城市排水系统水力模型构建与应用课件

1、城市排水系统水力模型构建与应用城市排水系统水力模型构建实例4城市排水系统1结语与展望6城市排水系统水力模型构建与应用建模过程 标 准化城市排水系统水力模型构建方法3城市排水系统水力模型应用实例5城市排水系统现状及问题21.城市排水系统城市排水系统水力模型构建与应用1.1 城市排水系统城市排水系统水力模型构建与应用381河5249大城市现状混流制排水系统1231污水干管合流干管雨水干管截污管截溢流井拍门闸堰溢流管初期雨水处理污水处理67城市排水系统水力模型构建与应用污水和雨水径流是 有害的，并尽快排 放到城市下游。防止污水污染和雨洪灾害，收集、输送、处理污水和 雨水径流和排放，保护城污水和雨水是

2、2种可利用的水 资源，排水系统起到收集城 市污水和雨水径流并将其处 理、再生和利用,实现城市水 循环和营养物的循环在生物圈中实现水循 环和营养物循环，改 善水环境, 保障水资 源可持续利用，改善 水、陆生态系统过去市水域现在将来1.2城市排水管网系统功能城市排水系统水力模型构建与应用2.城市排水系统问题城市排水系统水力模型构建与应用随着我国经济社会的不断发展和城市化进程的不断推进，人们对居住环境的要求逐步 上升。然而，我们城市排水管网的管理水平较低，排水管网的老化和排水管网连接管线 的复杂化，导致了排水管网的坍塌、污水溢流、城市内涝等问题日益突出。2.1 宏观上的主要问题：缺乏统一的、有效的排

3、水水管网系统的资产信息管理系统；对城市排水设施的建设重视不够，投入不足；污水系统规划不严谨、排水管网建设不完善；排水管网系统管理力度不够；排水系统设计标准偏低，应对超标准降雨的措施力度不够；缺乏全社会公众参与的全方位防灾减灾体系；缺乏对现在管网运行方案的评估，对复杂实时控制方案制定、泵站和管 线系统的改造、扩建和设计提出解决方案的能力，缺乏对设计方案的评估2.城市排水系统主要问题城市排水系统水力模型构建与应用微观上的主要问题近年来，各城市不断加大污水处理系统建设、河涌治理和江河综合整治的力度，水 环境有了明显改善。但仍存在以下问题：排水管网资产“家底”不明：由于管网建设年代久远，依靠传统管理手

4、段，不能 对管网资产有效管理，管网数据、位置等不明确；雨污水管之间错接混接，部分管渠流向不明，上游分流，下游合流，污水流进雨 水管而进入河涌污染水环境；污水管网淤塞严重、部分管渠过流能力不足，污水管渠过流不畅、高水位运行和CSO旱天溢流问题突出；泵站系统运行控制不合理，导致部分污水转输系统运行状况较差；污水管道受腐蚀、受压沉降等影响而产生变形破损，个别地区存在涌水倒灌。为解决排水管网现状问题，有必要利用信息化技术手段。城市排水系统水力模型构建与应用3.城市排水系统水力模型构建方法城市排水系统水力模型构建与应用构建城市排水系统水力模型可以：提高解决排水系统存在问题的能力提高对现状排水系统评估能力

5、提高对管网改造、优化运行、设计方案的评估能力 提高应对突发事件和应急抢险的反应速度和处理能力提高城市排水设施的稳定运行和保障水环境安全能力构建城市排水管网水力模型具有非常重要的意义城市排水系统水力模型构建与应用3.排水系统水力模型构建3.1建模目的：污水管网系统的资产数据管理利用污染源调查、查漏补缺、水利普查获得的管网信息建立污水管网系统基础数据库， 将现状检查井、管渠、集水区、拍门、闸堰等所有管网设施资产集于统一数据库，在水 力模型平台上梳理各对象之间的连接性及高程关系，对资产数据进行有效管理；评估管网系统现状运行利用水力模型对现状管网系统运行状况进行分析评估，找出系统中过流能力不足等瓶颈

