水力模型在城市排水系統規劃設計中的應用

徐佳麗+婁強華+許鐵強

【摘 要】城市排水系統連接居民住宅、商業、工業以及污水處理廠等，對城市排水系統的規劃設計不僅直接關系到社會生產生活水平，也會影響到整個城市的建設水平。隨著時代的發展，在計算機、互聯網和信息技術的支持下，基于城市排水系統規劃設計的水力模型軟件得以開發，為解決城市排水系統設計中存在的問題提供了解決對策。鑒于此，本文對水力模型在城市排水系統規劃設計中的應用分析具有重要的現實意義。

【關鍵詞】水力模型；城市排水系統；規劃設計；應用

前言

水力模型是一種研究自然環境中水動態變化的模型，通過模型的真實模擬過程，可以對水中物質的擴散過程作出科學的分析。構建基于排水系統規劃設計的水力模型，主要是為了實現對排水管網的優化和系統評估，進而保障城市排水設施的穩定運行和水環境的安全。因此，本文主要分析了排水系統水力模型的構建以及水力模型在排水系統規劃設計中的具體應用[1]。

一、排水系統水力模型的構建

現階段，城市排水系統規劃設計中最突出的問題是缺少排水管網的科學管理和系統評估體系，致使排水管網坍塌、污水溢流和城市內澇等問題頻繁發生。基于優化排水管網的建設要求，本文提出構建城市排水管網水力模型具有非常重要的意義。具體而言，構建排水管網水力模型的過程如下：

首先，要確定建模項目預期指標，選擇建模軟件，確定排水管網系統模型的研究范圍。其次，獲取和輸入排水管網系統基礎數據，進行匯水子區域的劃分并建立基于不同節點的流量模型，最后，界定排水管網系統模型的邊界條件，在模擬軟件中設置模擬選項并執行模擬過程。模擬系統可以對模擬過程進行結果后處理和可視化顯示，通過分析排水管網系統運行的靈敏性，校準和檢驗設計方案的合理性。

基于排水管網的水力模型模擬系統具有數字化、可視化和功能化的研究優勢。水力模型系統能夠根據城市的地表降雨徑流和排水管網的匯流規律，模擬城市排水管網系統在各種假設情境中的運行狀態，進而分析排水管網運行中存在的問題和完善空間，為排水管網系統的管理和優化提供依據[2]。

二、水力模型在排水系統規劃設計中的應用

本文主要以某城市排水管網系統的優化設計為例，說明水力模型在排水系統規劃設計中的具體應用流程和應用效果。某城市排水管網系統十分復雜，部分管道存在超載、水力狀況差、污水溢流等問題。為了實現對排水管網系統的優化設計，改善現行管網系統設計中存在的不足，決定建立排水管網水力模型。通過分析檢查井、管渠、集水區、拍門和閘堰等管網設施對象間的連接性和高程關系，進一步完善污水管網系統基礎數據庫。此外，還要對管網系統運行現狀中存在的問題進行全面的評估，進而判斷出管網系統中過流能力不足的瓶頸管段具體位置，得出造成管道高水位運行和超載溢流的根本原因[3]。

具體的應用過程如下：

1.排水管網建模過程：獲取現狀管網系統結構的基礎數據，初步搭建水力模型。實地測量井、泵站和CSO等數據，補充附屬設施的詳細材料，并通過雷達探測和CCTV實測資料合理推測缺失數據信息。劃分集水區域時，要著重分析影像資料，調查或評估不可透水區域，保證區域劃分的科學性和適應性。此外，通過調查城市人口資料、土壤資料和工商廢水資料等輸入人口數據、工商廢水數據、土地的徑流系數、入滲量和管壁粗糙度等信息。

2.完整模型構建后，進行模型的校核、水力分析和優化。通過對旱天、雨天的流量、流速和水位的測量，校核旱天、雨天水力模型的實用性。通過一些已有的流量數據，進行模型的歷史校核。水力分析部分主要以氣候變化和歷史降雨數據為基礎，進行降雨和時間系列的現狀和未來設計。最后通過CCTV實測數據，建立污水管道結構性評估系統，完成對模型的改進和優化。

