徐佳麗+婁強(qiáng)華+許鐵強(qiáng)

【摘 要】城市排水系統(tǒng)連接居民住宅、商業(yè)、工業(yè)以及污水處理廠等，對(duì)城市排水系統(tǒng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)不僅直接關(guān)系到社會(huì)生產(chǎn)生活水平，也會(huì)影響到整個(gè)城市的建設(shè)水平。隨著時(shí)代的發(fā)展，在計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)和信息技術(shù)的支持下，基于城市排水系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)的水力模型軟件得以開(kāi)發(fā)，為解決城市排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)中存在的問(wèn)題提供了解決對(duì)策。鑒于此，本文對(duì)水力模型在城市排水系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)中的應(yīng)用分析具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

【關(guān)鍵詞】水力模型；城市排水系統(tǒng)；規(guī)劃設(shè)計(jì)；應(yīng)用

前言

水力模型是一種研究自然環(huán)境中水動(dòng)態(tài)變化的模型，通過(guò)模型的真實(shí)模擬過(guò)程，可以對(duì)水中物質(zhì)的擴(kuò)散過(guò)程作出科學(xué)的分析。構(gòu)建基于排水系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)的水力模型，主要是為了實(shí)現(xiàn)對(duì)排水管網(wǎng)的優(yōu)化和系統(tǒng)評(píng)估，進(jìn)而保障城市排水設(shè)施的穩(wěn)定運(yùn)行和水環(huán)境的安全。因此，本文主要分析了排水系統(tǒng)水力模型的構(gòu)建以及水力模型在排水系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)中的具體應(yīng)用[1]。

一、排水系統(tǒng)水力模型的構(gòu)建

現(xiàn)階段，城市排水系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)中最突出的問(wèn)題是缺少排水管網(wǎng)的科學(xué)管理和系統(tǒng)評(píng)估體系，致使排水管網(wǎng)坍塌、污水溢流和城市內(nèi)澇等問(wèn)題頻繁發(fā)生?；趦?yōu)化排水管網(wǎng)的建設(shè)要求，本文提出構(gòu)建城市排水管網(wǎng)水力模型具有非常重要的意義。具體而言，構(gòu)建排水管網(wǎng)水力模型的過(guò)程如下：

首先，要確定建模項(xiàng)目預(yù)期指標(biāo)，選擇建模軟件，確定排水管網(wǎng)系統(tǒng)模型的研究范圍。其次，獲取和輸入排水管網(wǎng)系統(tǒng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，進(jìn)行匯水子區(qū)域的劃分并建立基于不同節(jié)點(diǎn)的流量模型，最后，界定排水管網(wǎng)系統(tǒng)模型的邊界條件，在模擬軟件中設(shè)置模擬選項(xiàng)并執(zhí)行模擬過(guò)程。模擬系統(tǒng)可以對(duì)模擬過(guò)程進(jìn)行結(jié)果后處理和可視化顯示，通過(guò)分析排水管網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行的靈敏性，校準(zhǔn)和檢驗(yàn)設(shè)計(jì)方案的合理性。

基于排水管網(wǎng)的水力模型模擬系統(tǒng)具有數(shù)字化、可視化和功能化的研究?jī)?yōu)勢(shì)。水力模型系統(tǒng)能夠根據(jù)城市的地表降雨徑流和排水管網(wǎng)的匯流規(guī)律，模擬城市排水管網(wǎng)系統(tǒng)在各種假設(shè)情境中的運(yùn)行狀態(tài)，進(jìn)而分析排水管網(wǎng)運(yùn)行中存在的問(wèn)題和完善空間，為排水管網(wǎng)系統(tǒng)的管理和優(yōu)化提供依據(jù)[2]。