6、管段，管道高水位运行及溢流水浸的原因等；优化系统运行利用水力模型制定泵站、闸等排水设施实时运行方案，优化系统运行；设计方案校核利用水力模型校核各种排水管网规划、设计方案，获得最优化设计方案；城市排水系统水力模型构建与应用3.2城市排水管网模型概况3.2.1排水管网模型原理：是对实际排水系统原型的合理 抽象与概化-系统的数字化、功能 化、可视化。通过排水管网模型， 我们能在各种假设情景下，根据城 市的地表降雨径流和排水管网的汇 流规律，模拟城市排水管网系统的 运行特征，掌握城市排水管网的运 行规律，以便对排水管网规划、设 计和运行管理做出科学的决策。城市排水系统水力模型构建与应用基于非恒定流模拟

7、技术的水力模型是一门集城市排水工程、 计算机技术、自动化技术为一体的信息化技术。排水管网水力模 型是指将管网物理属性数据、地理信息系统（GIS）与圣维南方 程组、曼宁公式等一系列相关联的水文学、水力学的理论公式抽 象出的一整套数学模型，包含污水排放规律、降雨模型、地表产 汇流模型、节点入流模型和管道转输模型等，各模块之间有机结 合，是一个时间序列函数组合，可以延时仿真模拟排水管网中真 实准确的水流状况。排水系统水力模型分析计算原理城市排水系统水力模型构建与应用圣维南方程组-非恒定流模拟非压力流管渠美国SCS法 压力流管渠城市排水系统水力模型构建与应用3.2城市排水管网模型概况3.2.2 排水管

8、网模型的发展：城市排水计算机建模开端的标志：1971年在美国环保署（EPA）的支持下，梅特卡夫-埃迪公司（M&E）、美国水资源公司（WRE）和佛罗里达大学（UoF）等联合开 发了SWMM模型。随后，一系列城市排水模型相继问世，包括伊利诺斯城市排水区域模拟模型（Illinois Urban Drainage Area Simulator,简称ILLUDAS）、美国陆军工程兵团水文工程中心开发 的储存处理和漫游模型（Storage Treatment Overflow Runoff Model,简称STORM）等。 期间国外研究者还相继开发了许多城市雨洪过程线模型和城市雨洪模拟模型，伊利诺雨 水管

9、道系统模拟模型（ISS）、水文计算模型（HSP）、DR3M-QUAL(美)LAVRENSON（俄）、CAREPAS（法）、QQS（德）、RATIONAL（俄）和WFP（英）等。近几年来，双排水模型（Dual drainage modeling）开始在城市排水模型领域内得到开 发和应用。城市排水系统水力模型构建与应用国内外排水管网建模软件概况国外：DHI公司的的MOUSE和MIKE URBAN；美国Bentley（奔特力）公司的SewerGEMS；美国EPA的SWMM；英国Wallingford公司的InfoWorks CS；国内：岑国平等建立了雨水管道计算和设计模型（SSCM）周玉文建立了排水

10、管网非恒定流模拟模型（CSPSM）清华大学规划院开发的数字排水软件（DigitalWater）城市排水系统水力模型构建与应用城市排水管网地理信息系统（GIS）排水管网节点流量建模排水管网水力演算模型排水管网模拟模型的基本结构3.3城市排水水力模型构建方法（1）.水力模型的基本构成 ：城市排水系统水力模型构建与应用数据库 拓扑结构输入数理原理输出选择建模软件确定排水管 网系统模型 的研究范围获取和输入排水管网系统基础数据划分汇水 子区域建立节点 流量模型进行结果后处理 和可视化显示设置模拟选项 与执行模拟(2).排水系统水力模型的构建流程：确定排水管网系统模型的边界条件确定建模项目预期目标进行灵

