城市排水管网水动力学模型的建立与应用.pdf

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