城镇污水管网模型构建技术指南

城镇污水管网模型构建技术指南1适用范围本指南适用于县级及以上城镇建成区、产业园区的分流制污水管网、合流制排水管网污水输送段的水力模型、水质模型构建工作，涵盖管网普查数据整合、拓扑关系校验、动态参数校准、模拟场景应用全流程，可支撑管网缺陷排查、溢流风险评估、提质增效改造方案优化、运行调度决策等业务场景。乡镇污水管网模型构建可参照本指南适当简化参数精度要求。2规范性引用文件下列文件对于本指南的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，仅注日期的版本适用于本指南；凡是不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本指南。GB50014-2021《室外排水设计标准》GB/T38367-2019《城镇排水管网运行维护技术规程》CJJ181-2012《城镇排水管道检测与评估技术规程》CJ/T553-2019《城镇排水管网地理信息系统建设规范》HJ2035-2013《城镇污水处理厂污泥处理处置技术指南（试行）》《城镇内涝防治技术标准》GB51222-20173术语与定义3.1污水管网水力模型：通过数学方程描述污水管网中水流的流量、流速、水位等水力要素随时间、空间变化规律的数值模型，分为稳态模型与动态模型两类。3.2节点拓扑关系：管网中检查井、接户井、溢流井等节点与上下游管段的连接逻辑，包括接入方向、高程匹配、汇水范围从属关系。3.3参数校准：通过调整模型的粗糙度、局部阻力系数、入流入渗比例等可调参数，使模拟输出结果与实际监测数据的误差控制在允许范围内的过程。3.4旱流污水：晴天时段由居民生活污水、工业企业预处理后排水、公共服务设施排水组成的管网基流，不含降雨导致的入流入渗水量。3.5合流制溢流（CSO）：合流制管网中降雨量超过截流干管输送能力时，混合污水直接排入自然水体的现象。4模型构建基本要求4.1建模精度分级根据应用场景将模型分为三级，各级精度要求如下：一级精度：适用于城镇级管网整体规划、中长期提质增效方案编制。模型覆盖主干管、干管及管径≥300mm的支管，拓扑准确率≥90%，水力模拟相对误差≤20%。二级精度：适用于片区级管网改造设计、溢流风险管控、季度运行调度方案制定。模型覆盖所有管径≥200mm的管网及重点区域接户管，拓扑准确率≥95%，水力模拟相对误差≤15%，水质模拟相对误差≤25%。三级精度：适用于管网缺陷定位、小时级调度、应急事件处置。模型覆盖全部管网包括接户管，拓扑准确率≥98%，水力模拟相对误差≤10%，水质模拟相对误差≤20%。4.2建模基本流程统一遵循“数据收集与预处理→拓扑关系构建与校验→模型参数初始化→模型校准与验证→场景模拟与结果输出→模型交付与运维”的标准化流程，各环节需留存可追溯的过程文档。4.3软件工具要求优先选择具备开源二次开发接口、支持多源数据导入、可实现水力-水质耦合模拟的工具，商业软件需符合国家网络安全要求，开源软件需完成漏洞扫描与功能验证。常用工具包括SWMM（暴雨管理模型）、InfoWorksICM、MIKEURBAN、HY-8等，同一项目中软件版本需保持一致，避免跨版本数据兼容误差。5数据收集与预处理5.1基础地理数据5.1.1地形数据：采用建模区域最新的1:500或1:1000数字高程模型（DEM），高程精度误差≤0.1m；建成区需包含道路高程、建筑小区地面高程、河湖水系常水位与设计洪水位数据，河道断面数据时间跨度不超过2年。