（市政工程专业论文）城市排水管网系统模拟方法和应用.pdf

攘葵 撼要 城市排水管网系统遐重要的城市慕础设旄，也是城市水污染防治和城市排渍 防涝憋嚣千工程，对漓除窥减少城索道蹿积拳、奢瀛测管道溢流簿内涝灾害蕊挥 着重囊蠹鼋蟹垒绦簿豫刘。建立城毒攘泰警嘲系统横麓魏匿酶整模攒或颈测系缆中 各部分鞠拳漉浚漉，黻德黠辩承系统进行管理朝控制。魏罄诗冀枫鼓零、溺络技 术和邂信技术等信息拽术的飞速发展，城市排水管嗣事业信息化管理带来了的机 遇窝携蕊，镬撵拳譬瓣拳力模型瓣建童襄现撬稼警遴技拳斑鞴袋海褥戆。建立城 市摊水管黼系统模鼙怒寨现城市摊求管鸸系统蓿息纯管理的璧簧途径。 本文针对城市排球管网系统水力模型的建立，首先总结了阑内外城市排水管 隧系统模型的研究璐状爱应磊发展，系统造阐述丁藏市排承管鼹系统的应篇背 景、糕念殿势粪等。冀敬，分析了撵瘩管鬻系统数学模型搦溅和技零方法，辫中 结合绺毒镇浚建模囊际需要，赣澍建模中数据羹蘩毪爱数据鬻隶警润蘧，进行 了排水管网模型的数搦需求分析，提出了动态水力模型的数据分粪和收集方法体 系，势缓霸煞蠛毒播承管阚建模工捧提袋技米支撩，菠竣集数攥的避程蔓翥羚辩 幢和针对矬；撵提出鬃黼二缀嬲缭鲶褥的排承监测蒜统，默获褥攘型校验麟需酶 水力运行数据。然后，分析了s w m m 模型的建模原理和技术方法。 豢蒜，亵摊求管醚臻统建模理论与秀法研究的基醚上，褥s w m m 模型应餍 予黝誉羔城嚣摊求管嬲系绕建模，赫摸鼙熬惠鼗殿应蘑进行了研巍。提爨了鼍 括基磷装掇搜集与录入、汇承予流域澍分、模型参数翩迭鹈模掇博鳙设诗努瓣麴 排水管网囊用建模方法。模拟情境基于城市暴雨强度公式，应用芝加哥过程线模 型台舷彳誉煎亟瑗羯辫簿薅情境，烈瓣承管瞬进簿遗器懂定流动淼模撤分析。裙步 建立了器市主城送撵水管藤系统摸囊，霹鸯摊承管两系统滕薨髅麓赫慧蒋详嚣 及系缆瓶颓识别提供科学依据和参卷。 燕键溺；摊拳管湖，承为建模，s w m m 模黧，动态攒擞，管麟汇瀛 a b s t r a c t a 8 s 彳霆a e 繁 u r b a ns e w e s 举t e mi s 麟i m p o r t a n t 辫睡o fu r b a ni n f r a s t m c t u r a if a c i l i t i e s ，黼w e l l a sk e yc n g i n e e r i n gf o rp r e v e n t i n gw a t e rp o l l u t i o na n dd i s c h a r g i n gw a s t ew a t e r i t p i a y sas i g n i f i c a n tr o l ei ne l i m i n a t i n ga n dr e d u c i n gu r b a n w a t e rd i s a s t e r s 。w i t ht h e f a s td e v e l o p m e n to fi n f o r m a t i o nt e c h n o l o g ys u c ha sc o m p u t e rt e c h n o l o g y , n e t w o r k t e c h n o l o g ya n dc o m m u n i 龆t i o nt e c h n o l o g ye t e , 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 n d r a i n a g en e t w o r k sh a v e b e e nf a c i n gc h a l l e n g e sa n do p p o r t u n i t i e s ，a n db u i l d i n g h y d r a u l i cc o m p u 镪rm o d e l 鹣獬嚣t r u e 。t h ep 赣錾嘲瓣o fu r b a ns e w e rs y s t e mm o d e li s t 0s i m u l a t eo rf o r e c a s tt h ef l o wc o n d i t i o n si n 妇d r a i n a g es y s t e m s ，i no r d e rt om a n a g e a n dc o n t r o lt h es y s t e m 。 m o d e l i n gt h eu r b a ns e w e rs y s t e m 魏。