（市政工程专业论文）排水管网动态水力建模数据组织与分析.pdf

摘要 摘要 城市排水事业已进入了加强科学管理、提高安全可靠性的新时期。在对排 水管网进行数据普查的基础上，利用管网水力学模型对排水管网进行动态模拟 研究是城市排水管网科学管理的现代化技术方法和重要发展方向。管网模型的 建立需要一定的数据基础，排水管理部门在充分了解自身数据现状的基础上， 科学组织和分析数据的有效性和完整性，对建立管网动态水力模型具有重要作 用，本课题研究对排水管网科学管理的现代化技术进步具有很大的现实意义。 本文首先介绍了排水管网模型的应用背景、概念、类型以及国外排水管网 模型软件；总结了我国排水管网模型研究与应用；阐述了排水管网系统数学模 型构成，并以s w m m 软件为例，分析了排水管网模型的建模原理。 其次，从建模的数据条件出发，结合刁市主城区排水管网系统建模实例， 应用s w m m 软件，将动态建模数据按照数据来源进行分类和需求分析，并按照 模型建立的顺序( 确定管网拓扑结构、划分汇水子区域、确定水文、水力模型 参数) 介绍数据的详细处理方法，建立适用于我国城市排水管网系统水力建模 的标准数据收集、处理和应用的方法体系；由于排水管网地理信息系统和排水 管网模型结合使用的方式可缩短建模周期，提高排水管网建模的科学性，本文 也简单介绍了地理信息系统与排水模型软件的结合使用的方法。 本研究使数据收集和数据处理的过程更有方向性和针对性，使得在建模之 前排水管理部门可根据自身数据情况提出合理的建模目标，并使数据能够最高 效、最大化地得到利用。 本文通过工程实例，演绎了管网动态水力建模的数据分析和处理的过程。 通过管网建模的过程和最终的模型模拟结果，验证了数据收集和处理标准方法。 管网数据的积累、应用和及时的维护更新是提高管网模型有效性的重要措施， 良好的数据积累和维护与水力模型的应用可以互相促进发展。 关键词：排水管网，动态水力模型，s w m m ，数据组织，数据分析 a b s t r a c t a b s t r a c t t o d a y , t h ed e m a n do fi n f o r m a t i o n i z a t i o nm a n a g e m e n t ，s c i e n t i f i cm a n a g e m e n t ， m o d e r n i z a t i o nm a n a g e m e n to fu r b a nd r a i n a g en e t w o r ks y s t e m sh a si n c r e s i n g l y e n h a n c e d d r a i n a g en e t w o r ks y s t e mm o d e l i n gh a sb e c o m em o d e mt e c h n o l o g yi n d e s i g n ，c o n s t r u c t i o na n do p e r a t i o n a lg u i d a n c ef o rd r a i n a g en e t w o r ks y s t e m t h e m o d e l i n gn e e d ss o m ed a t a b e c a u s eo fl a c ko fd a t aa c c u m u l a t i o na n dm o d e l i n g e x p e r i e n c e ，e s t a b l i s h i n gad r a i n a g es y s t e mc o m p u t e rm o d e li st i m e - c o n s u m i n ga n d i n e f f i c i e n t ，i ti sn e c e s s a r yt od e f i n et h ed a t ar e q u i r e m e n to fs e t t i n gu pam o d e la n dt h e p r o c e s s i n gm e t h o d so fc o l l e c t i n gd a t a b e s i d e s ，i t i sa l s on e c e s s a r yt ob u i l da m o d e l i n gd a t am a n a g e m e n ts y s t e ma n di m p r o v et h ee x i s t i n gd a t a f i r s t l y , t h ec o n c e p t ，t y p e ，a n da p p l i c a t i o nf i e l d so fd r a i n a g en e t w o r km o d e l i n g a r ei n t r o d u c e d t h ep r e s e n ts i t u a t i o nf o rm o d e l i n gd r a i n a g en