二、水力模型在排水系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

本文主要以某城市排水管網(wǎng)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)為例，說(shuō)明水力模型在排水系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)中的具體應(yīng)用流程和應(yīng)用效果。某城市排水管網(wǎng)系統(tǒng)十分復(fù)雜，部分管道存在超載、水力狀況差、污水溢流等問(wèn)題。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)排水管網(wǎng)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，改善現(xiàn)行管網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中存在的不足，決定建立排水管網(wǎng)水力模型。通過(guò)分析檢查井、管渠、集水區(qū)、拍門(mén)和閘堰等管網(wǎng)設(shè)施對(duì)象間的連接性和高程關(guān)系，進(jìn)一步完善污水管網(wǎng)系統(tǒng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)。此外，還要對(duì)管網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行現(xiàn)狀中存在的問(wèn)題進(jìn)行全面的評(píng)估，進(jìn)而判斷出管網(wǎng)系統(tǒng)中過(guò)流能力不足的瓶頸管段具體位置，得出造成管道高水位運(yùn)行和超載溢流的根本原因[3]。

具體的應(yīng)用過(guò)程如下：

1.排水管網(wǎng)建模過(guò)程：獲取現(xiàn)狀管網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，初步搭建水力模型。實(shí)地測(cè)量井、泵站和CSO等數(shù)據(jù)，補(bǔ)充附屬設(shè)施的詳細(xì)材料，并通過(guò)雷達(dá)探測(cè)和CCTV實(shí)測(cè)資料合理推測(cè)缺失數(shù)據(jù)信息。劃分集水區(qū)域時(shí)，要著重分析影像資料，調(diào)查或評(píng)估不可透水區(qū)域，保證區(qū)域劃分的科學(xué)性和適應(yīng)性。此外，通過(guò)調(diào)查城市人口資料、土壤資料和工商廢水資料等輸入人口數(shù)據(jù)、工商廢水?dāng)?shù)據(jù)、土地的徑流系數(shù)、入滲量和管壁粗糙度等信息。

2.完整模型構(gòu)建后，進(jìn)行模型的校核、水力分析和優(yōu)化。通過(guò)對(duì)旱天、雨天的流量、流速和水位的測(cè)量，校核旱天、雨天水力模型的實(shí)用性。通過(guò)一些已有的流量數(shù)據(jù)，進(jìn)行模型的歷史校核。水力分析部分主要以氣候變化和歷史降雨數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，進(jìn)行降雨和時(shí)間系列的現(xiàn)狀和未來(lái)設(shè)計(jì)。最后通過(guò)CCTV實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，建立污水管道結(jié)構(gòu)性評(píng)估系統(tǒng)，完成對(duì)模型的改進(jìn)和優(yōu)化。

3.排水管網(wǎng)結(jié)構(gòu)分析。在模型平臺(tái)中利用樹(shù)狀視圖和三維分析等方式，分析管網(wǎng)的連通性和上下游，為評(píng)估排水管網(wǎng)運(yùn)行現(xiàn)狀提供依據(jù)。模型平臺(tái)可以對(duì)排水管網(wǎng)系統(tǒng)各干道超載情況進(jìn)行分類和統(tǒng)計(jì)。例如，本文所研究的某城市排水管網(wǎng)系統(tǒng)中，某區(qū)主干道總長(zhǎng)為37km。其中，未超載主干道長(zhǎng)為25.7km，占比69.4%；由于托頂造成超載的干道長(zhǎng)為5.13km，占比13.9%；由于過(guò)流不足而造成超載的干道長(zhǎng)為6.17km，占比16.7%。通過(guò)可視化模擬過(guò)程可以得出問(wèn)題主干道所分布的區(qū)域，進(jìn)而對(duì)該部分區(qū)域的排水管網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行針對(duì)性改進(jìn)和優(yōu)化。

4.排水管網(wǎng)沉積物分析。通過(guò)水力模型計(jì)算與校核，可以在模型界面顯示出問(wèn)題主干道不同區(qū)域的淤積狀況，得出沉積厚度與管徑的比值范圍。模型計(jì)算系統(tǒng)將沉積厚度劃分為三個(gè)等級(jí)，分別為<15%管徑、15%～20%管徑和>20%管徑。通過(guò)排水管網(wǎng)沉積物的分析，相關(guān)工作人員可以直接觀察到那些區(qū)域干道要實(shí)施重點(diǎn)淤積處理[4]。

