城市排水管网模型技术应用.docx

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1、城市排水管网模型技术应用1.模型原理排水管网模型涉及众多的自然和人工设施要素，如地表街道、污水管网、雨水管网、合流制管网、明渠、水库、天然河道等，因此排水管网模型具有结构复杂和模拟参数多的特点。通常，排水管网模型的模拟过程由三部分构成，即地表径流过程模拟、径流污染过程模拟和管网传输过程模拟，如下图所示。图T排水管网模型结构示意图地表径流过程模拟主要是描述降雨事件发生后，汇水区发生的洼地蓄水、蒸发和入渗等径流损失，以及生成城市地表径流的过程，它包括输入降雨过程，计算径流损失、净雨量和地表汇流过程。径流污染过程模拟主要是描述各种污染物组分在地表旱季的累积过程和雨季随径流过程进入到排水管道的冲刷过程

2、。管网传输过程模拟主要是描述雨污水汇流后由排水管网输送到受纳水体或污水处理厂的过程，其核心部分是管网汇流的计算，即管道中水流由上游向下游运动的演算过程，并从中确定系统各节点和管道的流量、水深、流速和水质等状态信息。通过分析国内外雨水系统规划设计方法，在借鉴国外先进技术和经验的同时，结合目前我国目前的经济技术水平和案例实践，在规划设计中的应用雨水系统数学模型的基本流程如下（对于具体案例情况，应对基本流程加以适当调整）：（1）明确研究对象和研究范围：确定研究对象，考虑研究对象与相邻雨水系统的影响关系，确定研究范围。（2）现状资料收集与整理：围绕研究对象，在研究范围内进行雨水系统现状资料、设计资料以

3、及监测资料的收集与整理，为后续工作奠定基础。（3）建立雨水系统模型：雨水系统模型包括现状系统模型和规划模型两类，分别用来进行现状评估和规划方案分析（包括超标降雨风险分析），两类模型构建均包括：标准数据库的建立、模型软件的选取、暴雨雨型的确定、模型参数率定等工作。（4）规划设计标准确定：无论是建成区雨水系统改造还是新建区雨水系统规划，均需要根据实际情况和相关法规要求，确定雨水系统规划设计标准，以指导规划方案的制订。（5）规划方案确定：应根据确定的规划设计标准编制方案。（6）模型模拟评估及优化调整：对于规划方案，应建立规划系统模型，利用规划模型模拟，最后根据模拟结果对规划方案进行优化调整。我国已有

4、较多城市开展了相关建模工作，并取得了一批成果，后续工作应在以上工作成果的基础上进行。在模型构建和测试的报告或者章节中应该包括以下内容：1）模型软件选择；2）数据检查、数据标签设置、缺失数据推断；3）模型简化说明；4）产汇流模型选择；5）模型参数设置（和率定）；6）模型稳定性测试。同时，随着城市开发建设的进行，经过验证的成果模型和实际情况之间会存在差异，模型工程师应对这些差异进行分析评估并对方案进行相应调整。这些差异包括但不限于：1）系统功能性变化，如管渠淤积或清淤导致的粗糙系数或过水断面变化；2）系统结构性变化，如进行管网改造或增加泵闸等；3）地块用地性质变化。2 .模型介绍城市排水管网模型众

5、多，本节主要介绍以国外常用的模型。（1） SWMM模型SWMM模型是一个对城市区域排水系统的水量和水质变化规律进行综合模拟分析的计算机模型。SWMM将城市排水管网系统中的水文和水力要素概化为管线（1ink）、节点（Node）和汇水区（CatChment）三种类型。用非线性水库模型模拟地表径流，用圣维南方程演算管网的输送过程，用累积-冲刷模式模拟地表径流的污染。SWMM模型可用于城市区域降雨径流、合流制管道、污水管道和其它排水系统的规划设计、情景分析和方案评估等多个方面，包括为控制城市内涝而设置的各类排水设施的选择与设计、为减少合流制管网溢流（CombinedSewerOverf1ow,简称CS