e t w o r k si sr e v i e w d ，a n d m a k e u po ft h em a t h e m a t i c a lm o d e l sf o rm o d e l i n gt h ed r a i n a g en e t w o r k si s a l s o e l a b o r a t e d t h e nt a k es w m m a sa ne x a m p l e ，t h em o d e l i n gp r i n c i p l e so fd r a i n a g e n e t w o r k sa l ei n t r o d u c e d s e c o n d l y , as t a n d a r dm e t h o do fd a t ac o l l e c t i o n ，p r o c e s s i n ga n de x p l o i t a t i o ni n m o d e l i n gi se s t a b l i s h e df o rn a t i o n a lc i t i e s d a t ao fd y n a m i cm o d e la r ec l a s s i f i e d a n a l y z e d i n t e g r a t i n gg i st e c h n o l o g ya n dd r a i n a g en e t w o r ks y s t e mm o d e l i n gc a n s h o r t e nt h em o d e l i n gc y c l e t h ec o m b i n a t i o na l s om a k e sd r a i n a g en e t w o r ks y s t e m m o d e l i n gm o r es c i e n t i f i c i nt h ed i s s e r t a t i o n ，m e t h o d sa b o u ti n t e g r a t i n gg e o g r a p h i c i n f o r m a t i o ns y s t e ma n dd r a i n a g es y s t e mm o d e l i n gw i l lb es h o w n t h i sr e s e a r c hi sq u i t em e a n i n g f u lt ot h ed r a i n a g ea d m i n i s t r a t i o n ，b e c a u s ei t m a k e sd a t ec o l l e c t i o na n dd a t ap r o c e s s i n gm o r ec o n v e n i e n t m e a n w h i l e ，i ta l s oh e l p t h e mh a v eac l e a ru n d e r s t a n d i n go fa l lt h ed a t aa n dm a k eb e s tu s eo ft h ed a t a a c a s eo fd y n a m i cm o d e l i n gi sg i v e nt od e s c r i b et h ea n a l y s i sa n dm a n a g e m e n t o ft h ed a t ad u r i n gt h em o d e l i n gp r o c e s s i nt h i sc a s e ，w ec a nf i n dt h a tt h ed a t ao f d r a i n a g en e t w o r ks y s t e mg u a r a n t et h ee f f e c t i v e n e s so ft h eh y d r u l i cm o d e l ，a n dt h e a p p l i c a t i o no fm o d e lc a na l s oa c c e l e r a t et h ed e v e l o p m e n ta n dp e r f e c t i o no f d a t a a b s t r a c t k e yw o r d s ：d r a i n a g en e t w o r k ，d y n a m i ch y d r a u l i cm o d e l i n g ，s w m m ，d a t aa n a l y s i s ， d a t ao r g a n i z a t i o n 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：耐 卅年3 月f 笤日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 年月日年月日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名：张鼢 劬? 