5.1.2用地数据：采用最新的国土空间用地分类数据，细化到二级类，明确居住用地、工业用地、商业服务业设施用地、公共管理与公共服务用地、道路与交通设施用地的分布与面积，工业用地需标注重点排污企业位置。5.1.3排水体制数据：明确分流制、合流制区域边界，合流制区域需标注截流干管位置、截流倍数，分流制区域需标注雨污混接排查的已知点位。5.2管网普查数据5.2.1节点数据：包含所有检查井、接户井、溢流井、截流井、泵站进水井、污水处理厂进水井的编号、平面坐标、地面高程、井底高程、井深、井类型、接入管段编号列表，坐标采用2000国家大地坐标系，高程采用1985国家高程基准，坐标误差≤0.05m，高程误差≤0.02m。5.2.2管段数据：包含所有污水管、合流管的编号、上下游节点编号、管径（或断面尺寸）、管长、管材、敷设年代、坡度、上游管底高程、下游管底高程、埋深、缺陷类型与等级，管长误差≤0.1m，管径误差≤0.01m。其中管材需明确混凝土管、塑料管、钢管、砖砌管渠等类型，缺陷数据需基于CCTV检测结果录入，二级及以上精度模型需包含结构性缺陷与功能性缺陷的具体参数。5.2.3附属设施数据：包含泵站、闸门、溢流堰、拍门、截流装置的参数：泵站需录入设计流量、扬程、水泵台数、运行水位阈值、启停逻辑；闸门需录入启闭控制规则、局部阻力系数；溢流堰需录入堰型、堰顶高程、堰宽、流量系数；截流装置需录入截流倍数、溢流触发水位。5.3排水户数据5.3.1居民小区：按小区统计户数、居住人数、日均用水量（参考当地供水统计年鉴，取值范围120-200L/人·d）、污水收集率、排水量时变化系数（旧城区取值1.5-2.0，新建城区取值1.2-1.5）。5.3.2工业企业：录入企业排水许可证载明的日均排水量、排水时段、主要污染物浓度（COD、氨氮、总磷等）、预处理设施运行规律，重点排污企业需提供至少1个月的逐小时排水监测数据。5.3.3公共服务设施：学校、医院、商超、写字楼等分别统计日均排水量，其中学校按师生人数取值100-150L/人·d，医院按床位取值400-800L/床·d，商超按建筑面积取值5-8L/㎡·d，时变化系数取值1.3-1.8。5.4监测数据5.4.1水位流量监测：在管网主干管节点、干管交汇节点、泵站进出口、溢流井、污水处理厂进水口布设监测点，一级精度模型监测点密度不低于1个/5km管网，二级精度不低于1个/2km，三级精度不低于1个/1km。监测数据采样频率不低于1次/15min，校准期需连续获取至少15个晴天的监测数据，验证期需包含2场以上不同降雨强度的监测数据，数据完整率≥90%。5.4.2水质监测：重点监测点需同步监测COD、氨氮、电导率等指标，采样频率不低于1次/2h，用于入流入渗识别与水质参数校准。5.4.3气象数据：获取建模区域至少近3年的逐小时降雨数据，包含降雨历时、降雨量、雨峰位置，短历时降雨强度采用当地最新暴雨强度公式计算。5.5数据预处理要求5.5.1异常值剔除：对高程数据中上下游管段倒挂、管径突变无原因、流量为负、水位超出管顶等异常数据，需结合现场复核修正，无法复核的标注为疑似缺陷点。5.5.2坐标系统一：所有空间数据统一转换为2000国家大地坐标系与1985国家高程基准，避免不同坐标系拼接导致的拓扑错误。5.5.3数据标准化：按照模型软件要求格式录入数据，建立唯一的节点、管段编码规则，编码包含行政区划代码、片区代码、类型代码、顺序号四个字段，确保无重复编码。6管网拓扑关系构建与校验6.1拓扑关系自动构建基于节点上下游管段关联属性，通过GIS工具自动生成管网拓扑网络，明确每个节点的入流管段、出流管段，每个管段的上游节点、下游节点，自动识别管网的汇流路径。