嘲e 器a ni m 辨r t a n t a p p r o a c ht or e a l 溉t h et h es c i e n t i f i em a n a g e m e n to f u r b a nd r a i n a g en e t w o r k s 髓姆t h e s i si sa i m e da tt h ec o n s t r u c t i o no fu r b a ns e w e rs y s t e mh y d r a u l i cm o d e l ， f i r s f l y , t h ec u r r e n tr e s e a r c hs i t t i o na n da p p l i c a t i o nd e v e l o p m e n to ft h e m a ns e w e r s y s t e mm o d e li nh o m ea n da b r o a di si n t r o d u c e d ，a n dt h ea p p l i c a t i o nb a c kg r o u n d ， c o n c e p t i o na n dt y p eo fu r b a ns e w e rs y s t e mi sa l s o 抵f i b e db yt h en u m b e r s 蚋n d l y , c o m p o s i t i o no fm a t h e m a t i cm o d e l sa n dt e c h n i q u e so fs e w e rs y s t e ma r e a n a l y z e di nd e t a i l s 。r e l a t e d 橱t h ec a s eo f 黥e n j i a n gm o d e l i n g , t h i st e x tc o n s t r u c t sa d a t ad e m a n d i n ga n a l y s i sf o rt h ed r a i n a g en e t w o r km o d e l ，a n di n t r o d u c e st h ed a t as o r t a n dc o l l 搬i o nm e t h o do fd y n a m i c 热舛r a u l i cm o d e l s ，耧：。i 雕迸n 露泌s 硅e 瓤姊i 鼯鹅d a t a i m p o r t a n c ei nm o d e l i n g , s oa st op r o v i d ear e f e r e n c ef o rt h ef u t u r em o d e l i n g a n da s e w e r a g em o m t o r i n gs y s t e m 赫氇t w o - s t a g en e t ：s t r u c t u r ei s 蛹s e di nt h i st e x t 。蓄昧镳 t h em o d e l i n gp r i n c i p l ea n dt e c h n i q u e so fs w m mm o d e lh a v eb e e na n a l y z e d f i n a l l y , o nt h eb a s i so fm o d e l h a g t h e o r i e sa n ds t u d i e sa b o u tl ku r b a n 髋涮嚣s y s t e m ， t h es w m mm o d e li sa p p l i e dt ot h eu r b a ns e w e rs y s t e mm o d e l i n gi nt h ec e n t r a lz o n e z h e n g j i a n gc i t y 袖嚣r e s e a r c hi sm a i n l ya b o u tt h ee s t a b l i s ha n da p p l i c a t i o no ft h e m o d e l i ti n 馆o d u c e sap r a c t i c a lm o d e l i n gm e t h o df o rt h eu r b a nd r a i n a g en e t w o r k s , 磷鼬i n c l u d e s 魏臻d a t ac o b e c t i o na n di n p u t t i n g ，s u b - c a t c h m e n td e l i n e a t i o n , i n i t i a l s e l e c t i o nf o rm o d e lp 蝴m e t e r s , a n ds i m u l a t i o ns c e n ea n a l y s i se t c b a s e do i lt h es t o r m i n t e n s 姆e q u a t i o n , f i l es i m u l a t i o n 鬻褡懿e m p l o y sc h i c a g oh y d m 鲫hm o d e lt o s y n t h e s m e d i f f e r e n tr a i n f a l ls c e n e sw i t hd i f f e r e n tr e t u m 牌r i o d sf o rd y n a m i c s i m u l a t i o n 剃a n a l y s i so fu n s t e a d yf l o wi nt h es e w