年3 月倍日 第1 章绪论 1 1 排水管网系统的构成 第1 章绪论 排水管网系统一般由废水收集设施、排水管网、水量调节池、提升泵站、 废水输水管( 渠) 和排放口等构成l l j 。 ( 1 ) 废水收集设施：它们是排水系统的起始点。用户排出的废水一般直接 排到用户的室外窨井，通过连接窨井的排水支管将废水收集到排水管道系统中。 雨水的收集是通过设在屋面或地面的雨水口将雨水收集到雨水排水支管。 ( 2 ) 排水管网：指分布于排水区域内的排水管道( 渠道) 网络，其功能是 将收集到的污水、废水和雨水等输送到处理地点或排放口，以便集中处理或排 放。 排水管网由支管、干管、主干管等构成，一般顺沿地面高程由高到低布置 成树状网络。排水管网中设置雨水口、检查井、跌水井、溢流井、水封井、换 气井等附属构筑物及流量等检测设施，便于系统的运行与维护管理。由于污水 含有大量的漂浮物和气体，所以污水管网的管道一般采用非满管流，以保留漂 浮物和气体的流动空间。雨水管网的管道一般采用满管流。工业废水的输送管 道是采用满管流或者非满管流，则应根据水质的特性决定。 ( 3 ) 排水调节池：指具有一定容积的污水、废水或雨水贮存设施。用于调 节排水管网流量与输水量或处理水量的差值。通过水量调节池可以降低其下游 高峰排水流量，从而减小输水管渠或排水处理设施的设计规模，降低工程造价。 水量调节池还可以在系统事故时贮存短时间排水量，以降低造成环境污染 的危险。水量调节池也能起到均和水质的作用，特别是工业废水，不同工厂或 不同车间排水水质不同，不同时段排水的水质也会变化，不利于净化处理，调 节池可以中和酸碱，均化水质。 ( 4 ) 提升泵站t 指通过水泵提升排水的高程或使排水加压输送。排水在重 力输送过程中，高程不断降低，当地面较平坦时，输送一定距离后管道的埋深 会很大( 例如，当达到5 m 时) ，建造费用很高，通过水泵提升可以降低管道埋 深以降低工程费用。另外，为了使排水能够进入处理构筑物或达到排放的高程， 也需要进行提升或加压。 第1 章绪论 提升泵站根据需要设置，较大规模的管网或需要长距离输送时，可能需要 设置多座泵站。 ( 5 ) 废水输水管( 渠) ：指长距离输送废水的压力管道或渠道。为了保护 环境，排水处理设施往往建在离城市较远的地区，排水口也选在远离城市的水 体下游，都需要长距离输送。 ( 6 ) 废水排放口：排水管道的末端是废水排放口，与接纳废水的水体连接。 为了保证排放口部的稳定，或者使废水能够比较均匀地与接纳水体混合，需要 合理设置排放口。排放口有多种形式。岸边式排放口，具有较好的防止冲刷能 力；分散式排放口，可使废水与接纳水体均匀混合。 1 2 排水管网模型 1 2 1 模型应用背景 ( 1 ) 排水系统建设现状以及运行管理问题 城市排水系统是城市的重要基础设施，它具有保护城市环境和防止洪涝灾 害的双重功能。随着国民经济的发展，我国的城市排水事业得到了迅速的发展。 首先，城市排水设施建设投资持续增长。1 9 9 1 年、1 9 9 8 年和2 0 0 3 年相比，城 市排水设施固定资产年投资由9 5 5 亿元分别增加到1 5 4 5 2 亿元和3 7 5 1 6 亿元， 1 9 9 8 年以后投资增长幅度明显加快。1 9 9 0 年与2 0 0 3 年相比，城市排水建设投 资占供排水总投资的比例由2 7 8 上升到6 7 4 ( 详见图1 1 ) 。长期以来，城市 排水设施建设固定资产投资始终低于供水设施建设的投资，直到2 0 0 0 年开始超 过了城市供水的投资，城市排水设施建设投资出现了持续、快速增长的势头。 2 0 0 3 年城市排水建设年投资为1 9 9 1 年的3 9 倍，为供水设施建设投资的2 1 倍【2 l 。 其次，排水管网和污水处理厂建设明显加快。自1 9 9 0 年至2 0 0 0 年城市平 均每年新建排水管道8 4 0 0 公里，进入新世纪后更加快了建设速度，全国城市平 均每年新建排水管道1 8 9 6 2 公里。城市排水管道由1 9 9 0 年的5 7 8 万公里增加到 2 0 0 3 年1 9 9 万公里。在此期间城市污水处理厂建设也有了大幅度增加，由8 0 座增加到5 3 7 座。在1 9 9 5 年以前全国城市平均每年新建成污水处理厂1 2 2 座， 1 9 9 5 年以后，平均每年新建成污水处理厂5 9 座( 详见图1 2 ) 【2 1 。 2 第l 章绪论 謇囊鬟鏊萋豢誊客善善晷营营营 幽11 城市供水和排水施建设投资统计幽 7 6 0 一目0 捌 r 4 ，o 目 自3 * 。j 1 0 i 0 。： l 0 i 目0 0 0 1 4 0 0 3 3 i ： 1 0 3 0 0 ： ? 呻 0 罅0 。 4 l b 0 0 曲0 0 女i 目1 2 城市排，k 管阿和 水处理厂建设统计幽 然而，“i 丁城h 排水管网系统是个结构复杂、规模庞人、随机一陆强的系统 ”j ，它的运行管理仃在一此问题： 排水体制小完善。我日室外排水设计规范规定，在新建地区排水系 统一般采川分流制。