5.排水管網(wǎng)旱季合流制CSO溢流分析。模擬系統(tǒng)會(huì)顯示出具體的旱天溢流點(diǎn)，并通過(guò)計(jì)算和分析，得出不同溢流點(diǎn)的溢流水量和具體位置，進(jìn)而生成不同的作業(yè)編號(hào)。例如，通過(guò)系統(tǒng)模擬，得出問(wèn)題主干道中存在明顯溢流點(diǎn)三處，溢流量分別為191、941、11700m3/d，具體位置分別為某花園對(duì)面、某醫(yī)院對(duì)面和某綠化公司對(duì)面。此外，還有溢流量為1368m3/d的其它溢流點(diǎn)，需要進(jìn)一步計(jì)算和分析。

6.排水管網(wǎng)和泵站運(yùn)行方案的優(yōu)化。基于水水力模型系統(tǒng)的計(jì)算和分析，得出排水管網(wǎng)系統(tǒng)中的問(wèn)題干道和泵站運(yùn)行問(wèn)題。為了改善問(wèn)題主干道水力狀況差、旱天高水位運(yùn)行和旱天CSO溢流污水溢流等問(wèn)題，要用DN2000截污管代替部分問(wèn)題干道的U型管，合理降低節(jié)點(diǎn)拉通后截污管水位，改善現(xiàn)狀運(yùn)行。另外，要采用模型制定泵站運(yùn)行方案，指導(dǎo)系統(tǒng)運(yùn)行。

7.分析城市水浸等級(jí)。在模型系統(tǒng)環(huán)境中，通過(guò)改變降雨強(qiáng)度，分析水浸點(diǎn)個(gè)數(shù)，并進(jìn)一步得出具體的水浸區(qū)域分布。例如，在降雨強(qiáng)度為0.25y時(shí)，得到4個(gè)水浸點(diǎn)、0.5y對(duì)應(yīng)11個(gè)水浸點(diǎn)、1y對(duì)應(yīng)16個(gè)水浸點(diǎn)、2y對(duì)應(yīng)22個(gè)水浸點(diǎn)、5y對(duì)應(yīng)25個(gè)水浸點(diǎn)、10y對(duì)應(yīng)29個(gè)水浸點(diǎn)。由此可以看出，隨著降雨強(qiáng)度的增加，水浸點(diǎn)個(gè)數(shù)大幅度增長(zhǎng)。因此，排水管網(wǎng)系統(tǒng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)要考慮到降雨強(qiáng)度的影響，加強(qiáng)水浸區(qū)域抗降水能力，從而不斷提高城市排水系統(tǒng)建設(shè)質(zhì)量。

通過(guò)分析水力模型在城市排水系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)中的具體應(yīng)用過(guò)程，總結(jié)水力模型在城市排水系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)中的作用效果如下：1.解決城市排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)中存在的問(wèn)題，規(guī)避使用風(fēng)險(xiǎn)；2.科學(xué)評(píng)估排水系統(tǒng)運(yùn)行現(xiàn)狀，提出改善和優(yōu)化方案，實(shí)現(xiàn)針對(duì)性整改；3.強(qiáng)化城市排水設(shè)施的穩(wěn)定運(yùn)行，保障水環(huán)境安全等。

三、結(jié)論

綜上所述，隨著人們生活水平的提高和工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展，對(duì)城市排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)提出了更大的要求。在此背景下，利用水力模型優(yōu)化城市排水系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)，規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)，防范問(wèn)題是十分必要的舉措。但是，水力模型在城市排水系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)中的應(yīng)用仍然存在很多不足之處，需要相關(guān)領(lǐng)域研究者不斷對(duì)其優(yōu)化和創(chuàng)新，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)城市排水系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)的科學(xué)性和實(shí)用性。

參考文獻(xiàn)：

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