利用沙湖水动力模型对管网优化进行应用

利用沙湖水动力模型对管网优化进行应用探索摘要：此文叙述了利用武汉沙湖地区管网普查gis数据建立水

动力建模的方法，并利用模型对区域管网优化进行应用探索。首先，简述了沙湖水动力模型的建立过程，然后在假设管网最大运行能力下的前提下，找出管网系统的过载管段，并提出改造方案，对改造方案进行模拟、分析。

abstract: the article is exploration of creation hydrodynamic models on the basis of data from wuhanshahu pipeline gis census and perfection .firstly the whole process, then under the conditions of max capacity, locating the overload section and simulation and analysis of the alteration.

关键词：武汉沙湖，水动力模型，gis，管道分析

key words: wuhanshahu ，hydrodynamic modeles,gis,pipeline analysis

中图分类号：tv131.2 文献标识码：a文章编号：2095-2104（2011）12-0000--00

1.引言

近几十年来，发达国家在污水及雨洪控制方面的水动力分析研

究取得了长足的发展，产生了许多新的理论和技术，也改变着人们对排水领域的设计理念。我国管道水动力研究起步较晚，但近年来已经取得了一些成果。率先取得成功的是北京及上海地区的水动力

模型。2006年武汉排水公司以沙湖为试点建立了沙湖系统管道的水动力模型并予以率定，2007年对沙湖管网进行了分析研究，2010

年以该模型为基础对变更的管道基础数据进行了更新和再率定，并进行了管网优化的应用探索。

2.沙湖水动力模型的建立

2.1概述

沙湖排水系统服务面积达16.9平方公里，区域内包括一个污水处理厂、三个提升泵站、11个排口。管网采用合流体制，其中系统检查井、雨水篦等节点7435个，管道7462根。系统的庞大和复杂。汇水区地表坡度最大为0.279，建筑物多为住宅区，地面多为混凝土表面，绝大部分汇水区的不透水率达80%以上。

2.2建模工具的选择

沙湖水动力模型采用了wallingford公司的info works cs作为建模工具，它是一款功能强大的排水管网水力模型软件。利用其图形分析界面，可以有效预测系统的工作状态，分析合流制雨、污水溢流的特性以及降雨后对环境造成的影响，便于对比各种控制方法。

2.3模型建立过程

2.3.1新管网数据的导入和错误检查

水动力模型数据是以管道实测的arcgis数据为基础的。模型需要的数据主要包括:管网空间位置、节点高程（即x、y、z）、管径、管道上游底高程、下游底高程、系统类型和节点类型、流向等。

导入后的数据会存在一系列的错误，利用info works cs的查错功能，查找错误，然后核对gis数据或现场调查，对模型数据进行逐一纠错。

2.3.2 新旧模型的调整

新数据导入后，将其与2006年的模型对比调整，主要检查新旧管网的连接性。方法是利用info works cs的追踪功能，对管网的上、下游连接进行追踪，以检查流向和管网的连接性能。

2.3.3汇水区的建立

汇水区的建立分成两部分：雨水汇水区的建立、污水汇水区的建立。雨水汇水区主要考虑的因素是地形、道路、管道流向，可以利用arcgis的工具对雨水自然汇水区进行粗略的划分，然后根据实际汇水情况进行局部修改。污水汇水区主要根据汇水区使用类型（住宅或办公）、道路、管道流向进行划分。最后将雨水汇水区和污水汇水区进行叠加，形成完整的汇水区模型。

2.3.4 边界条件的调查

调查区域内污水处理厂、排污口、闸口以及提升泵站在相应水位下的运行和调度方案，并对模型中的相应条件进行设定。

2.3.5 模型参数确立

模型中的数据包括参数据有四个方面的来源组成：第一部分是模型根据输入的基础数据计算得到的，如井筒平面面积、坡度、管长等；第二部分，根据国内外文献或标准，参考设定，如混凝土管道的曼宁系数、径流系数等；第三部分，根据wallingford公司的

建议参数取值，如水头损失系数等;第四部分，根据实际调查评估，如汇水区小区的平均人数等。

2.3.6模型整合

模型的整合是将模型管网系统、污水曲线、雨水曲线和其它边界条件、运行参数据等进行整合的过程，这个过程是模型得以按研究者的思路运行的前提。

2.3.7计算模拟分析

模拟计算考虑了暴雨重现期为0.33年、0.5年、1年及2年时管网的运行情况。发现了在不同降雨强度下，可能产生积水和产生溢流的区域。分析了现状管网的运行瓶颈。

3.管网优化应用案例

本应用是试图运用三个提升泵站的最大的运行能力，在管网沉积淤泥最少，各排水口全部开闸的情况下，即在管网运营的较佳能力下找出问题管线。一般管网的设计都有其合理性，在这种极佳的前提条件下一般不会出现明显的过载管线，如果出现这种管线，那么这段管线就是管网运行亟须改造的地段所在。在这种前提条件的模拟中，管网系统出现两处过载管段，以下案例是其中的一处。

3.1应用案例

图1是在管网最佳运行负荷时，暴雨重现期为2年的情况下，出现管道满流的一段管线的断面图，节点kys1127与节点kys1125间标注部分为存在问题即溢流的管线（以下称：问题管）。

图1.管线断面图

从图1可以看出在2年的情况下这段管道已瞬时超出负载能力。分析其原因有1.存在倒坡。该段管道并没有倒坡现象，但其下游，即图1中粗实线标注的管段存在明显倒坡（以下称：倒坡管）：其上游底部高程为23.624，下游底部高程为24.231。这可能是该段管线出现超负荷的主要原因。 2.管径偏小。但分析之初并不觉得这个因素是主要原因，因为其上下游管径都为d500，而上下游管道都不存在溢流而只是接近满流，如可能的情况下可以考虑加大上下游的管径，但如果倒坡现象改善后仍无法达到要求则必须考虑这个因素。因此首先模拟下游的倒坡管改造后的运行情况。

将图1中倒坡管道的下游底高程从24.231改为23.6。表1为三种方案改造前后管道的数据对比。

从上表中可以看出节点kys1127的溢流情况有所改善，最大溢流量从15m3降到5.2m3,最大溢流深度从0.25 m降至0.109m。但并未达到最佳状态。因此必须考虑改变管径这一方案。图1中问题管管径为d500，方案2是将其改变为d800。

表1三种改造方案管线溢流数据对比

节点管网状态改造前后kys1127参数改造前后kys1127的改善比例

最大溢流量(m3) 最大溢流深度（m）最大溢流量最大溢流

深度

改造前状态15 0.25