6、O）而制定管理策略、为掌握入流和入渗对污水管溢流的影响而进行系统评估、为开展城市非点源污染研究以减少雨季非点源污染负荷而制定控制措施等。在基础数据满足建模要求的前提下，SWMM模型也可应用于非城市区域的分析与模拟。（2） STORM模型STORM模型能够模拟城市或农村地区的地表径流和污染物负荷等对降雨的响应，即可以进行单场降雨模拟，也可用进行以小时为时间步长的连续模拟，一般用于工程规划中对流域长期径流过程的模拟。该模型可以模拟径流、蓄水、溢流、污染物去除和土壤侵蚀等过程。在进行径流模拟时，根据地表特性将汇水区分为透水区和不透水区，径流量的计算可利用径流系数法和径流曲线数值（curvenumbe

7、r,简称CN）法，或将两种方法进行组合，在不透水区采用径流系数法而在透水区采用CN法。采用径流系数法时，径流量可视为降雨量减去截流量的线性函数，不透水区所占比例、透水区和不透水区的径流系数等均是可变的参数。采用CN法时，根据土壤的类别和土地利用特征等资料，可通过CN值计算出土壤的潜在蓄水量(potentia1storage)o利用STORM模型可计算出一系列水质参数(如可悬浮/可沉淀固体、BOD、总氮、正磷和总大肠杆菌)的浓度和负荷，从而为控制降雨径流和土壤侵蚀的存贮和处理设施的尺寸设计提供数据支持。同时，由于该模型的径流估算采用经验公式，也可计算非城市区域的地表冲刷过程。（3） SUSTAI

8、N模型SUSTAIN全称城市降雨径流控制的模拟与分析集成系统(SyStemforUrbanStormwaterTreatmentandAna1ysisINtegration),是美一套用于在城市或开发区流域内进行BMPs选址、布局、模拟、优化的整合决策支持系统。相比于之前推出的BMPDSS规划决策系统,SUSTAIN弥补了其依赖外部地表径流流量和污染物浓度时间序列数据的缺陷，并增加了入渗池、植物蓄流池、砂滤系统、植被过滤带等单体BMPS措施和集成式BMPs,在一个统一的框架下无缝封装了多种可分别模拟城市水文过程、污染物负荷、各种最新径流处理控制措施的模型，对不同尺度的汇水区域进行综合性的降雨径

9、流管理分析。此外，SUSTAIN强化了系统优化模块和后处理模块，可以对一系列可能的方案进行成本-效益分析，优选出最符合实际需求的解决方案，有助于决策者在实现降雨径流管理目标的前提下节约整体费用投资，达到效益最大化。SUSTAIN采用ArcGIS作为基础平台，支持基本的数据管理、BMPs选址、各个不同模块构件的连接，以及与外部模型数据的交互等。除了ArcGIS平台之外，SUSTAIN系统还包括五大功能模块：用地产流模块、BMPS模拟模块、径流输送模块、优化模块和后处理模块。用地产流模块模拟不同土地利用地块的产流时间序列文件，作为BMPs模拟模块的前端输入；BMPs模拟模块包含了十余种BMPs措施

10、单体和集成式BMPs组件，可对不同BMPs措施对降雨径流和径流污染物的控制、处理进行模拟；径流输送模块则对不同地块之间、不同BMPs措施之间或两者之间径流传输的路径过程进行计算和模拟；优化模块基于给定的可变量和优化目标，依托于SUSTAIN自带的成本数据库，通过分散搜索算法、遗传算法等优化算法对不同的情景方案进行比较分析，给出满足目标要求的最优方案；最后，通过后处理模块将优化的结果以降雨径流控制评价、BMPS控制功效总结、优化方案成本-效益曲线等可视化的方式表现出来。3 .模型建立与参数验证通常，排水管网模型的构建和应用流程如下图所示。基础数据的收集和整理是排水管网模型构建的基础，具有重要的意

11、义。在模型构建之前，首先需要对基础空间地形数据、排水管网数据、遥感卫星数据、社会经济统计数据等基础数据进行广泛的收集整理，从而为后续模型构建过程中的属性数据设置、拓扑关系检查及修正等关键步骤提供必要的数据支持。为了使收集的各类数据得到有序可靠的存储和管理，并为模型的应用以及排水管网相关查询分析或决策支持系统的开发提供良好的数据条件，可以参考目前相关技术方法，设计并建立排水管网综合数据库，同时为排水管网的数据管理、网络分析与模型模拟等功能的开发与应用提供统一的数据支持。在排水管网模型构建过程中，通常需要完成三部分工作：（1）模型初步构建；（2）现场监测方案的制定与实施；（3）模型参数的识别。只有