e rs y s t 燃a 两m a r yu r b a n d r a i n a g em o d e lh a sk 蛐b u i l du pi nt h ep e r i o d ，i tp a np r o v i d eas c i e n t i f i ce v a l u a t i o n 鼗 a b s t r a c t f o rt h ew h o l es e r v i c ep e r f o r m a n c ea n di d e n t i f yt h eb o t t l e n e c k f o rt h ei n t e g r a t e d d r a i n a g en e t w o r k s k e yw o r d s ：d r a i n a g en e t w o r k , h y d r a u l i cm o d e f i n g , s w m mm o d e l ，d y n a m i c s i m u l a t i o n , p i pf l o w 毽 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：舯盏 2 司年5 月2 。e t 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 网济大学学位论文原剖性声明 奉太郑重声甓。所呈交的学擅论文，是奉人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明霹l 用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人刨侔的、己公开发表或者没有公开发表的 作品的内容母对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个入和集 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贲任 由本人承担。 签名；嘈盏 2 呵年3 月 第1 章绪论 第1 章绪论 重。l 排水管网系统动态模拟的目的和意义 薹。熏。1 动态横撅的背景 ( 1 ) 城市排水管网工程建设 城市排承嚣嬲盖程设施憝童要麴城市基础设施，也是城市承污染蹲治赧城市 瓣漩防涝、防洪瀚静干工程，攥承工程设藏建设酶好鞣，盏接影晌城市酶发震求 甲，影响城市景观、卫生环境和投资环境，甚至关系剽城市的安全。 目前，我融贼市排水管网普及率，按服务面积计算约为7 0 左右，排水管 迸慧长鏖重熏秀菰黼，瓣水管道密度5 7 6 k m j l 心n ，万太蠹霄瓣承管遴长瘦5 。5 k j n ， 与芏业发达因家栩比差距较炎，如伦敦、融黎、莫斯科等普及率先重，东索 为9 7 ，万人占有排水管道长度为4 0 k m 。排水管网建设费用相当昂贵，直径1 。6 米的大中型混凝管道，每公里造徐在5 元左右，祗量，要维持它的正常运 行，簿年也需要笔糨当大熊开支瑟1 1 2 1 。2 0 3 6 中国城市污承楚瑾建设信患发布会 上，预计我国叫卜一五”期间将脊3 0 0 0 亿元燕右资金投向污水处理设施建设领域， 其中管网的宪薷占总投资的邸，成为投赞重点，促使相关部门更需黉科学、有 效地使用资金，实糯投资效盏的最佳他。 城市的高速发展，对排承系统的要求也越来越高，垒犀各大城市的市政设藤 建设非常频繁，尤其是城市摊水管网的新逢、现有排水系统的改扩建速度快、规 模大，饪务捆獭繁重。并显现有排水管斓是运期排承鹩燕要设施，对现有排拳管 网管理豹工佟爨舄薪建或改扩建排承管网辩设诗工俸壁檑蹴，对捧承管网系统的 管理工作的比重也越来越大。怎样充分利用有限的资垒，建好工程，科学管理好 城市排水管网鬃统，成为研究的重要课题。 2 城豢内涝灾害 随着城市他进程的加快，一方面，由于屋顶和硬质地面等不渗透面积的大幅 增加，出现地表入渗水量变势、地表粗糙系数变小、洪水总量增多、洪峰流量加 犬、洪承汇流时闯绩薤、地裘径流量增大、涎流速度变快、洪峰出现对闼提蘸等， 使褥城市蠹涝黪摊蓍条件赧测慧纯，更爨产生涝灾；努一方谣，我溪攮多城市的 排水管网系统趣期服役，暴雨期间不能迅速有效地排除雨水，使得市隧严重积水， 不仅造成环境瓣染和资源浪费，也给城市交通及市民生活带来极大不使。 运年来，诲多城帝耱继频繁避瑗道路积水阀题，严蘸阻挠了城市交逶，于扰 社会生活秩序蒋城市内涝灾害的报道。隗知，2 0 ( 0 年7 月1 0 日北京城区骤降一 纂1 鬻绪逢 场大雨，导致部分路段严重积水，市隧交通严重受阻，几近瘫痪( 来自新京报) ； 2 0 0 5 年8 月裙上海市遭受台风“麦莎”的侵袭，青送内8 4 条道路积求成患，给枣 民离褥带来较太不蘧来爨中因上海隧；2 0 0 6 年彳篼翔醴，受暴豳影嫡，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巾心多处路段积 水，汽车开过好似飞艇( 来自新华网。我国城市困前普遍存在道路积水的问题， 城市暴蔫灾害已发震戒淹城市酶内涝灾害。 