但日时我因并城仍宵大面积的的排水管阚为合流系统， 同时分流制地【i 陌污混接、混流问题还比较，重，所以已建成的城市分流系统 不能发挥其应有的敏茄，无法真证达到有效保护水体的同的。 排水管刚规划世汁不合理。山于凼内没f 】很好的水力计算软件，目前人 范囤的排水管嘲规划设计夫都采h j 经验估算力式进行设计，难以做到整个系统 的优化。造成l 下游管渠坡度分配小合理，水流流忐不好，锚渠淤秘严重，泵 站建设过多i 。 骑竹站扑侣仲。 第1 章绪论 排水管网设施的维护工作不到位。多年来城市排水管网设施大多未进行 过全面的清通工作，管渠淤积严重，过水能力大大减小，严重影响城市排水。 养护维护手段单一，监测手段落后。目前国内排水管道运营监控仍主要 限于人工对检查井的定期观测，只能了解管道及时的水位、流速、淤积情况、 毒气含量等，但实际上昼夜、星期、季节等变化对数据影响很大，单靠这种人 工观测难以掌握这一系统变化规律，因而不能科学规划新建与改造项目，优化 系统运营方案，自如应对突发危机事件。虽然在1 9 8 5 年国家关于“排水管道维 护安全技术规程 中已经提出管道检查时宜采用反光镜或电视检测仪、需要封 闭作业时宜采用橡胶气堵、疏通时宜采用机动绞车、高压冲洗车及吸泥车等现 代化装备的要求，但因经济实力所限，至今国内排水管道维护管理单位的装备水 平依然很低。近些年小型管道疏通机的出现，多用于户线的疏通。大型管道冲 洗车进入我国市场时间不长，目前仅有北京等城市有少量的装备，管道疏通还 常常采取人工进入地下、清挖外运的办、法【5 1 。 排水管网系统基础数据不全、档案保存方式落后、信息获取效率低。有 的城市缺乏排水设施的竣工图纸等资料，甚至以施工图充当竣工图，给城市排 水管网的管理带来了极大的不便；以图纸形式保存排水管网资料，需要占用大 量的存储空间且易发生损坏和遗失，难以掌握全局，信息检索不便，而且不利 于不同部门、不同地域之间的数据传送和共享。 排水管网的管理体制比较混乱，多个部门管水，多个部门不治水的现象 依然严重。排水管网系统从规划、设计建设到最终的维护管理隶属于不同的部 门，各个部门都从自己的角度去考虑，对具体实施的难易程度、实际的可行性 考虑较少【4 1 。 管理法规标准尚不完善。关于排水管网运营管理的相关法规仍不健全， 至今国家标准的排水管理条例( 或“法规”、或“办法”) 未出台，管理者无 明确的法规、标准要求，用户无必要的行为约束，运营维护单位无章可循，只 能按自己的想法去做。1 9 9 6 年建设部出台的“排水管道维护技术规程 ，仅包 括设施维护检查内容和周期以及管道维护技术操作规程，尚缺维护运营工作的 具体标准要求与监管办法。排水管道维护队伍的专业技能条件、客户服务指标 及相应的考核办法也无明确规定【5 】。 ( 2 ) 城市内涝灾害 随着我国城市化进程的加快，一方面，城市区域内不透水地表面积增大， 4 第1 章绪论 地表入渗水量变少，地表粗糙系数变小，城市雨水径流总量与峰值流量增大， 汇流速度变快，洪峰出现时间提前，使得城市内涝的排蓄条件不断恶化，道路 积水问题频繁发生；另一方面，排水系统与城市建设不协调，排水管网系统超 期服役，暴雨期间不能迅速有效地排除雨水，导致城市受淹，交通受阻和水体 污染等情况，直接影响了我国城市的形象和人居环境。 近年来，有许多关于城市内涝灾害的报道。譬如，2 0 0 5 年8 月初上海市遭 受台风“麦莎”的侵袭，市区内8 4 条道路积水成患，给市民出行带来极大不便 ( 来自中国上海网) ：2 0 0 6 年7 月2 0 日，受暴雨影响，南京市街道出现大面积 积水，当日早晨的一场大暴雨使江苏无锡市中心多处路段积水，汽车开过好似 飞艇( 来自新华网) ；2 0 0 7 年7 月1 8 日，一场3 小时的暴雨，使山东济南的中 心城区几成泽国，在这场城市的内涝灾害中至少3 4 人丧生( 来自南方周末) 。 我国城市目前普遍存在道路积水的问题，城市暴雨已发展成为城市的内涝灾害。 ( 3 ) 城市排水管网信息化管理 我国的城市排水事业已进入了加强科学管理、提高安全可靠性的新时期。 然而，城市排水管网系统是一个结构复杂、规模庞大、随机性强的系统1 3 1 。因此， 在对管网进行彻底普查的基础上，加强对排水管网的数字信息化管理，将管网 数据采集入库，建立存储三维空间的排水管网地理信息系统，利用管网水力学 模型对排水管网进行动态模拟研究是城市排水管网科学管理主要采用的三种技 术手段，是实现排水管网的客观评价、科学规划、调度、运行等现代化管理的 必然要求，也是目前急需解决的一大课题1 6 j 。 当前城市排水管网科学管理的主要途径是城市排水管网信息化管理，其框 架可由图1 3 表示。目前，城市排水管网系统信息化技术主要包括排水g i s 、排水 s c a d a 和排水管网模型三个部分。排水g i s 告诉我们城市排水管网系统的存在 形式，排水s c a d a 系统则告诉我们城市排水管网系统的运行情况，而排水管网 模型可以演示在不同情境下排水管网的运行状态。 