǒng)是很重要的城市基礎設施，管網布設的優(yōu)劣直接影響到一個城市的洪澇等災害情況。尤其是對于老城區(qū)，由于管網布設的不合理、管道老化和雨污合流等問題，導致城市道路積水，洪澇災害頻生。然而現(xiàn)實中對城市排水管網問題的篩查困難重重，問題出現(xiàn)的時候無法立刻判斷是哪段管道出現(xiàn)問題，于是排水管網系統(tǒng)模擬軟件應運而生，通過對管網系統(tǒng)的模擬，找出管網存在的問題，對現(xiàn)狀管道的運行狀況進行評價，并且可進行改造方案的評估，分析了改造方案的可行性以及優(yōu)劣。

1 常見的排水管網系統(tǒng)模型介紹

大概從20世紀60年代開始，美國、德國、澳大利亞、法國和英國首先開始至力于城市排水管網模型方面的研究，也就是說排水管網模型源于西方發(fā)達國家。世界上比較著名的模型有以下幾個：

1.1 STORM模型

STORM模型能夠摸擬城市流域的徑流和污染負荷，由美國工程協(xié)會水文工程中心研發(fā)，主要應用于二十世紀七十年代和八十年代初期，但由于其參數(shù)與觀測水文過程線校準不容易，所以STORM模型的應用范圍越來越窄。

1.2 公路研究所模型（TRRL）

在1962年，英語的Watkins發(fā)表了公路研究所模型，它是一個城市匯水區(qū)域模型，由英國公路研究所的下屬機構科學與工業(yè)研究部綜合研究計劃的，在英國應用較廣。TRRL一般作為基于降雨事件的模板模型使用，然而該模型對峰值流量和徑流總量的儲估計可能會偏低。

1.3 辛辛那提大學模型（UCURM）

UCURM由Papadakis和Prod于1973年開發(fā)。該模型利用穩(wěn)定洼蓄量、洼蓄量和流水深之間的關系，結合曼寧公式以及連續(xù)方程，建立方程組，共同求解獲得地表匯流過程線。

1.4 MOUSE模型

MOUSE是一個排水管網模擬軟件包，由水力學研究所（DHI）開發(fā)，它擁有若干個模塊，這些模塊可以實現(xiàn)實時監(jiān)控和SCADA系統(tǒng)的在線分析、計算雨水徑流量等[2]。

1.5 HSPF

HSPF（Hydrologieal Simulation Program-Fortran）由美國環(huán)境保護署于20世紀70年中期開發(fā)，常用于農村地區(qū)的水文和水質過程建模，執(zhí)行以小時為時間步長的匯水區(qū)域水文和水質連續(xù)模擬。

1.6 沃林福特模型（Wallingford Model）

在1978年，英國的沃林福特水力學研究機構研究開發(fā)了Wallingford模擬，一進入市場，便廣泛應用于暴雨設施的計劃、改造、設計和運營中[3]。本研究中使用的lnfoWorks CS軟件是最新版本，在1998年由該研究所改進并集成，專門用于雨水管網系統(tǒng)模擬和污水收集系統(tǒng)模擬，此外還能對污水處理廠的運行情況進行模擬。Wallingford對水力情況的模擬快速、細致、精確、穩(wěn)定，目前該產品已被歐洲、美洲以及一些亞洲國家和地區(qū)應用于水資源環(huán)境和市政工程中。因此，本研究采用該模型作為研究手段對城市排水系統(tǒng)開展模型工作。

2 排水管網系統(tǒng)建模的技術流程

在現(xiàn)實的一些工程項目中，為了搭建排水管網模型，一般需要經過建模項目預期目標、選擇建模軟件、確定排水管網模型的研究范圍、確定排水管網的拓撲結構、匯水子區(qū)域劃分、節(jié)點流量建模、排水管網基礎數(shù)據(jù)的獲取和輸入、邊界情境和初始情境的確定、模擬選項設置與模型執(zhí)行、結果后處理和可視化顯示以及靈敏度分析、校準和檢驗等步驟，如圖所示。

3 Infoworks CS用于排水管網系統(tǒng)建模分析

3.1 Infoworks CS建模軟件介紹

英國的Wallingford軟件有限公司開發(fā)于1978年開發(fā)了Wallingford軟件，這套軟件功能強大，包括了水質模擬模塊（MOSQITO）、簡單管道演算模型（WALLRUS）、全動態(tài)管道演算模型（SPIDA）以及降雨徑流模型（WASSP）。隨著技術的發(fā)展，HR Wallingford公司用Hydroworks QM模型取代了最初采用的設計基礎WALLRUS和MOSQITO。在1998年，Wallingford公司又將Hydroworks QM模型集成到Infoworks CS中。Infoworks CS對排水管網的仿真模擬是快速、精確、穩(wěn)定的，能夠預測系統(tǒng)的工作狀態(tài)或降雨后的影響。

3.2 某市HZ區(qū)排水管網系統(tǒng)建模實例應用

在本次研究中，應用Infoworks CS對某市HZ區(qū)的排水管網進行模擬。HZ區(qū)工作面積91.50平方公里，污水管渠與合流管渠的總長約為538公里，包括11條主要道路，其中關系系統(tǒng)的主干管長度為119.90公里，加上截污干管的總長度約為132.87公里。經模擬，發(fā)現(xiàn)該片區(qū)的排水管網存在以下問題：

（1）從模型上看，出現(xiàn)很多管道錯接和逆坡的情況。這是由于HZ區(qū)為該老城區(qū)，排水管網已經使用了很多年，管網缺少維護保養(yǎng)，長期受污染物質的侵蝕，管道破舊，接頭漏損，在雨量少的時候，甚至出現(xiàn)地下水滲入管網的情況。

（2）從模型上看，出現(xiàn)很多流向沖突的情況。這是由于沉積物長年累月的積累在管道中，導致水流不通暢，管道過水能力下降。尤其是在雨季，雨污不分流，管內水流方紊亂。

（3）從模型上看，出現(xiàn)很多獨立管網，或是雨污管不分流的情況。HZ區(qū)是老城區(qū)，初期管網設計不合理，管道錯接混接，污水直接排江，或是雨水進入污水處理廠。

基于上述問題，能過分析數(shù)據(jù)和現(xiàn)場考查等手段，確定問題存在的真實性，并向上級部門提出問題。隨后，結合軟件的模擬結果，提出改造方案，并利用Infoworks CS分析方案的合理性。

本文比較分析介紹了常見的幾款建模軟件，肯定了Infoworks CS的優(yōu)越性。并且通過應用Infoworks CS建立了HZ區(qū)的排水管網模型，利用模型找出該區(qū)排水管網中存在的問題，并將問題歸類總結，通過現(xiàn)場核查、數(shù)據(jù)分析等方法，確定問題存在的合理性與真實性，對現(xiàn)實管網的管理與維護具有重大的意義。

參考文獻

[1]潘崇倫.基于WallingFord軟件的水務信息一體化管理的探討.上海水務，2008（4）：58-61.

[2]吳小平，高飛，楊俊，等.市政排水管網系統(tǒng)的研究與開會[J].中國市政工程，2006，（124）：55-56.

[3]肖丹，何芳，李勝龍.小城鎮(zhèn)供水管網模型拓撲結構的簡化研究[J].中國給水排水，2009.