11、敏度分析、校准和检验城市排水系统水力模型构建与应用建模技术路线：(3). 排水管网建模的技术路线：城市排水系统水力模型构建与应用排水管网水力模型校核的技术路线：城市排水系统水力模型构建与应用(4).排水系统水力模型应用的技术路线目标确定收集基础资料现状评估调蓄容积入流位置 末梢泵规模整体系统计算缺口管网、泵站水厂、水量、水质、 历史水浸、降雨、用地性质、 人口、河涌断面等截 污 能 力C S O河 涌 标 准管 网 标 准是否满足 要求是OK否改进方案截污管？调蓄池？ 改造？拓宽河道？OK实施效果评估调蓄、分 流及运行 终端污水 厂规模是否满足 要求是否改进方案实现规划目标水力 水质 模 型建

12、立 模型计算分析全过程特征年设计降雨强度设计降雨产汇流模型管道转输模型河涌水位边界水力 水质 模 型计算分析全过程城市排水系统水力模型构建与应用降雨-径流模型管网汇流模型水 力 模 型降雨模型径流模型产流模型汇流模型流域蒸发地表填洼植被截流土壤下渗(5).水力模型的输入：旱流污水模型城市排水系统水力模型构建与应用污水排水曲线根据分属性污染源实测排水曲线进行初始设置。下图是五种属性污染源（居 民类、商业类、行政事业单位类、医疗类和学校类）实测典型排水曲线。城市排水系统水力模型构建与应用计算评估排水系统排水标准时，常利用暴雨强度公式 和降雨时程分配，形成强度设计降雨。雨型及降雨过程线城市排水系统水

13、力模型构建与应用排水管网现状评估排水管网养护中的管道清淤分析排水管网养护中的事故应急分析134排水管网升级改造方案设计和评估2排水管网规划方案制定和模拟优化分析5排水管网户线接入方案设计与评估6排水管网雨天溢流分析与管理7排水管网雨天水浸风险等级分析93.4水力模型的功能城市排水系统水力模型构建与应用排水管网结构分析84.排水系统水力模型的构建实例城市排水系统水力模型构建与应用4.1 模型范围已完成市中心城区八个 污水收集系统的水力建 模4.某城市排水系统水力模型的构建城市排水系统水力模型构建与应用污水系统片区面积（Km2）污水主干管长度（DN800以上）Km污水干管长度（DN400DN800

14、）Km污水厂 建设规模 万吨/日195117.84203.05552168395.017655.938130392110.4131.7504107142.7123.442054589.42160.14206175283181371403972275832041826015合计114219531942298城市排水系统水力模型构建与应用4.2. 水力建模平台基于Wallingford CS软件平台建模城市排水系统水力模型构建与应用管线分析一期污染源普查 数据（管线）模型校验SHP格式数据修补测数据监理管网基础资料 不合格合格管网模型拓扑 结构一期污染源普查数据（流量）分配节点流量自来水计量节点流

15、量实测水量水位数据不合格合格模型应用4.3水力建模流程图城市排水系统水力模型构建与应用拓扑结构搭建 技术路线制定标准化污染源摸查查补普查数据监理数据库项目组是否满足要求数据终端、唯一出口检查、数据更新模型基础数据成果正确、全面不正确管网属性统计图表、管道结构问题 分析统计、管渠混接问题分析统计、 污染源截污现状分析统计等成果4.4 模型拓扑结构城市排水系统水力模型构建与应用制定水力建模标准编制了建模标准，包括配置文件主题库SQL查询库建模软件操作标准手册。4.5 模型数据库标准城市排水系统水力模型构建与应用根据模型计算需求、运行管理 需求，制定各种排水构筑物： 如检查井、排水管、拍门、出 水口