城市排水地理信息系统( 可以称为排水g i s ) 是融计算机图形和数据库与一 体，储存和处理排水系统空间信息的高新技术，它把地理位置和相关属性有机 结合起来，根据实际需要准确真实、图文并茂地输出给用户，借助其独有的空 间分析功能和可视化表达，进行各项管理和决策。 城市排水管网自动化监控系统可采用排水s c a d a ( s u p e r v i s o r yc o n t r o la n d d a t aa c q u i s i t i o n ) 系统。建立城市排水管网监测系统，是城市排水系统运行管理 5 第1 章绪论 最优化的重要途径，可以有效改善城市排水系统的运行效果，提高排水设施的 经济效益和社会效益，对城市排水系统进行合理规划、动态监测、实时管理， 整合优化城市排水资源，以最佳效率收集和处理城市排水，保护城市水体资源。 排水g i s 和排水s c a d a 系统是排水管网模型的基础，它们为排水管网模型提 供基础数据信息。 城市排水管网模型包括城市水文模型和水力模型，旨在各种模拟情境下， 根据城市地区的降雨径流规律和排水管网汇流规律，利用现代水文学、水力学 知识模拟城市排水管网系统的特性，以便对相关问题作出较好的决策。 图1 3 排水管网信息化管理技术流程 如今，计算机模拟在科学研究中扮演着越来越重要的角色，它是计算机技 术和各个具体工程科学技术的结合，甚至有人将2 1 世纪称之为模拟技术的世纪。 采用计算机模拟技术对排水管网进行优化设计，改进传统设计方法，提高其设 计标准和可靠性；对已建成的城市排水管网系统进行科学的信息化管理，使之 充分发挥效益，是给水排水科技工作者和城市排水管理部门的一项艰巨的任务。 1 2 2 模型总体应用 排水管网模型是在计算机上虚拟的城市排水管网系统，或言之，排水管网 模型是实际的排水管网系统在计算机上的映射。排水管网模型既可以重现排水 6 第1 章绪论 系统过去的运行表现，也可以预测排水系统未来的运行表现。 排水管网模型的应用可以分为以下几种类型 ( 1 ) 规划应用 排水管网模型在规划方面的应用主要表现在对现状及未来排水管网系统的 水力负荷诊断以及改造、规划方案评估优化方面。具体内容包括：计算分析排 水管网局部各部分的水力负荷，如排放口、泵站、截流管或干管系统等，以及 诊断大面积或局部排水管网水力问题的起因；评估降雨时的道路积水情况，以 及入流出流( i i ) 和溢流情况，确定排水管网水力负荷缺陷；分析、评估、规 划和优化排水管线、排水泵站和污水处理厂的建设规模，规划排水管网中雨水 集蓄系统的规模和布局，评估和优化合流制管网溢流控制方案：评估新开发地 区、汇水区域土地利用大型项目对流域内排水管网设施的影响；评估流域内排 水管网改造方案的水力负荷，以及对工程初步方案进行比较和优化。 ( 2 ) 设计应用 排水管网模型在设计方面的应用主要表现在设计方案评估和排水设施设计 尺寸优化方面。具体表现为：对区域性排水管网改造和规划方案、雨水集蓄方 案、合流污水溢流控制方案进行评估，分析、比较、优化排水泵站、排水构筑 物和管网走向等的工程设计方案；针对确定的排水管线平面布置方案，在满足 水力负荷的条件下，优化设计尺寸、设计坡度等。 ( 3 ) 控制应用 排水管网模型在控制方面的应用主要表现为在线监控与管网运行辅助控 制。具体表现为：流域之间或干管之间的流量调配评估、运行控制策略评估和 实施在线运行控制：泵站之间、排水构筑物之间的水流联动控制策略评估和实 施运行在线控制；针对排水管网监测系统监测的实时数据，计算附近管段或下 游管段的流量或水位，为运行管理和防汛决策提供数据支持，或直接参与在线 运行控制。 ( 4 ) 管理应用 排水管网模型在管理方面的应用主要表现为预案评估、户线报装流量评估 等。具体表现为：计算特定位置的流量和水位，估算预警时间以及积水位置、 程度，预测应急抢险方案效果；针对临时情况、户线报装和局部规划变更时增 加的流量，计算接驳点附近管段和下游管段的水力负荷，拟定最佳接驳方案。 7 第1 章绪论 1 3 论文的研究目的和内容 本文针对现阶段国内城市排水管网动态水力建模需求，以及排水管网系统 原始数据不完善的的现状，研究排水管网建模原理以及数据处理的问题。主要 的内容如下： ( 1 ) 针对我国城市排水管网建设和管理现状，论证了排水管网动态水力建 模的必要性以及其应用内容； ( 2 ) 分析了排水管网系统数学模型及其构成，简单介绍了国外排水管网模 型软件原理并总结了我国排水管网模型的研究与应用现状； ( 3 ) 分析了s w m m 模型软件的建模原理与方法； ( 4 ) 结合刁市排水管网建模实际需要，针对建模中数据重要性及数据需 求等问题，进行了排水管网模型的数据需求分析，提出了动态水力模型的数据 分类和收集方法，使收集数据的过程更有方向性和针对性，为以后的城市排水 管网建模工作提供技术支持； ( 5 ) 结合刁市主城区排水管网模型实例和s w m m 建模软件讨论建模数据 的处理问题，并按照模型建立的顺序来介绍数据的处理方法，包括确定管网拓 扑结构、划分汇水子区域、确定水文、水力模型参数； ( 6 ) 排水管网地理系统的使用使得排水管网动态水力建模数据的获取和处 理更为便捷，同时可缩短建模周期，提高排水管网建模的科学性，因此本文简 单介绍了两者的结合使用。 