城市排水管网水动力学模型的建立与应用①城市排水管网水动力学模型的建立与应用①
李明琦摘要：文章首先描述了水力模型在国际和国内的发展现状，指出采用先进的，以水力模型为主要分析工具的水力模拟分析方法取代传统方法，是解决管网设施不合理规划问题的有效解决方法。随后简单介绍了水力模型的概念，４种基本类型，模型的数据需求，以及模型在规划、设计、控制和管理方面的主要应用。接着从４个方面讨论了水力模型在我国推广应用所面临的现实问题。最后指出掌握和应用水力模型，是我国城市排水行业实现科技进步的一个关键突破口，也是当前我国城市排水行业所面临的新的挑战。关键词：排水管网、规划、设计、管理、水力模型、建模、模型应用、水力模拟分析方法。
引言排水管网水动力学模型（以下简称：水力模型）作为城市排水管网管理的重要分析和决策辅助工具，其作用已经通过其在西方国家３０多年的发展历程得到了充分的肯定。尤其是自上个世纪９０年代以来，随着电脑性能的提高、ＷＩＮＤＯＷＳ操作系统的发展、水力模拟软件性能的不断完善、管线检测技术和设备的发展和完善，水力模型的建立和应用在西方国家得到了突飞猛进的发展。其间，西方国家已经完成了从传统的经验分析方法，到以水力模型为主要分析工具的现代水力模拟分析方法的过度。目前，西方国家的绝大多数城市已建立了水力模型，并利用水力模型进行城市排水系统的规划、设计和管理；而部分发展中国家，如巴西、马来西亚、泰国和孟加拉等国也都已不同程度的开展了水力模型的建模和模型应用工作。
作为世界上最大的发展中国家，我国在这方面的探索和应用已远远落后于西方国家，甚至还落后于同等发展水平的发展中国家。直到目前，我国还没有出现一个有代表性的、符合西方国家技术标准的、成功的水力模型建模和模型应用案例的相关报道。实际上，我国目前对水力模型的认识和使用仍处于启蒙和探索阶段。
由于我国目前仍在沿用以经验公式为主的管道水力负荷计算方法，对城市排水系统进行规划和设计，再加上未采用管道流量测量技术，通过实测流量对理论计算结果进行校核，因此在对排水系统进行水量预测和水力负荷计算时，不可避免的会产生较大误差，致使我国多数城市的排水系统存在不同程度的规划和设计缺陷。其中最明显的表现就是因水量预测过高，致使污水处理厂设施”晒太阳”的现象非常严重。据统计，截止到２００４年底，我国已经建成７００余座污水处理厂，但其中正常运行的只有三分之一，低负荷运行的有三分之一，还有三分之一开开停停甚至根本就不运行＠。对管网设施的不合理规划和设计的根本原因之一就是采用了落后的，以‘经验公式＋理论计算＋图表分析’为工具的传统的水力负荷计算方法。而采用‘专业软件＋水力模型＋实测流量’为工具的先进的水力模拟分析方法取代传统方法，才是解决上述问题的有效解决方法。
１水力模型简介
１．水力模型水力模型是在水力模拟软件平台上建立的，能代表特定的排水系统和流域特征，以及该排水系
５５城市排水管网水动力学模型的建立与应用锄统对外界条件变化所作出的反映的电子文件。水力模型是在电脑内虚拟的排水系统，它是真实的排水系统在电脑屏幕内的虚拟影像，它的表现可以复制屏幕外真实的排水系统的运行表现。水力模型可以定制，以满足不同的使用要求。水力模型既可以重现排水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。２．模型类型水力模型依照其的建立和模型用途可分为四种类型③。（１）简化模型一这种模型一般只包括中等管径（４００毫米）以上的干管，而４００毫米以下的支管除个别积水黑点地区外均被忽略。这种模型主要用于整个流域，或大流域内某个局部的某些特定的规划用途，以及实时控制应用。这种模型能够满足相对准确的模拟干管系统或截留管系统的水力条件的使用要求，但不足以准确的模拟流域内的可能出现的积水区范围和积水的严重程度，也不能用于详细的全流域排水规划研究和支线管段的设计评估。（２）规划模型一可直接通过建模或从简化模型升级得到。主要用于全流域排水系统详细规划研究。这种级别的模型应用非常普遍，它们能够相对准确的模拟管网中、大口径管线系统的水力条件，以及相对准确的模拟流域内的可能出现的积水区范围和积水的严重程度，但对局部地区的水力负荷评估有其使用局限性，不能用于支线管段的设计评估。（３）设计模型一设计模型是在规划模型的基础上，进一步增加目标地区的管线详细程度，以便用于目标地区中等口径以下，支线管段的水力负荷评估和设计方案比较。这种模型能够满足几乎全部水力负荷评估要求，可准确的模拟目标地区可能出现的积水区范围和积水的严重程度，但它们还不能用于模拟管网内污染物分布和变化的评估要求。（４）水质模型一水质模型属于全管网模型。它们除包含了流域内几乎能被包括在模型内的全部管网元素外，还增加了用于模拟管网内水质变化的全部参数。管网水质模型通常与下游河流或水体的水质模型以及污水处理厂运转模型相结合，进行全流域水污染综合评估和规划。这种模型由于其详细程度和精确度最高，建模时人力、物力、财力和时间投入也最大。
２水力模型建立
１．建模要求建立水力模型前，首先要明确提出建模要求。确定建模要求时应综合考虑下述主要因素：（１）管网数据保有率一管网数据保有率是指已掌握的管网数据占全部管网数据的比例；管网数据保有率的高低，是确定模型级别的关键因素；下列保有率指标可供在确定模型级别时参考；
表ｌ一管网数据保有率指标管网数据保有率指标（％）模型等级备注