图1 1 城市内涝灾害现状阑 排承餐礴系统酶丈鸯建设，是解浃城市内涝阀题酶最耋萎鲶手段之一，新鞭， 近年来，擂水系统建设越来越受到重视，如今年南索市投入1 9 0 0 万元改造排水 管臃，保障备类排水设施宪好，增强抗御台风、暴随等恶劣天气的髓力( 来国中 羼建设德患拳工韭薅；武汉将投入3 证衾元姿会镬武汉三镇个逢藤必渍鳃“霪 灾区”在荦内摆脱渍水，提高相关路段的排雨能力来自中国麓源网) 。 排水管网系统作为主鬻的城市排水设施，对减轻和防止这类城市型水灾害起 着举足轻囊的作用。然露襻水管羼在鳃决这类闯愿蛉时候已经攀羼限于工程方 法，还需巍分剩蹋现代信感搜术，运过隋承径流爨的窦懿监控鞠建竣城市浃求预 测与预警系统等非工程方式，与工程措施相结合，齐头并进，热阑防治现代城市 的内涝灾害。 ( 3 城市撵拳管麟蒸统赫德惠攘术 计算枫科学作为当今新技术的带热学科和先导技术，强有力地推动世界备行 业的信息化发展。计算机在城市排水管网系统领域的应用，处在不断探索发展的 群期，g i s ( j 耀信息系统、m i s ( 管理信感系统、觏i s 专家信息幕统、c h m ( 诗 算概承为模型等信患技术鳃开发和赢瘸，为计算枫蕉城市蒜窳警网系统专照矮 城的应用开拓了广阔的前景1 2 j 。 排水管网模型是城市捧水管网系统信息化技术的棱心。驾前，城市排水管网 系统的话慧纯技术主要包括捺拳g i s 、捧水s c a d a 系统藕城市捧拳警蹲摸型互 个部分，箕美系如图1 2 所示。排水g i s 明确城市排水管两系统的存在形式，排 2 第1 章绪论 水s c a d a 系统鼗豕城市排水管嬲系统的运行情况，两排承管网模型则可以预测 城市接水管网系缆霹戆发生什么情况，捧拳g i s 耨瓣承s c a d a 系统愚撵窳管网 模溅的基础，提供布局、数据等基础信息；排水管网模熬可以重现历史和现实的 排水管网运行状态，也可以预测摊水管网系统在未来时期内的运行状态，通过对 建撬结果进行势概处理，为飙剡设计翱管灌决策提供科攀的参考羲据。 隧l 。2 撵采警网僖惑纯芙系囤 另外，由予城市排水过程和管理的复杂性，为了实现排水管网系统的管理， 对鬻承径漉、警遴汾拳汇流的笺杂过程毒渍晰髂认识，盛须借助理找髂患方法帮 技术芋段对该过纛进行准确模拟和预测。困就，浦褒出了上酉种城市撵瘩警网动 态模拟模型，用于雨水管网、合流制管网和瓣水管网的规划、设计以及运行管理， 重点集中在限制黼求和合流制蒸统溢流次数朝流量及研巍溢流污水的最佳处理 途缝哺，清除蠛枣蠹涝积拳，激选蓦减少激流基，减少管遵超载和缝飚淹承，减 少滋流的污染负赫，降低暴雨造成的城市危害，合理剥用水资源等多鬟西标。 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 和骞个其律王程辩学技术豹缝合，甚至霄人将2 藿超纪称乏谲模掇援恭的避纪。 采篇计算橇模拟拽术对排承管黼进行德纯设计，改进传统竣计方法，提高其设计 标准和可靠性；澍已建成的城市排水管网进行科学的信息化管理，使意充分发挥 效盏，是给水摊承科技工作者和城市排水管理部门蠹勺一项艰巨的任务。 3 繁1 橐绪谂 1 1 2 动态模拟的意挝 在穗隰传统酶城市排水管阕热划设诗稠管理过程孛，均莱褥恒定流拳力学淫 论诗冀瞽网的汇流过程，戳经验公式为主进行管邋隶力计冀，采用恒定滚的缀设 仅能近似地表示管网内的水流状态，而不能表示管网内水流的赢实状态，熙不能 表示管网惠水流随时阀的变化过程。褒城市排水篱网的设计和运行管理孛，很多 情况下需要瑟对簪鹂幽承流翡真实状态帮水流隧时阕的变张避稷。而且露藏也没 有采用管道水力测量技术，通过实测流量水位等对理论计算设计结果进行骏诞， 因此在排水系统的规划设计中，不可避免地产生较大误差，致使我国多数城市的 排求管麟系统存在不嬲程度酶缺陷。比如零l 起广泛关注的污拳处理厂低受蘅运行 甚至开辩簿停根本不运行，是因为按照传统方法计算设诗瀛壁，导致拳羹预测过 高而造成；以及各大城市出现的道路严重积水，阻碍交通，内涝泛滥，合流污水 溢流，排水设施的频繁改扩建等城市摊承管网系统一系列鲻愿，都与落后的设计 管理方法糨美。 针对传统的以恒定流为基础，经验公式、理论计算和图表分析为手段的传统 水力计算方法不能解决的排水系统襻在的问题，只有采用水力模型( 专业软件) 和实测流量承位瓣水管藤鳖瓣为正其酶动态模搬分橱方法冀8 麓提出煮效的解 决方法。 因为普及非恒定流模拟技术的腱用还需要一定的时间，目前可以采用动悫模 拟模型对设计的排水管网系统进行校攘，如此不仅提高管网设计的可靠性，对予 焉求调繁竣施和撵永泵站的设诗也露壤太实际意义嘲。 另一方面，在排水管网系统运行管理中的作用蒋更为突出，不仅可以重现排 水系统过去的运行表现，还可以预测系统未来的运行情况，实现管网系统的黛实 模拟、查找超负荷簧段鞠势瓣城市弑水原因，漱褥海藏索撵求篱阐系统戆管理和 改造提供科学依据。 重。2 课题研究的内骞和方法 排承管网系统模邂的研究藕成闱是我国城市排水行业实现岛动纯、信感化的 关键内容之一，也是当前我国城市排水事业所面临的新挑战。本文将围绕城市排 水管阕系统的动态模撖模型进行探游，主要内容魏下： 重) 分析我国城市排水管爝蘩统现状，铬瓣存在熬翅憨提出运惩城市摊水 管网系统动恋模拟模型。 ( 2 ) 对排水管阏模型的相美概念进行介绍，并对国内外研究历史和现状进 褥了精纳慧缡。 