8 第2 章排水管网模型研究 第2 章排水管网模型研究 随着城市排水系统信息化管理要求的提出与实践，排水管网建模同益受到 大家的重视。无论是进行排水管网数学建模还是排水管网模型的实际应用，都 需要了解建模的原理。本节将介绍排水管网系统模型的概念、分类，总结国外 排水管网模拟软件及我国排水管网模型的研究与应用情况，阐述排水管网数学 模型的构成与原理，并对本文研究中用到的建模软件s w m m 进行深入的剖析。 2 1 排水管网系统模型概述 模型是指为了特定目的将原型所具有的本质属性的某一部分信息经过简 化、提炼而构造的原型替代品。排水管网系统模型是对实际排水管网系统原型 的抽象和概化，旨在各种模拟情境下，根据城市地区的降雨径流规律和排水管 网汇流规律，利用现代水文学、水力学知识模拟城市排水管网系统的特性，以 便对相关问题作出较好的决策。排水管网模型的正确使用基于这样的前提，即： 在可接受的精度范围内，它们能复制出现实情况下城市排水管网系统的基本性 能1 8 1 。 根据建模目的和建模方式等的不同，模型类别也有所不同，大致有以下几 类： ( 1 ) 合流制管网模型、分流制雨水管网模型和分流制污水管网模型，这是 按照排水管网的体制来划分的。雨水管网模型和污水管网模型分别着重研究城 市雨季流量和旱季流量，而合流制管网模型则兼而有之。 ( 2 ) 水量模型和水质模型，水量模型是用数学关系式表达管网水流连续性 及能量方程，水质模型是用数学关系式表达管网水质变化规律。 ( 3 ) 事件模型和连续模型，事件模型一般模拟一场或几场降雨过程，适用 于暴雨设施的设计以及运行情况模拟；连续模拟要模拟的是系统在很长一段时 间内的水量平衡，是水资源规划模型的基础，通常用来估计各种基础构筑物在 其生命周期内的费用成本1 9 l 。 ( 4 ) 静态模型、准动态模型和动态模型，这是根据排水管网模型中时间变 9 第2 章排水管网模型研究 量多寡而定义的，静态模型由于最终会达到稳态，也称为稳态模型。 ( 5 ) 宏观模型和微观模型，前者只模拟排水管网的研究属性，而不模拟排 水管网构造；后者既模拟排水管网的研究属性，又模拟排水管网的构造。 2 2 国外排水管网模拟软件简介 发达国家从2 0 世纪6 0 年代起就开始研制城市排水管网模型，以满足城市 排水、防洪、环境治理等各方面的要求。最早致力于城市排水模型研究的国家 有美国、英国、法国、德国和澳大利亚，以及发展中国家俄罗斯1 1 0 l 。这些模型 有的已发展成市场遍及多国的商业软件；有的是公共软件，供社会公共事业和 研究机构使用。此处介绍世界上比较著名的几个模型： ( 1 ) 公路研究所模型( t r r l ) 【1 0 】 英国公路研究所根据时间一面积径流演算方法提出了一种城市径流模型 ( t r r l ) ，这是一种恒定流流量过程线演算方法，该模型在美国称为r r l 法。 这一方法认为只有与雨水排水系统直接连接的不透水地表产生径流，因此忽略 全部透水地表和不与排水系统直接连接的不透水地表面积。实践证明r r l 模型 估算的洪峰流量和径流量偏低。 t r r l 模拟程序主要包括五个部分： 把流域分成n 个子流域，并估算长度、坡度和粗糙系数； 计算地表径流速度，在地图上画出等流时线，并作出时间一面积曲线； 从降雨过程线中扣除损失，生成净雨过程线，与时间一面积曲线合成出 口流量过程线； 应用蓄水方程对出口流量过程进行水库蓄水演算，产生排水管渠入口流 量过程线； 将管渠系统入流过程线通过管渠系统蓄水方程演算，产生流域总的径流 过程线。 ( 2 ) 伊利诺城市排水区域模拟模型( i l l u d a s ) x o i i l l u d a s 是可以考虑渗水地区地表径流的t r r l 修正方法。这种修正主要 在英国较小降雨强度条件下，对排水屋顶的不同部分，以及在美国和英国的渗 水地区进行的，也对管道流动演算进行了改变。管道的入流过程线，用连接点 连续性关系公式以及t r r l 方法获得，接着对洪峰流量用曼宁公式计算管径。 1 0 第2 章排水管网模型研究 于是入流过程线用连续性方程、曼宁公式和蓄水流量关系一起通过管道进行演 算，以代替t r r l 法中达西魏兹巴赫公式。 演算的结果是管道出流过程线，雨水管道设计概念与t r r l 法相同。从水 力学上讲，它是线性运动波近似，与t r r l 法相同。 ( 3 ) 沃林福特模型( w a l l i n g f o r dm o d e l ) 沃林福特模型早期于1 9 7 8 年由英国沃林福特水利研究机构( h y d r a u l i c s r e s e a r c hi n s t i t u t e ，w a l l i n g f o r d ，u n i t e d k i n g d o m ) 开发，包括降雨径流模型 ( w a s s p ) 、简单管道演算模型( w a l l r u s ) 和动力波管段演算模型( s p i d a ) 以及水质模拟模块( m o s q i t o ) 。该模型可以用于雨水管网、污水管网以及合 流制管网建模，也可用于实时运行管理、设计和规划方面的模拟。