12、基于真实排水管网属性数据与网络拓扑结构进行模型构建，依据真实监测数据进行模型的参数识别，才能使建立的数学模型客观反映排水管网的运行规律，为排水管网的数字化管理提供可信的科学依据。在模型构建的基础上，通过进一步集成开发，可以将模型与相关业务子系统紧密集成，从而实现在各种不同模拟情景条件下，对管网系统的水力和水质的变化规律进行动态仿真模拟，为管网现状评估、管网规划布局方案评估及其它排水管网运行问题的分析与辅助决策提供科学的数据支持。模型的参数识别是模型应用的前提和基础。由于排水管网模型具有一定的空间分布特征,使用单一参数或空间集总式参数进行模拟分析容易造成决策偏差，而将参数进行空间分布差异化，使用

13、多组行为参数进行模拟计算，有利于增强模型参数的物理意义，提高模型对现实规律的解释分析能力，降低环境管理过程中的决策风险。在研究区域基础资料比较丰富、空间数据分辨率较高、监测数据质量较好的情况下，可利用GIS中的空间叠加与地学统计相关分析方法，对关键的模型参数进行“分布式”处理。目前，模型参数的识别方法可以分为两种，即基于优化思想的参数识别方法和基于不确定性分析的参数识别方法。基于优化思想的参数识别方法致力于寻求一组参数使得模型的模拟值尽可能地接近真实值，这些方法致力于通过算法的改进来提升模型参数寻优的效率与偏差。而在模型实际应用的过程中，模型模拟的结果与实测值之间存在的偏差主要是由人们对现实世

14、界认识的局限性、现有监测技术手段的不足、相关资料的缺失等各种因素造成的。基于不确定性分析的参数识别方法使用参数的后验分布来代替单一的优化参数，进而可以对模型输出的不确定性做出估计，与基于优化思想的参数识别方法相比，该方法可以在一定程度上保证模型的可靠性，降低模型使用的决策风险。4 .模型应用应用数学模型，可以有效支撑海绵城市规划设计方案的制定、评估及优化，在规划阶段、设计优化阶段、运行阶段可采用不同的建模策略支持海绵城市建设工作。其中，在海绵城市建设过程中，模型可以应用于辅助规划方案制定及优化、年径流总量控制目标分析及分解、设计方案评估等三个方面。(1)辅助规划方案制定及优化在规划阶段，首先可

15、以利用模型对现状进行评估,模拟计算研究区的年降雨量径流系数，并计算年径流总控制率，通过模拟计算值和海绵城市建设技术指南低影响开发雨水系统构建(试行)中所属分区的年径流总量控制率进行对比，可分析该区域海绵城市建设目标的可达性。针对已有的规划设计方案也可采用模型进行进一步的评估及优化。由于规划设计的评估优化是一项复杂的系统工程，与区域特性关联度极大，且具有较高的弹性度，需根据区域的开发现状、用地特征、地质地形、交通动线等进行调整。因此，在方案设计过程中，需要充分收集研究区域的各项相关资料，并进行综合分析与判别，找出适用的措施及适建区域，完成具体措施的选型、布局与规模设计后，利用模型模拟技术进行方案

16、的评估和最终确定。具体规划流程见下图。*”(*万事图-3规划设计优化流程图在选取适用的低影响开发措施及拟建范围后，进行详细的方案设计，如措施组合方式、尺寸规模、数量等，形成适合的设施布局方窠。结合模型模拟技术对初步设计方案进行调整、评估、优化，并对方案洪涝控制、污染控制、雨水利用、经济成本等主要方面所能达到的效果进行定量分析，最终确定最符合设计目标的设计方案。在实际应用中，还应考虑系统对不同雨型的反应，管网系统可承受多大强度的降雨等，从而综合做出低影响开发措施实施效果的评价。（2）年径流总量控制目标分析及分解由于海绵城市建设总体控制目标的实现依赖于各地块可实施的低影响开发措施来实现，而不同地块的低影响开发设施的规模、强度和关键控制参数存在差异。如果不考虑各个地块之间的措施适用性差异，采用统一的标准、规模及控制参数进行设施布局，则方案将不具备可实施性；如果要充分考虑地块之间的差