排承管道水力模拟，主要用于耩建排永黎统的设计和对现舂系统的努 耩，对予新建系统的谶计，在特定条件下，确定掭水系统各顼物理特缝，以保证 系统今后的合理运行；对现有系统的分析模拟重点解决如何降低管道过载和地面 滋泰懿程魔，调整管邋麴流量藕究满度等舞遂，模型串主要默管瓣汇瀛计算势主， 郯管道中水流运动韵演算，由上游逐渐向下游演算，确定系统的流量过程线，分 橱系统工作状态。 3 承旗模披，圭要预测各静污染耪缀分瓤努教鹩邋方集绪、滓洗剿摊东 管道、污水处理厂和爨纳水体的迁移过程中的浓度变化，模拟排水系统特定位置 鲶污染物浓度随时鲻的变他，遴焉用戳改善系统性熊，健纯萘缝中污絷糖豹滞簿 情况嘲闭。 水质模拟模型中一般都含肖水文水力学模块，因为污染物的迁移过程和水 流运动密甥糯美，蕊殴流量模搬是承质模擞熬基硪，它鳃精旒程度直接影蝻承囊 模拟的准确性。水文模拟和水力模拟都是对水量进行模拟。本文的主要研究对象 是捧水管网系统流量的动态模拟。 排水管阏模型就怒对实际摊承管潮系统原型鹩抽象与概纯，旨在备种模拟情 境下，根据城市流域的降雨径流规律和排球管网汇流规律，利用现代水文学、水 6 第2 章排水管网系统模獭的发展和现状 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科学决策。排水管 网模型基于这糕瀚翁提，即在霹接受靛精度藏围态，宅翱熊复制漤现实情况下捧 水管网系统的基本性能。 排水管网模型是采用数学建模与计算机模拟相结合的方法研究城市排水管 惩暴缝的规划谶诗、运行控制、维护管理、羧扩建等工程舔节鳃基本王其。其露 标鼹实现上述各个工程舔节的避优能。 2 。l 。2 模型分类 攘摄建摸是的鞠建模方式蒜游不圈，模型类嬲也幂阏，大致有如下凡类湖： l 确定饿模型和统计性模型，确定憔模型的每一个输入参数对魔一个确 定的结果值，而统计性模型中一个输入的对应值不止一个，确定性模型建立在守 健定律的基础上，毽括魏量寄镌和质量守馕，模拟一维豹求瀛动状态；相对予确 定性模型，统计牲模型麴解灵灞健较差，戮为统计关系建立于反映特定室闻分布 的数据资料，如果有不同特征的空间分布形式或过程，就需要重新设计数据建立 薪的关系，统计性模型只能用于粗略的估计分析，或者在确定性模型闽资料欠缺 霜秃法使溪酶翡擞下，才麓溺统谗往模型。 ( 2 ) 分布式模型和集中模型，集中模型不考虑输入值盼空鲫分布因素；分 布式模型则包禽丁空间变量。据研究统计，大部分城市排水管网系统模型都是确 定链塌 鹰式模型。 i | = 3 ) 概念壤型糯经验模型，经验貘囊即檄据一定鬃黪实测姿料经观测推导 出相关变量的函数关系；概念模型则是以物理定律为基础建立的。 ( 4 ) 事件模型和连续模型，事件模型用于短时阈媳模拟少数或者单一暴雨 事转，适阕于寨瓣设施的设诗，隧爱运行拣嚣模攒；连续摸型模拟一个流域长时 闯内的全部水平衡情况，包括闷降雨和季节降雨，是承资渊规划模型的基础，通 常用来估计各种蒸础构筑物在冀生命周期内的费用成本。 5 ) 承萋模型释本震模型，承量模型耀数学关系武蓑达管网承瀵的连续缝 和照量寄恒；拳旗模型用数攀燕系表达管鬻水质物理纯学生物等交他规律。 ( 6 ) 宏观模型和微观模型，前者只模拟摊水管网的研究属性，而幂模拟排 求管闷构造；蜃脊既模拟摊水管潮的研究属性，又模拟排水管网的构造。 警静态摸型、推动态摸凝帮动态棱黧，这是壤攒攘水管网模囊审时阈变 薰雾寡而定义的，静态模型由于最终会述剿稳态，也称为稳态模型。 2 。重3 模型应用 ( 重规划庭捌 排水管网模型在规划方面的应用主要表现在对现状殿未来排水管网系统的 纂2 章搂泰喾网系统摸攀的浚襞察瑗糗 水力负荷诊断以及改造、规划方案评估和优化两个方面。具体内容包括：计算分 析排水管瓣局部各部分的水力负荷，如排放口、裂站、截流管域千管系统等，以 及诊馘丈褥舞或局都瓣承警穗拳隽翘题懿起因；评待降蕊辩瓣道路积拳情况，璐 及入流，入渗和溢流情况，确定排水筲网水力负荷缺陷；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 酶规模耩靠羼，译髂和饶纯合流制管飘溢流控制方案；评德新歼发缝区，滚水嚣 域土地剥埔丈型项麓对瀛城内排求管麓设施的彩嘲；详估流域内排承管两茂遴方 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 摊拳罄溺模型在设诗方面酶癍瘸圭要表瑰在竣诗方案详信和瓣求设施设诗 尺寸优化方面。具休表现为：对送域性排水管网改造和规划方案、雨水集蓄方案、 合流污水滋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 网走两等工程设计骞寨；针对确定麴捧拳警线警嚣舞震方案，褰满足承力受耩的 条辞下，撬拖设计最寸，设计坡度等。 ( 3 ) 控制应用 排水管网模型禚控制方面的疲用主要表现为在线监控与管网运行辅助擦制。 冥俸袭现为：流域之阏戴于管之鲥魏流量调配谬德、运行控裁策略评德和裳施在 线运行控制；泵站之润、排水构筑物之间的水流联动控制策路评估和实施运行在 线控制；针对排水管网监测系统监测的实时数据，计算附近管殿或下游管段的流 量或求使，是运行管蠼和防汛决策提供数据支持，戚妻接参与撬线运行控制。 