对于接户管，需关联到对应的排水户节点，确保排水户出流直接汇入对应接户井。6.2拓扑错误自动排查通过工具批量识别以下典型拓扑错误：1.管段悬空：管段上游或下游高程与对应节点井底高程偏差超过0.05m；2.管网倒挂：下游管段管底高程高于上游管段管底高程，且无泵站等提升设施；3.孤立节点：无任何接入或接出管段的节点，孤立管段：上下游均无关联节点的管段；4.反向连接：管段上下游节点标注颠倒，导致水流方向与实际流向相反；5.汇流错误：多个管段接入同一节点但高程差超过0.2m，无跌水设施标注。6.3现场复核校验对自动排查出的拓扑错误、疑似错误点以及重点区域管网进行100%现场复核，采用RTK测量节点高程、管段埋深，CCTV检测管段连接情况，修正拓扑关系。复核完成后，拓扑关系需经排水运维部门确认，形成拓扑校验报告，标注修正的错误点与依据。6.4汇水区划分6.4.1划分原则：根据地形坡度、道路红线、小区边界、管网收水范围划分汇水区，一级精度模型汇水区面积不超过50ha，二级精度不超过20ha，三级精度不超过5ha，合流制区域汇水区需单独标注。6.4.2产流参数赋值：根据下垫面类型赋值产流参数，其中居住用地不透水率取值0.6-0.8，工业用地0.7-0.9，商业用地0.8-0.9，道路用地0.9-0.95，绿地0.1-0.3。入渗参数采用霍顿公式，最大入渗率取值30-80mm/h，最小入渗率取值5-10mm/h，衰减系数取值2-5h⁻¹。6.4.3汇流参数：地表汇流时间根据汇水区面积与坡度取值，面积<1ha取值5-10min，1-5ha取值10-20min，>5ha取值20-30min；管道汇流流速按满管流1.0-2.0m/s估算。7模型参数初始化7.1水力参数初始化7.1.1管段粗糙度（曼宁n值）：根据管材与敷设年代赋值：新建塑料管（HDPE、PVC等）：0.009-0.011；新建混凝土管、钢筋混凝土管：0.011-0.013；敷设10年以上混凝土管：0.013-0.016；砖砌管渠：0.014-0.018；存在结垢、沉积缺陷的管段：根据缺陷等级上浮0.002-0.005。7.1.2局部阻力系数：检查井局部阻力系数取值0.1-0.3，三通、四通节点取值0.2-0.4，闸门全开时取值0.1-0.2，半开时取值1.5-3.0，弯头取值0.2-0.5。7.1.3入流入渗参数：旱流入渗量按旱流污水量的比例赋值，旧城区取值10%-30%，新建城区取值5%-10%，合流制区域雨季入流入渗量根据历史监测数据取值，无监测数据时按降雨量的5%-15%估算。7.2水质参数初始化7.2.1旱流水质浓度：生活污水COD取值250-400mg/L，氨氮取值25-40mg/L，总磷取值3-6mg/L；工业废水按企业实际排水浓度赋值，无数据时按行业排放标准取值。7.2.2污染物衰减系数：COD在管网中的降解系数取值0.05-0.15d⁻¹，氨氮取值0.02-0.08d⁻¹，温度低于15℃时衰减系数乘以0.6-0.8的修正系数。7.2.3沉积物冲刷参数：管段底部沉积物启动流速取值0.5-0.8m/s，冲刷系数取值0.001-0.005kg/(m²·s)，沉积速率取值0.0005-0.002kg/(m²·s)。7.3边界条件设置7.3.1上游边界：所有排水户的排水过程线根据排水量与时变化系数生成，重点企业采用实际监测的逐小时排水过程线。7.3.2下游边界：污水处理厂进水端按实际运行水位设置边界，管网排口按受纳水体的常水位、洪水位设置动态边界，泵站、闸门按实际运行规则设置控制逻辑。8模型校准与验证8.1校准原则优先校准旱流工况，再校准雨季工况；优先校准水位参数，再校准流量参数；优先校准主干管参数，再校准支管参数。