目前最新版 本软件是i n f o w o r k s c s ( 改进并集成于1 9 9 8 年) ，专门用于雨污水收集系统和污 水处理厂，可以细致、精确模拟雨污水收集系统的工作环境。i n f o w o r k s c s 利用 时间序列仿真引擎，可以对污水系统或其相关的排水系统关键要素作出快速、 精确、稳定的仿真模拟，预测系统的工作状态，或降雨后对环境造成的影响， 可以完整地模拟回水影响、逆流、明渠、主干渠、复杂管道连接和复杂的辅助 调控设施等。 径流模块采用修正推理公式法，可以将雨量图定义为输入，或者用深度一 历时一频率关系和修正芝加哥模型建立人工设计暴雨。程序提供了五个前期土 壤湿度模型，径流靠不透水区、屋面和透水区之间的分布降雨来估计，径流量 取决于地面类型、流域坡度、洼蓄的初损和渗透的连续损失，地表径流的衰减 模拟采用非线性蓄水方法。 暴雨管网中的流量演算采用马斯京根法和圣维南方程，并运用小时步长 法和隐式数学求解方法优化运行时间，确保数学稳定性，压力管道用忽略局部 加速度的圣维南方程，由隐式有限差分法求解【9 j 【1 1 】【1 2 1 。 ( 4 ) s t o r m 模型 美国工程师协会水文工程中心开发的s t o r m ( s t o r a g e ，t r e a t m e n t ， o _ _ v e r f l o w ，r u n o f f m o d e l ) 能够模拟城市流域的径流和污染负荷，适用于规划阶 段对排水流域长期径流过程的模拟。它可用于以小时为时间步长的连续模拟， 也可用于单场降雨模拟。 s t o r m 是一个准动态模型，应用修正推理公式法进行水文计算，提供三种 小时径流量计算方法：径流系数法、土壤复杂植被法( s o i l c o m p l e x c o v e r ) 和 1 1 第2 章排水管网模型研究 单位线法( 三角形单位过程线) 。径流量是降雨量减去截留量的线性函数。然而， s t o r m 模型中不透水区域和透水区域的径流系数以及不透水区域所占比例是 可变的，模型根据土壤类别、土地利用情况这些较易确定的资料，通过c n ( c _ _ u r v e n u m b e r ) 计算出净雨过程。该模型的径流估算采用经验公式，对城市和非城市 区域的地表冲刷均能计算，模型的输出包括水量、水质和污染过程的分析报告 g i l l o l i t t l 。 ( 5 ) m o u s e 模型 m o u s e ( m _ _ _ o o d e l i n go fu r b a ns _ _ _ e e w e r ) 是丹麦水力学研究所( d h i ) 开发的排 水管网模拟软件包。m o u s e 拥有多种模块，可用来计算雨水径流，实现实时监 控和s c a d a 系统的在线分析等。m o u s e 的主要模块包括：降雨入渗流模块 ( r a i n f a l ld e p e n d e n ti n f l o w & i n f i l t r a t i o n ，r d i i ) 、地表径流模块( s u r f a c e r u n o f f ) 、管流模块( h d ) 、长期统计模块( l o n gt e r ms t a t i s t i c s ，l t s ) 、实时控 制模块( r e a lt i m ec o n t r o l ，l 玎c ) 、m o u s et r a p 系列模块以及一些独立模块 等。 ( 6 ) 辛辛那提大学模型( u c u r m ) 1 1 0 1 辛辛那提大学城市径流模型( u c u r m ，t h eu n i v e r s i t yo fc i n c i n n a t iu r b a n r u n o f f m o d e l ) 是由辛辛那提大学土木系水资源教研室研究开发的。程序由三部 分组成： m a i n ，包括入渗和洼地蓄水以及两个子程序； ( 萤g u t f l ，边沟流； 匿) d i r o u ，管道演算。 u c u r m 把流域分成子流域，并把子流域产生的流量从地表演算到边沟和排 水管道。降雨作为降雨过程线读入，入渗和洼地蓄水相加后从降雨中扣除以产 生径流，把地表漫流通过边沟系统演算到雨水口和管网，从管网最上端开始， 分别计算相连接管道的流量以产生出口流量。通过管网系统，由流达下一个检 查井所需流动时间的迟滞水文过程线和在管网末端累加来演算入流流量。用曼 宁公式求管道中的流速和相应的滞后时间。该模型可以很好地模拟汇水过程。 ( 7 ) h s p f 美国环境保护署的h s p f ( h y d r o l o g i c a ls i m u l a t i o np r o g r a m - f o r t r a n ) 开发于 2 0 世纪7 0 年代中期，最初用于农业或农村区域广泛范围内的水文和水质过程的 模拟，但也可应用于城市区域。它被视为最有效的、最综合的最灵活的汇水区 1 2 第2 章排水管网模型研究 域水文和水质模型。