16、、闸门、泵站等静态数据 源属性表4.6 模型数据库的建立城市排水系统水力模型构建与应用模型数据库中心城区5个污水系统排水管网图城市排水系统水力模型构建与应用4.7 模型校核4.7.1校核方法与标准校核方法:利用关键节点的监测数据对模型进行校核（率定和验证），保证 模型下阶段使用的可靠性。校核标准:英国排水系统水力模型工程师职业规范中模型校核指标要求城市排水系统水力模型构建与应用4.7.2动态数据实测及分析于2011年9月至2011年11月、2012年3月至2012年4月对中心城区污水系统上66个关键入 流点流量、水位、流速等指标进行旱天实测，用于模型校核，同时摸清了各主管旱天水 力运行状态。城

17、市排水系统水力模型构建与应用流量、水位、流速测定仪实测数据：关键管段处，实测管网 流量、水位、流速， 每15min输出一个值， 连续监测2天广州市市广政州工市程市设政计研工究程院设计研究院Guangzhou Municipal Design & Research Institute城市排水系统水力模型构建与应用4.7.3 参数初始设置（粗糙系数、沉积物）管段沿程水头损失系数（N）：按室外排水规范进行初始化设置。局部水头损失系数：利用CS软件推断工具。管道沉积物设置：初始设置重力流管道沉积物厚度H=10%D；城市排水系统水力模型构建与应用广州市市广政州工市程市设政计研工究程院设计研究院4.7.4

18、模拟计算与参数调整调整参数：沉积物厚度管道粗糙系数节点流量模型校核结果：（Q计算Q实测）允许误差（H计算H实测）允许误差（V计算V实测）允许误差城市排水系统水力模型构建与应用7981364.7.5 模型校核模型验证被校核的模型需要作进一步的验证，以检验模型模拟输出结果的精度。一共有六组监测数据，分别 为LM1、LM2、LM5、LM6、LM7和LM9液位数据用于模型验证。各泵站前池液位拟合较好城市排水系统水力模型构建与应用利用实测动态数据对模型进行率定调参和验证输出满足使用要求。4.7.6 模型率定与验证城市排水系统水力模型构建与应用5.排水系统水力模型的应用实例城市排水系统水力模型构建与应用水

19、力模型的应用地区软件应用模型区域简介奥地 利Innsbruck市排水管网模型的建立区域面积2500公顷， 总管长240km英国Wallingford软 件对Drogheda镇合流管网建立水力模型镇区域面积1300公 顷，人口3.5万香港Wallingford软 件评价香港雨水与污水系统的标准方法；分洪 隧道台湾雨水排水系统模型深圳SWMM模型， 河流水质模型建立了深圳河湾地区的排水系统规划模型， 对深圳河湾地区水环境影响评价区域面积34800公 顷，人口265.4万北京SWMM模型对小区雨水管理进行了建模评价，北京奥运 中心区雨水系统进行设计评价区域面积1600公顷上海大型污水处理工程，干线改

20、造，调蓄池建设 等广州Wallingford软 件污水管网水力建模区域面积1142km2， 总管长10303km5.1排水系统水力模型的应用实例城市排水系统水力模型构建与应用某市利用水力模型分析中心城区五大污水系统20092013年，为了实现排水系统资产科学管理、现状分析、优化运行、辅助 调度，借助水力模型平台，将市中心城区534km2纳污范围内7819km排水管网录 入模型数据库，建立广州市五大污水处理系统水力模型。数据成果：排水管网总图、污染源截污情况分布图、管网数据问题分布图、细化 分区和关键入流点分布图等。计算分析成果：现状运行负荷图、旱天管网流速分布及淤积风险分布图、管网沉 积物厚度

21、分布图、合流制管网旱季雨季溢流分析、系统改扩建方案评估、系统异常 水量分析、系统运行调度以及系统事故时溢流及应急处理方案等。5.2排水系统水力模型的应用实例城市排水系统水力模型构建与应用5.2.1 排水管网结构分析5.2 排水系统水力模型的应用实例通过模型平台， 可以对管网进 行连通性分析、 上下游（包括 检查井、管道、 服务区）分析， 树状视图分析 和三维分析。上游追踪城市排水系统水力模型构建与应用5.2.2 排水管网现状评估沙河涌超载的主干管总长度为11.3千米，占全部重力流管长33%，超载管段中有8.3%的管段 模拟期间内全时段（24小时）均 处于超载状态 运行。沙河涌主干 管发生超载管