校准过程中参数调整需符合实际物理意义，禁止随意调整拓扑关系、管径、高程等固定数据来拟合监测结果。8.2旱流水力校准8.2.1校准指标：节点水位、管段流量、充满度。8.2.2允许误差：一级精度：水位绝对误差≤0.1m，流量相对误差≤20%，充满度相对误差≤20%；二级精度：水位绝对误差≤0.08m，流量相对误差≤15%，充满度相对误差≤15%；三级精度：水位绝对误差≤0.05m，流量相对误差≤10%，充满度相对误差≤10%。8.2.3校准方法：若模拟流量低于监测值，优先调高入流入渗比例，其次核查排水户排水量统计是否偏低；若模拟水位高于监测值，优先调低管段粗糙度，其次核查局部阻力系数是否设置过大；若同一节点不同时段误差波动较大，核查排水户时变化系数是否符合实际排水规律。8.3雨季水力校准8.3.1校准指标：溢流井溢流水量、溢流时长、管网水位上升速率、泵站提升流量。8.3.2允许误差：溢流量相对误差≤25%，溢流开始时间误差≤15min，水位上升速率相对误差≤20%。8.3.3校准方法：若模拟溢流量低于实际值，优先调高汇水区不透水率，其次核查入流入渗比例是否偏低；若溢流时间早于实际值，优先调长地表汇流时间，其次核查管网排水能力是否低估。8.4水质校准8.4.1校准指标：COD、氨氮、电导率浓度值。8.4.2允许误差：二级精度：浓度相对误差≤25%，峰值出现时间误差≤30min；三级精度：浓度相对误差≤20%，峰值出现时间误差≤20min。8.4.3校准方法：若模拟浓度高于监测值，优先调高入流入渗比例（入渗水污染物浓度低），其次核查污染物衰减系数是否偏小；若浓度峰值滞后于监测值，优先核查管段流速参数是否偏小。8.5模型验证采用校准期未使用的监测数据进行验证，验证指标误差要求与校准期一致，若验证误差超出允许范围，需重新调整参数并再次校准，直至校准、验证结果均满足精度要求。校准与验证完成后需形成参数校准报告，详细记录参数调整过程、误差分析、最终参数取值。9典型应用场景模拟9.1管网缺陷排查模拟针对管网运行中出现的水位异常偏高、流量不匹配的管段，设置模拟场景：逐一将疑似缺陷管段的粗糙度提高0.003-0.005（模拟沉积）或设置局部漏损点（模拟破裂），对比模拟结果与监测数据的匹配度，定位缺陷类型与位置，准确率可达85%以上，可减少CCTV检测的盲目性。9.2提质增效方案模拟9.2.1雨污混接改造模拟：将混接节点的雨水接入流量按改造方案剔除，模拟改造后旱流浓度提升比例、污水处理厂进水浓度变化，评估“厂网一体化”提质效果。9.2.2管网更新改造模拟：替换低承压、破损管段的参数，或新增管网段，模拟改造后管网过水能力提升幅度、倒灌点消除情况，对比不同改造方案的投资效益比，优选实施方案。9.3合流制溢流管控模拟9.3.1溢流风险评估：输入不同重现期的降雨数据（1年一遇、3年一遇、5年一遇），模拟溢流井的溢流次数、溢流量、溢流时长，绘制溢流风险分布图，明确高风险点位。9.3.2管控方案模拟：调整截流倍数、增设调蓄池、优化泵站调度规则，模拟不同方案下的溢流削减率，结合投资成本筛选最优管控方案，确保溢流控制达到地方考核要求。9.4运行调度模拟9.4.1旱季调度：根据污水处理厂处理能力、管网水位情况，模拟不同闸门启闭、水泵启停组合下的管网水位分布，避免管网高水位运行，降低漏损风险。9.4.2应急调度：模拟管网破裂、外来水大量涌入等应急场景，模拟关闭上游闸门、启动应急泵站的处置效果，预判水位下降时间、影响范围，为应急处置提供决策依据。10模型交付与运维10.1交付成果要求