鼬管理应焉 排球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，估箨预警时间以爱积水位置、程 度，预测瘦惫捻险方案效果；赞簿临时情提、户线报装和篱都规划变更露增麓的 流量，计算接驳点附邋管段和下游筲段的水力负荷，拟定最毽接驳方案。 2 。2 排水管网系统模型的发震 2 2 1 模型理论的发展 1 9 世纪末至2 0 世纪中叶，一藜剽重要的水变水力数学摸型( 也包括一些水 力模型) 籀继提出，奠定了城泰拳文学发晨懿理论蒸穑。这些数学模型琶；括燕维 南方程缀( 薹8 7 1 ) 、璺宁公式( 1 8 8 9 ) 、推求面平均降雨量的泰森多边形法( 1 9 1 1 ) 、 等流时线法( 1 9 2 2 ) 、皮尔逊i i i 型曲线选配频率曲线( 1 9 2 4 ) 、单僮线法( 1 9 3 2 ) 、 m u s k i n g u m 法( 1 9 3 5 ) 、综台单位线1 9 3 8 ) 、洛杉戳过程线摸蘧( 1 9 4 4 ) 、指数 方程表达靛器蔫强度公蔑1 9 5 0 ) 、瞬瓣单位线法1 9 5 7 ) 、避承翟过程线露洼 8 第2 章摊水管网系统模型的发展和现状 ( 1 9 5 8 ) 、芝加哥过程线模型( 1 9 6 0 ) 、砸瀑l 法计算程序1 9 6 3 ) 、m u s k i n g u m c u n g e 瀵( 1 9 6 9 ) 等l 姒2 越。 2 。2 。2 计算机模型的发展 勰世纪哟年代开始，一些基于计算枫歼发的水文，承力模型黯续接出。最 早雀求领域应阕酶是l i n s l e y 和c r a w f o r d 稽发昀斯毽福模型( s t a n f o r dw a t e r s h e d m o d e l ，s w m ) ，这是一个应用子水资源领城的计算机连续模拟模型( 程序) 。而 真藏标志着城市排水计算机建模歼端的是1 9 6 9 - 1 9 7 1 霉幽美国e p a 赞助，梅特 卡失。壤迪公蜀黼琏、美翻承囊漂公司骝跹) 翱粥罗里这太学( u o f 等 联合开发的s w m m 模型。隧聪，伊利诺新城市排永区域模拟模型( i l l u d a s ) 、 s t o r m 等模型也相继问世。此后，国外研究者还开发了许多城市雨洪过程线模 型嗣城市瘵洪摸拟模型，伊剥诺褥求管道系统模拟模烈( 嚣s ) 、水文计算模型 ( h s p ) 、d r 3 m 。q u a l ( 美) 、l a v r e n s o n ( 澳、c a r e p a s 法、s 德、 r a t i o n a l ( 饿) 和w f p ( 粪) 等1 1 2 1 1 1 孤。该时期的城市摊水管网模型的研究热 潮对于后来的城市排水管网模型软件的开发奠定了理论基础。 墼纪辩零找，城市搏水管霹模型中嚣始整合舔瓣及图形预簸理鞠后拥 工模块，大大翻强彳模型豁输入和输遗动熊，但模型韵离都结构或模黧的理论基 础变化不大。譬如，x p s w m m ( x ps o f t w a r e ，1 9 9 3 ) 就有一个图形界面用于对 e p as w m m 4 。0 获得的输入或输也数掘进程预处理或后加王。建模手段豹进步虽 然攀影响模型赫耩度或理论基襁，僵提离了模型赫使翔效率。 之后，随着w i n d o w s ( 视窗) 图形界面操作系统的嫩现，使得城市排水管网 模型软件的用户界面更加友好，有利于城市水文分析方法的普及。商业化运作的 城帮摊瘩管翳模型软搏也耦继戡现，翔逮虿城市瓣拳管隧横翌麓应翔遴程。圜前， 国辨许多排水管瓣赛型软髂的开发与运棒飘经走上商韭纯发展的道路，其中开始 进军中国市场的有英国沃林福特( w a l l m g 如r d ) 软件公闾的i n f o w o r k se s 软件， 丹袭承剩研究所d m ) 的m o u s 嚣( 最蓊版雹含在m i k e - u r b a n 中) 以及美国奔 特凳b e n t l e y 霖海思德，h a e s t a dm e t h o d s ) 熬s t o r m 、s e w e t c a d 等。 2 。2 。3 模型的应用发展 国磐的排球管蹲动态模掇模型经历了网十多年的发展，已经走上了成熟他， 商娩德，市场纯憋遂路。不霞褥限于该冒麴捧承系统建设和管理，瞧致力予邀界 备豳的排水系统建设和管理，在城市防洪预警，污染治理和水资源利用方面发挥 作用。 *， 捧拳管闲模燮撵为蠛市捧水管理的羹冀分析和决薰辅助互具在西努国家 多年的笈展历程审得到了充势的肯定。特别是邀纪鳓年代以来。随着计算机 第2 章排承管弼系统模犁的麓餍和现状 健能的提海、w i n d o w s 操作蓉统酶发震戳及求力模拟较件黔不断完善、篝线检测 技术帮设备的发展究善，排承管瞬模型的建立和威用在发逡酒家有檄大发展。其 间，西方凰家已经完成了从传统的经验分析方法到以排水管网模型为主要分析工 其酶现代窳力模糍势橱方法的逮渡。譬酶，发达潮塞许多城帮蟊建立了隶力模燮， 并利用水力模型进行城市排水系统的规划、设计和管理，部分降雨丰寓的发展中 国家，如隰西、马采蒋亚、寨阗帮孟趣撼匿等圜也都不同程度地开展了城市排康 管网模型麴建模帮寝阕工作1 4 1 。 2 。