它能够执行以小时为时间步长的汇水区域水文和水质连续 模拟，也可以模拟土地、土壤污染物的径流过程、沟道内水力过程以及沉积物 和化学过程的交互作用。 降雨径流模型包括融雪、上下层土壤蓄水的平衡以及透水区和不透水区的 地下水蓄水等。截留、蒸发、土壤水分蒸发蒸腾以及土壤中水分转移也包括在 水平衡之中。深层地下水蓄水能够转变成溪流的基流。溪流的总流量等于地表 径流和基流之和。地表水流、明( 暗) 渠和管道的水流演算采用改进的运动波方 程与曼宁公式结合的方法。它可以指示排水管道系统的淹没，并包含水库演算 1 9 】1 1 0 1 【1 1 l 。 此外，对于美国环保局的暴雨管理模型s w m m 将在以下章节作重点介绍。 2 3 我国排水管网模型的研究与应用现状 2 3 1 我国的城市降雨径流模型 国外在城市降雨径流模型研究方面非常活跃，发表了很多研究成果，并每 两年召开一次城市排水方面的研讨会。近些年来，我国除引进消化国外模型外， 正在积极研究本国的城市水文模型。 ( 1 ) 城市雨水管道计算模型( s s c m ) 1 1 0 s s c m 是我国第一个完整的雨水管道径流计算和设计模型。它由暴雨、地表 产流、地表汇流、管道汇流和雨水管道设计等子模型组成，主要用于城市雨水 管道系统的设计和校核，也可作为雨洪模拟模型，用于城市雨洪的控制和雨水 污染治理。 该模型分为三部分，即暴雨计算、雨水径流模拟、雨水管道系统设计和校 核。 ( 2 ) 城市雨水径流模型( c s y j m ) 1 0 l c s y j m 根据城市雨水径流的特点，将径流过程分为地表径流和管内汇流两 个阶段。降雨经过地面径流从雨水口进入雨水管网，模型可以计算出雨水口流 量过程线，并作为管网的输入。在管网各雨水口输入已知的条件下，采用非线 性运动波演算管网的汇流过程。 c s y j m 模型可以采用实测降雨过程线和合成设计降雨过程线作为输入。该 】3 第2 章排水管网模型研究 模型没有均匀降雨的假设，可根据计算精度确定计算时段长度。模型允许用户 选择扣损方法，包括加权平均径流系数、变径流系数、初损后损方法和h o r t o n 入渗方程法。根据降雨过程线和所选定的扣损方法，模型可以计算出净雨过程 线。该模型选用瞬时单位线法生成雨水口流量过程线并采用非线性运动波演算 方法模拟管网汇流过程。 此外，1 9 9 7 年，刘俊针对城市化地区水文特性变化和传统水文分析计算方 法的不足，提出了用于城市化地区水文水力计算和模拟的城市排水管网模型。 该模型应用于天津试验区，效果良好【1 3 j 。1 9 9 8 年，周玉文建立了城市排水管网 非恒定流模拟模型( c s p s m ) 将非恒定流模拟技术应用于我国城市排水系统的 规划设计和运行管理中，为后续的排水系统动态模拟奠定了基础【1 4 j 。1 9 9 8 年， 徐向阳提出了一个适合平原城市水文过程模拟的数学模型，由地表产流、地表 汇流、管网汇流、河网汇流4 个子模型组成，对北京市太平湖排水小区雨洪过程 模拟的验证表明，结果是可靠和合理的【1 5 l 。2 0 0 1 年，周玉文以v b 和f o x p r o 作为 开发工具，初步研制了城市排水系统非恒定流模拟模型软件，能够模拟暴雨条 件下排水管网系统溢流、积水面积和水深，并对沈阳市部分市政排水管网进行 模拟计算，提出管网改造方案1 1 酬。 2 3 2 我国排水管网模型的应用现状 我国已开始进行城市排水管网系统的计算机水力模拟，并且取得了一些可 喜的成果。上海、广州、天津等城市都已经开始这方面的工作，比较有代表性 的有中国水利水电科学研究院防灾所等开发的天津市暴雨沥涝仿真系统，该系 统包括暴雨沥涝仿真模型和信息前后处理系统。其中仿真模拟以二维非恒定水 力学模型为基础，采用无结构不规则网格，能够反映城区复杂地形、地貌和建 筑物等特点，模型可与气象部门的雨量监测和预报信息相结合，直接利用降雨 信息进行城区沥涝仿真模拟，并实现了城市暴雨内涝的地面积水与管道水体相 结合的模拟，它所提供的市区暴雨沥涝过程、积水分布、积水深度、积水时间 等计算结果，可为各级领导减灾决策和市民防灾等提供依据和参考；仿真模型 的信息前后处理系统，使仿真模型更加完整和实用，通过管理仿真模型的各类 信息，实现信息的查询和修改等各项功能【1 7 1 1 8 】。刘俊等在分析上海市杨浦区城 市防汛问题的基础上，设计了其防汛决策支持系统，并开发了基于g i s 的城市 1 4 第2 章排水管网模型研究 地面积水的动态显示系统：系统可迅速、可靠和正确地模拟城市雨情、水情、 灾情的发展过程和可能后果，为城市防汛决策提供多层次的信息服务和多种支 持手段【1 9 1 。 此外，岑国平将美国伊里诺斯城市排水模型引入到我国，并用实验证明该 模型能够满足要求1 2 0 l 。王喜冬分别应用h y d r o w o r k s 和m i k e l l 建立香港岛南区 市政雨水管网系统模型和郊区排洪沟系统模型，并对水文水力模型进行了校准， 另外，他还应用i n f o w o r k s 3 0 对香港岛污水管网系统总体规划进行了研究f 2 1 】i 捌。 高林峰应用i n f o w o r k s 水力模型软件建立了上海市污水治理二期工程中大型污 水输送系统的水力模