22、段主要分布在天河 立交中山一路，水均岗段军区 幼儿园，寺右新马路珠江口。沙河涌建模范围水均岗段军区幼儿园最不利水力坡度线5.2 排水系统水力模型的应用实例城市排水系统水力模型构建与应用5.2.3 排水管网升级改造方案与评估目的：改造沙河涌西侧截污管水力状况差，旱天高水位运行，旱天CSO溢流污水溢流问题制定方案：取消军区幼儿园U型管，在 岸上（幼儿园）实施DN2000截污管； 拉通寺右路以南两处倒虹管，沿军区 游泳场和珠江宾馆新建DN2000截污管 直接接顺临江大道主渠箱。5.2 排水系统水力模型的应用实例城市排水系统水力模型构建与应用5.2.4 排水管网沉积物分析通过水力模型计算校核以及现场核

23、查， 沙河涌部分合流管渠内存在较为严重 的淤积状况，影响管道过流。根据沉 积物厚度小于15%管径、15%20%管 径和大于20%管径，分三个等级。沙河涌流域广园路以南河涌两岸截污 管、天河直街以及橙基涌暗渠沉积较 严重，建议管养人员对该位置进行重 点清疏管养。5.2 排水系统水力模型的应用实例城市排水系统水力模型构建与应用5.2.5 排水管网旱季合流制CSO溢流分析5. 排水系统水力模型的应用实例城市排水系统水力模型构建与应用5.2.6 泵站运行方案优化对各系统水力 模型进行了旱 天校核，利用 模型制定泵站 运行方案，指 导系统运行。5.2 排水系统水力模型的应用实例城市排水系统水力模型构建与

24、应用5.2.7 排水管网养护中紧急事故应急分析荔湾泵站停运影响分析：荔湾涌流域汇水面积344公顷，总人口约为25万，旱天总污水量 约为15.8万m/d，其中沙基涌泵站上游污水量约为3万m/d，沙基涌泵站到荔湾涌泵站沿 途污水量约为12.8万m/d。为了预测荔湾泵站停运时沿线污水去向及溢流量，利用水力模 型模拟分析旱天时泵站停运时污水溢流状况。边界条件5.2 排水系统水力模型的应用实例城市排水系统水力模型构建与应用5.2.8 排水管网规划方案制定与评估西侧截污管最不利运行情况示意图东侧截污管最不利运行情况示意图5.2 排水系统水力模型的应用实例城市排水系统水力模型构建与应用P=0.5aP=1aP

25、=2aP=5aP=10a5.2.9 雨天污水管网溢流分析与管理不同重现期条件下截污管水位线5.2 排水系统水力模型的应用实例城市排水系统水力模型构建与应用5.2.10 城市水浸等级分析工况 编号降雨水浸 点个 数强度水浸区域分布10.25y4广州大道北（恒骏花园）、京溪路（京溪市 场）、黄花岗、天平架（银利新城）20.5y11广州大道北（梅花园新村）、燕岭路（天河 客运站）、广州大道北（伍仙桥村）、兴华 村（天平架水果批发市场）、东风路（东峻 广场）、黄埔大道南（美居中心）、达道路（军区礼堂）31y16先烈东路（沙河宾馆）、广州大道（水荫四 横路）、广州大道（水荫路）、水荫小区42y22恒福路（汽配城）、天河路（购书中心）、中山一路（金羊花园）、中山一路（广铁集 团）、达道路（八一实验学校）、寺佑路南（广兴华花园）55y25天平架（牛利村）、先烈东小学、永福村610y29水荫路大院、东环大厦、广发花园、东兴南 路不同降雨强度水浸点统计（高强度降雨水涵盖低强度降雨）5.2 排水系统水力模型的应用实例城市排