3 国黔排承管鼹系统模拟软件 发达国家从世纪6 0 年代起就开始研制城市排水管网模型，以满足城市摊 拳、黪洪、环壤治理等各方嚣酶要求。簸早致力予城市妻辫拳模型研究的霉家畜羹 凰、英凰、法国、德国和澳大剩亚，以及发展中因寡俄罗额牡2 1 。这些模型有的 是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枫构使用； 翕麴当今蕊业纯建穰软件麴雏影囊薷生；有静瓣避经或正袭被淘汰。模羹根据需 求的不同，可能是单一的水文模型、水力模型以及水质模型，也可能艇水文、水 力与承质综合性模型。以下将介缨世界上邋较著名麴几个模型： ( 熏s t o r m 模型 s 1 d 懿m 模型是美国工糕师协会水文工程中心的蓄水、处理、溢流、径流模 型，能够摸拟城市流域赡径流翱污染受赫，适蔫予筑划鼢羧封撵水流域长期径滤 过程的模拟。这是一个运用小时时间步长的连续模型，同时也可以用于单一事件 模拟，慕个流域的稳流仅仅是上游予流域裰流的累积，不熊演算该瀛域麴径流过 程线，雳小时薄两瓷料柬模掇七个暴蓠管理组成成分：降瓣，径流，犟季流量， 污染物累积和冲刷，地表腐蚀，处理率和截流蓄水。 s t o r m 是一个准动态模裂，应用修蒌推理公式法进翁拳变计算，提供三种 径流计算方法：系数方法、壤综合覆盏法和单德过程线法。该模型商三个主要 功能：计算污染负荷和污染浓度；模拟地表腐蚀；辅助设计蓄水和处理设施，但 爨其参数麓鼹测承文过程线棱礁掇圈愚，往往苓謇羁收集楱藏黼需要大量基础瓷 料。 该摸塑应用予二十世纪七十荦我和夕k + 年代初期，曾霸于旧金出圭撵求系绕 消除合流系统溢流的设诗 s ：l i l 2 1 1 瓣。 ( 2 ) 公路研究所模型( 觏r l ) 谈模型窿英国懿w a t k i m 予1 9 6 2 年发表。窀燕葵国公熬璜窕所( b r i t i s hr o a d r e s e a r c hl a b o r a t o r y ) 的科学与工业研究部综合研究计划中的一个城市汇水区域 模型，通常称为髓l 菰羹。该模懿在美国称必r r l ，也有人称萁隽r r l m ( r o a d 第2 章排水管网系统横犁的发展和现状 r e s e a r c h 纳媚翻搿圣璺。如1 ) 。糕发布之霸起，该模型在樊嗣获得了广泛地应用。 1 9 7 4 荤t e r s t f i e p 鞠s t a l l 介绸麴、由伊利落参州承姿源调舞两采扇酶 t h ei l l i n o i s u r b a nd r a i n a g ea r e as i m u l a t o r ( i l l u d a s ) ”就是t r r l 的改进版本。 t r r l 以城市区域的降雨过程作为输入，根据时间一两积径流演算方法( 等 流瓣线) 诗算建襄径流过程线。该模型砥黻瘸予连续攘撅，霆更多鹩怒律药基予 基于降丽事件翡摸叛模型使用。该模型的一个缺点是它镁设对地表径瀛番贡献的 排水区域面积仅仅是与管道系统直接相连的芥透水区域。因此，该模型对于峰值 流壁和径流总量的储诗可能会编低。但硼鼍魏瓢的一个重要特点是它毙够搬容易地 瘟瘸剿尚未城市纯熟撵隶流域1 1 罐糍。 ( 3 ) 辛辛那提大学模型( u c u r m ) u c u r m ( t h e u n i v e r s i t yo fc i n c i n n a t i 辨龃r _ u n o f fm 删e 1 ) 由p a p a d a k i s 和 p r o d 手1 9 7 3 攀歼发。该攘燮将汇泰区域划分魏牲屣搬运鹃汇求子嚣域，汇隶 予隧域由两种地表类型代表，帮透水区域和幂透水区域。 u c u r m 包括五个子模型，分别用于模拟模型所包括的五个物理过程，分别 是入渗、地表淹蒸、遗表汇藏、摊水边淘流动以及摊水管邋演算。入渗孑模型采 震h o 爨o n 公式计冀入渗率交纯赫线，地表涟蓄采闵翻n s l e y 等提出的露摇。该模 型通过出流水深、洼蓄量和稳定洼蓄量之间的经验关系以及曼宁公式、连续性方 程蒸同求解获得地袭汇流过程线。排水管道汇流演算采用流量过程线滞时叠加法 藏豫秀对淘漂移法。 ( 4 ) m o u s e 模型 m o u s e ( m o d e l i n g o f u r b a n s e w e r ) 魑丹麦水力学研究所( d h i ) 开发的排 承蛰网模拟软释包。m o u s e 搠青多魏模块，可塌来计冀獬水径流、安觐实时监 控糊s c a d a 系绫的在线势橱等。m o u s e 的主要模块链括：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b 粥t e r ms t a t i s t i c s ，l t s ) 、实时 搀测模块( r e a lt m a ec o n t r o l ，熬、磁娥嚣嚣秘屯鲥r 系酬模块戮爱一整独立摸 浃等。 ( 5 ) h s p f 美国环境僳护署的h s p f ( 戳d r o l o g i e a ls i m u l a t i o n 塾r o g t m n - _ f o t t r a n ) 嚣发于 整纪霭年栽巾裁，最初用于农监或农辩隧域广泛蓬溺海的求文和求麓过程豹 模撖，但也可应用于城市区域。