大管中管小管综合
简化模型７０－８０６０～７０５０～６０６０～７０未知管线可简化，或插值计算规划模型８０—９０７０～８０６０～７０７０～８０非重点管段可省略，重点保留设计模型９０—１００８０—９０７０－８０８０～９０边缘管段省略，多数管段保留水质模型９０一１００９０～ｌＯＯ８０～９０９０～ｌＯＯ基本达到全管网数据建模程度注：（１）小管：管径一＜４００ｍｍ；中管：４００ｒａｍ＜管径＜９００ｒａｍ；大管：管径＞一９００ｍｍ。
（２）管网数据保有率低于６０％，不能满足建立水力模型的最低要求。
５６城市排水管网水动力学模型的建立与应用∞（２）排放系统类型一对雨水和污水分流情况较好的流域分别建立污水管网和雨水管网水力模型；对雨水和污水分流情况不好的流域，建立雨污合流管网水力模型；（３）未来年代模型一除建立现状年代管网水力模型外，还需建立未来年代的管网水力模型，用于评估未来年代管网的水力负荷；未来年代管网水力模型，可考虑按５年为一个时间段分别建立，通常需建立２～３个时间段（即：１０一１５年）的未来年代管网水力模型；（４）模型验证一模型实测流量验证是使模型具备实用价值的必要环节；未经流量验证的模型，只是理论模型，不应具有实用价值；模型验证过程中应视数据情况，对模型做积水历史纪录验证、长期泵站和污水处理厂实测流量验证；对模型做实测流量验证的流量数据可从短期管道流量测量中得到；（５）研究条件一指研究经费、技术人员的素质和项目周期，等等；高级别的模型除要求有高质量的数据支持外，还要求有高额的经费投入，高素质的技术人员，以及较长的项目周期；高级别模型应在拥有高技术素质和丰富经验的高级建模技术人员的指导下完成。
２．数据需求水力模型需要下列四类基础数据：（１）流域特征数据一包括：地理信息数据、流域地表数据、流量基础数据、雨量基础数据、城市规划数据、流域水文数据、水质参数数据，等等；（２）管网基础数据一包括：管网信息数据、排水构筑物数据，等等；（３）模型参数数据一包括：径流参数数据、土壤渗透数据、蒸发系数数据、水头损失数据、流量变化数据，等等；（４）管网维护数据一包括：管网养护数据、管网检测数据、管网控制数据、等等；通过收集排水系统相关数据和建立水力模型，使收集到的基础数据得到分析、整合和浓缩，因此，水力模型是排水系统基础数据和各类基本参数的系统化、科学化的高度集合。它的建立克服了ＧＩＳ模型仅能从空间分布上代表排水系统的局限性，而将水流运动机理等内在因素也包括在模型中，从而更加真实的代表了排水系统。另外，模型运算结果还可以结合ＧＩＳ数据展示在电脑屏幕上，使结果表达更加生动和直观，这些数字化的电脑科技手段是采用传统方法所不可能比拟的。
３水力模型应用
水力模型有两种主要数据计算功能：第一，水力负荷计算功能；第二，污染物浓度计算功能。利用这两种计算功能，可实现下述模型应用目标：
１．规划应用水力模型在规划方面的应用主要集中在现状及未来管网系统的水力负荷诊断，以及改造和规划方案评估及优化两方面，具体如下：（１）对应不同行业、不同排水户的流量排放变化曲线，计算和分析管网各部分水力负荷，如：排放口、泵站、截留管或干管系统等，以及诊断引起大面积或局部管网水力问题的成因；（２）评估雨天条件下的积滞水情况，以及汇入流、渗入流和溢流情况，确定管网水力负荷缺陷；（３）分析、评估、规划和优化管线、泵站和处理厂的建设规模，规划管网雨水存储系统的规模和布局，评估和优化管网溢流控制方案；（４）评估新的发展地区、街区性大型发展项目对流域内管网设施的影响；（５）评估流域性管网改造方案的水力负荷，及初步工程方案比较和优化；（６）评估管道内沉积层的沉积速率和移动情况，以及应用不同的水质变化参数，评估管网内任何位置的水质变化情况；
２．设计应用水力模型在设计方面的应用主要集中在设计方案评估及优化和设计尺寸的确定两方面，具体如
５７城市排水管网水动力学模型的建立与应用∞下：（１）针对区域性管网改造和规划方案、雨水存储方案、溢流控制方案，分析、比较和优化泵站、排水构筑物和管线走向等的工程设计方案；（２）针对确定的管线平面布置设计方案，在满足水力负荷的条件下，优化设计尺寸、标高、坡度，等设计变量；
３．控制应用水力模型在控制方面的应用主要集中在在线监控与管网运行辅助控制，如：调水控制、溢流控制、存储控制等方面，具体如下：（１）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；（２）泵站之间、排水构筑物之间（截留井、导流井和溢流井等）的水流联动控制策略评估和实施在线运行控制；（３）针对管网监测系统测量到的实时监测数据，计算附近管段或下游管段的流量或液位，为制定运行管理和防汛决定提供数据分析支持，或直接参与在线运行控制；
４．管理应用水力模型在管理方面的应用主要集中在预案评估、户线报装流量评估、信息查询和资产管理等方面，具体如下：（１）计算特定位置的流量和液位，估算预警时间以及积滞水位置和程度，预测应急抢险方案的预期效果；（２）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；（３）查询检查井、管段、排水构筑物、泵站、排水户，等等各类排水元素的基础信息，并以平面图、报表等形式输出查询结果；（４）利用储存在水力模型中的建设年代、材质、尺寸和高度等信息，协助制定资产维护计划，以及资产总量和资产折旧等统计报表。