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广州市市政工程设计研究院GuangzhouMunicipalDesign&ResearchInstitute城市排水系统水力模型构建与应用二〇一四年六月广州市市政工程设计研究院GuangzhouMunicipalDesign&ResearchInstitute隋军博士广州市市政工程设计研究院GuangzhouMunicipalDesign&ResearchInstitute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2广州市市政工程设计研究院GuangzhouMunicipalDesign&ResearchInstitute1.城市排水系统城市排水系统水力模型构建与应用广州市市政工程设计研究院GuangzhouMunicipalDesign&ResearchInstitute1.1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12311.污水干管2.合流干管3.雨水干管4.截污管5.截溢流井6.拍门闸堰7.溢流管8.初期雨水处理9.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，保护城市水域污水和雨水是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：（1）缺乏统一的、有效的排水水管网系统的资产信息管理系统；（2）对城市排水设施的建设重视不够，投入不足；（3）污水系统规划不严谨、排水管网建设不完善；（4）排水管网系统管理力度不够；（5）排水系统设计标准偏低，应对超标准降雨的措施力度不够；（6）缺乏全社会公众参与的全方位防灾减灾体系；（7）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：1.排水管网资产“家底”不明：由于管网建设年代久远，依靠传统管理手段，不能对管网资产有效管理，管网数据、位置等不明确；2.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；3.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；4.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；5.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。2.2微观上的主要问题城市排水系统水力模型构建与应用广州市市政工程设计研究院GuangzhouMunicipalDesign&ResearchInstitute3.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广州市市政工程设计研究院GuangzhouMunicipalDesign&ResearchInstitute提高解决排水系统存在问题的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构建城市排水系统水力模型可以：提高对管网改造、优化运行、设计方案的评估能力提高对现状排水系统评估能力城市排水系统水力模型构建与应用广州市市政工程设计研究院GuangzhouMunicipalDesign&ResearchInstitute3.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广州市市政工程设计研究院GuangzhouMunicipalDesign&ResearchInstitute3.2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广州市市政工程设计研究院GuangzhouMunicipalDesign&ResearchInstitute基于非恒定流模拟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广州市市政工程设计研究院GuangzhouMunicipalDesign&ResearchInstitute•圣维南方程组---非恒定流模拟非压力流管渠压力流管渠求解方法：有限差分法、特征线法、有限单元法模型美国SCS法城市排水系统水力模型构建与应用广州市市政工程设计研究院GuangzhouMunicipalDesign&ResearchInstitute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（IllinoisUrbanDrainageAreaSimulator,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（StorageTreatmentOverflowRunoffModel,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（Dualdrainagemodeling）开始在城市排水模型领域内得到开发和应用。3.2城市排水管网模型概况3.2.2排水管网模型的发展：城市排水系统水力模型构建与应用广州市市政工程设计研究院GuangzhouMunicipalDesign&ResearchInstitute国内外排水管网建模软件概况国外：DHI公司的的MOUSE和MIKEURBAN；美国Bentley（奔特力）公司的SewerGEMS；美国EPA的SWMM；英国Wallingford公司的InfoWorksCS；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广州市市政工程设计研究院GuangzhouMunicipalDesign&ResearchInstitute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（1）.水力模型的基本构成：3.3城市排水水力模型构建方法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广州市市政工程设计研究院GuangzhouMunicipalDesign&ResearchInstitute确定建模项目预期目标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确定排水管网系统模型的边界条件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：进行灵敏度分析、校准和检验城市排水系统水力模型构建与应用广州市市政工程设计研究院GuangzhouMunicipalDesign&ResearchInstitute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广州市市政工程设计研究院GuangzhouMunicipalDesign&ResearchInstitute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广州市市政工程设计研究院GuangzhouMunicipalDesign&ResearchInstitute(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CSO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广州市市政工程设计研究院GuangzhouMunicipalDesign&ResearchInstitute旱流污水模型降雨-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：城市排水系统水力模型构建与应用广州市市政工程设计研究院GuangzhouMunicipalDesign&ResearchInstitute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广州市市政工程设计研究院GuangzhouMunicipalDesign&ResearchInstitute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力模型构建与应用广州市市政工程设计研究院GuangzhouMunicipalDesign&ResearchInstitute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143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8广州市市政工程设计研究院GuangzhouMunicipalDesign&Research