它被视为域有效、最综合、最灵活的澎求区域水 文翱承质模型。它能够执行以小时为时间步妖的汇承区域水文和水质连续模拟， 也麟豁模搬她，主壤污染耪麴径瀛过程、巍遵内泰为避程以及沉彀耪和纯学过 程的交互作用。 繁2 章簿泰赣髓系统攘攀黪艘展豢l 现羧 降雨径流模型包括融雪、上下层壤蓄水的平衡以及透水隧和不透水区的地 下水蓄承等。截留、蒸发、土壤拳分蒸发蒸腾以艇壤中水分转移也包括褒水平 衡之巾。深屡地下求藿拳麓够转变戒溪流戆基流。溪流的总瀛鬃等于地表经流藕 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岛曼 宁公式结套的方法。窀可以指示排水管道系统的淹没，并包含水库演算【8 珏1 2 1 1 1 5 l 。 强) 淡捧禳特模型( w a l l i n g f o r dm o d e l 沃裤福特模型早期予1 9 7 8 年幽英国沃林福特水力学研究机构开发，包括降 雨径流模型( w a s s p ) 、简单管道演算模型( 戳糙瓜u s ) 和完整管道演算模型 ( s p i d a ) 、以及求囊模撒模块( m o s ，模型可黻模擞攀瓣和污拳系统或 者雨污裔流污承系统时阉步长为1 5 分钟) ，晕年就广泛瘟闱予黎雨设施酶运行、 设计和规划中。目前的最新版本软件是i n f o w o r l s ( 改进并集成予1 9 9 8 年) ， 专门用于簿污水收集系统和污水处理厂，可以细致、精确模拟黼污水收集系统的 工俸琊壤。l n f o w o r k s 剽露薅搁序鬟贫囊霉l 擎，蘸戮对污泰系统或其穗关的辫 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，躐降 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 管道连接藕复杂酶辅助调控设施等。 径流模块采溺修蘸推理公式法，霹戳蒋藤鐾阉定义隽输入，或者爝深攫一历 时一频率关系和修正惹加哥模型建就人工设计暴雨。程序提供了五个前期土壤湿 度模型，径流靠不透水区、屋面和遴水区之间的分布降雨来估诗，径流量联浃手 地面类型、流域瑗度、演蓄的韧豢秘渗透的连续掇失，魑裹经流麴衰减模撼果属 菲线性蓠承方法。 暴蒲管网中的流撼演算采用马斯京根法和蓬一维南方程，并运用小时步长法 和隐式数学求解方法优纯运器对阌，确僳数学稳定牲，压力簪谴瓣忽略蜀嚣撅速 度镌圣维南方程，函隐戏有隈差分法求解。 w a l l i n g f o r d 模型威用相当广泛，成立软件公司以来用户遍及世界的各个水力 公司，地蠢祆威机构，咨询工司和学恭机构。逅些年来的应用舞铡有逝利时丹玛 流域实孵睹添强搬谴魔决策模型，番港三流域夔隧擦涝巍翅，羁来西亚t a m a n m a y a n g 流域排涝模趟，以及2 0 0 3 年3 月的上海污承排放工程承力仿真模型，模 型含盖了系统全部关键控制结构，包括重力污水渠和地下水道、于渠，拦污栅、 虹吸管，抽水站、搀气鞠排风因、瓣瓣，阀门帮束端鲍水下撵放管道，戳及燕抽 承泵站的复合动态运行工作曲线和复合承泵操棒嗣湿井开戊耄平韵切换，在不 同条件下使用实时控制( 期陀) 功能，可以成功模拟完整的污水管传输系统的操 捧运行l s l l l a l l l 7 1 。 此箨，对于美鬻嚣保局熬暴雨管理搂鳖s w m m 将在戳下攀繁俸重点奔缓。 第2 章排水管网臻鲢模型的发展和现状 2 。4 我国排水管网系统模型的研究疑应用现状 我国戆城帝撵求管网设计与管理都采爆恒定流拳囊学理论，静恋努橱捧泰管 网系统。与当前的城市暴耐模型中，采用的非恒定流计黧方法及动态模拟技术最 太的区别在于，该方法只能给出排水系统的最大过流能力( 设计流量) ，不能计 黧演算出摊承熏统孛承震拳爨随时空的蠹怨过程。 2 。4 1 模型的囱主开发和应用 虽然我羼的城市排水管潮模型研究起步鞍娩，但在消化吸收国外研究成果的 蒸礁上，近荦寨也有一些缀会我国蘑情酶试验性研究成紧逃现。 1 9 9 3 年，岑匿平、詹道遗雅8 l 建立了我国第一个完整的雨水管道衽流计算和 设计模型碱市雨水管道计算模型( s s c m ) ，它由黎街、地表产流、地表汇流、 管潮汇流和飘永篱遒设计等予模型组成。该模型在圆承影响不严重、耩凄要求零 离的情况下，管鬃中鹣流量演算采藤简单的流量过程线滞后叠翔法；翥精度要求 较高时，采用明渠以扩散渡为核心的非恒定流计算方法，模型中没有考虑压力流 霸环状两。该模型主要用于瓣水管道系统麓设计和校棱，也可作为城市次洪模拟 模型，用于城带雨浃的控制鞠爵拳污染防治等；1 9 9 7 零，剃傻| 2 鞠赞瓣城市纯地 区水文特性变化和传统水文分析计算方法的不足，提粥了用于城市化地区水文永 力计算和模拟的城市排水管网模型。该横趔应用于天津试验区，效果良好；1 9 9 8 每，罔玉文l 蚓建立了城枣撑水管网习萎懂宠流模掇模型( c s p s m ) ，将莲扛埴定流模 撒技米应用于我雷城市排永系统的趣划设计和运行管理中，为后续的摊求系统动 态模拟奠定了慕础；1 9 9 8 年，徐向阳剐提出了一个迸裔平原城市水文过程模拟 的数学模型，幽地表产流、地表汇流、管网汇流，河网汇流4 个子模型组成，对 就藤带太平潮撵承夸区蒸洪