3.排水管網結構分析。在模型平臺中利用樹狀視圖和三維分析等方式，分析管網的連通性和上下游，為評估排水管網運行現狀提供依據。模型平臺可以對排水管網系統各干道超載情況進行分類和統計。例如，本文所研究的某城市排水管網系統中，某區主干道總長為37km。其中，未超載主干道長為25.7km，占比69.4%；由于托頂造成超載的干道長為5.13km，占比13.9%；由于過流不足而造成超載的干道長為6.17km，占比16.7%。通過可視化模擬過程可以得出問題主干道所分布的區域，進而對該部分區域的排水管網系統進行針對性改進和優化。

4.排水管網沉積物分析。通過水力模型計算與校核，可以在模型界面顯示出問題主干道不同區域的淤積狀況，得出沉積厚度與管徑的比值范圍。模型計算系統將沉積厚度劃分為三個等級，分別為<15%管徑、15%～20%管徑和>20%管徑。通過排水管網沉積物的分析，相關工作人員可以直接觀察到那些區域干道要實施重點淤積處理[4]。

5.排水管網旱季合流制CSO溢流分析。模擬系統會顯示出具體的旱天溢流點，并通過計算和分析，得出不同溢流點的溢流水量和具體位置，進而生成不同的作業編號。例如，通過系統模擬，得出問題主干道中存在明顯溢流點三處，溢流量分別為191、941、11700m3/d，具體位置分別為某花園對面、某醫院對面和某綠化公司對面。此外，還有溢流量為1368m3/d的其它溢流點，需要進一步計算和分析。

6.排水管網和泵站運行方案的優化。基于水水力模型系統的計算和分析，得出排水管網系統中的問題干道和泵站運行問題。為了改善問題主干道水力狀況差、旱天高水位運行和旱天CSO溢流污水溢流等問題，要用DN2000截污管代替部分問題干道的U型管，合理降低節點拉通后截污管水位，改善現狀運行。另外，要采用模型制定泵站運行方案，指導系統運行。

7.分析城市水浸等級。在模型系統環境中，通過改變降雨強度，分析水浸點個數，并進一步得出具體的水浸區域分布。例如，在降雨強度為0.25y時，得到4個水浸點、0.5y對應11個水浸點、1y對應16個水浸點、2y對應22個水浸點、5y對應25個水浸點、10y對應29個水浸點。由此可以看出，隨著降雨強度的增加，水浸點個數大幅度增長。因此，排水管網系統的規劃設計要考慮到降雨強度的影響，加強水浸區域抗降水能力，從而不斷提高城市排水系統建設質量。

通過分析水力模型在城市排水系統規劃設計中的具體應用過程，總結水力模型在城市排水系統規劃設計中的作用效果如下：1.解決城市排水系統設計中存在的問題，規避使用風險；2.科學評估排水系統運行現狀，提出改善和優化方案，實現針對性整改；3.強化城市排水設施的穩定運行，保障水環境安全等。

三、結論

綜上所述，隨著人們生活水平的提高和工業生產的發展，對城市排水系統設計提出了更大的要求。在此背景下，利用水力模型優化城市排水系統規劃設計，規避風險，防范問題是十分必要的舉措。但是，水力模型在城市排水系統規劃設計中的應用仍然存在很多不足之處，需要相關領域研究者不斷對其優化和創新，進而實現城市排水系統規劃設計的科學性和實用性。

參考文獻：

[1]王競茵，張朝升，榮宏偉，張可方. 水力模型在城市排水系統規劃設計中的應用[J]. 城鄉建設，2015，（07）：81-82.

[2]王競茵，張朝升，榮宏偉，張可方. 水力模型在城市排水系統規劃設計中的應用[J]. 環境科學與技術，2014，37（07）：173-176+200.

[3]馬洪濤. 數學模型在城市排水規劃中應用的相關問題[J]. 中國給水排水，2013，29（21）：138-143.

[4]祁繼英，白海梅. 水力模型用于排水系統的設計優化[J]. 中國給水排水，2008，（04）：36-39.endprint