城市排水系统水力模型构建与应用
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旱流污水模型
降雨模型 水 力 模 型 降雨-径流模型
《
管网汇流模型
径流模型 汇流模型
给
水
排
》 水
流域蒸发 植被截流 地表填洼 土壤下渗
产流模型
广州市市政工程设计研究院
Guangzhou Municipal Design & Research Institute
污水排水曲线
《
给
水
排
》 水
4. 泵站系统运行控制不合理，导致部分污水转输系统运行状况较差； 5. 污水管道受腐蚀、受压沉降等影响而产生变形破损，个别地区存在涌水倒灌。
为解决排水管网现状问题，有必要利用信息化技术手段。
城市排水系统水力模型构建与应用
》 3.城市排水系统水力模型构建方法 水 排 水 给 《
广州市市政工程设计研究院
城市排水系统 水力模型构建与应用 》 水 隋军 排 博士 水 给 《
广州市市政工程设计研究院
Guangzhou Municipal Design & Research Institute
二〇一四年六月
广州市市政工程设计研究院
Guangzhou Municipal Design & Research Institute
全过程
水力 水质 模 型
改进方案 否
计算分析
OK
是否满足 要求 否 计算缺口
是否满足 要求
是 OK
改进方案
截污管？调蓄池？ 改造？拓宽河道？
广州市市政工程设计研究院
Guangzhou Municipal Design & Research Institute
城市排水系统水力模型构建与应用
(5).水力模型的输入：
Guangzhou Municipal Design & Research Institute
城市排水系统水力模型构建与应用
构建城市排水系统水力模型可以：
提高解决排水系统存在问题的能力
》 水 提高对管网改造、优化运行、设计方案的评估能力 排 水 提高应对突发事件和应急抢险的反应速度和处理能力 给 《 提高城市排水设施的稳定运行和保障水环境安全能力
城市排水系统水力模型构建与应用
排水管网水力模 型校核的技术路线：
《
给
水
排
》 水
广州市市政工程设计研究院
Guangzhou Municipal Design & Research Institute
城市排水系统水力模型构建与应用
(4).排水系统水力模型应用的技术路线
目标确定
管网、泵站水厂、水量、水质、 历史水浸、降雨、用地性质、 人口、河涌断面等
城市排水系统水力模型构建与应用
(2).排水系统水力模型的构建流程：
确定建模项 目预期目标 确定排水管网系统模型的边界条件
选择建模软件
建立节点 流量模型
确定排水管 网系统模型 的研究范围
划分汇水 子区域
《
给
水
排
》 水
设置模拟选项 与执行模拟
进行结果后处理 和可视化显示
获取和输入排水管网系统基础数据
进行灵敏度分析、校准和检验
城市排水系统水力模型构建与应用
• 圣维南方程组---非恒定流模拟
非压力流管渠
模型美国SCS法 压力流管渠
《
给
水
排
》 水
求解方法：有限差分法、特征线法、有限单元法
广州市市政工程设计研究院
Guangzhou Municipal Design & Research Institute
城市排水系统水力模型构建与应用
利用水力模型对现状管网系统运行状况进行分析评估，找出系统中过流能力不足等瓶颈 管段，管道高水位运行及溢流水浸的原因等； 优化系统运行 利用水力模型制定泵站、闸等排水设施实时运行方案，优化系统运行； 设计方案校核 利用水力模型校核各种排水管网规划、设计方案，获得最优化设计方案；
广州市市政工程设计研究院
》 水 程组、曼宁公式等一系列相关联的水文学、水力学的理论公式抽 排 象出的一整套数学模型，包含污水排放规律、降雨模型、地表产 水 给 汇流模型、节点入流模型和管道转输模型等，各模块之间有机结 《
合，是一个时间序列函数组合，可以延时仿真模拟排水管网中真 实准确的水流状况。
广州市市政工程设计研究院
Guangzhou Municipal Design & Research Institute
国内： 岑国平等建立了雨水管道计算和设计模型（SSCM） 周玉文建立了排水管网非恒定流模拟模型（CSPSM） 清华大学规划院开发的数字排水软件（DigitalWater）
《
给
水
排
》 水
广州市市政工程设计研究院
Guangzhou Municipal Design & Research Institute
大城市现状混流制排水系统
城市排水系统水力模型构建与应用
3 1 2 5 1
4 6
7
《
给
水
排
3
》 水
2
1 8
1.污水干管 2.合流干管 3.雨水干管 4.截污管 5.截溢流井 6.拍门闸堰 7.溢流管 8.初期雨水处理 9.污水处理
9
河
1.2城市排水管网系统功能
城市排水系统水力模型构建与应用
防止污水污染和雨洪灾害， 收集、输送、处理污水和 雨水径流和排放，保护城 市水域
Guangzhou Municipal Design & Research Institute
《
给
水
排
》 水
城市排水系统水力模型构建与应用
3.2城市排水管网模型概况
3.2.1排水管网模型原理：
是对实际排水系统原型的合理 抽象与概化---系统的数字化、功能 化、可视化。通过排水管网模型， 我们能在各种假设情景下，根据城 市的地表降雨径流和排水管网的汇 流规律，模拟城市排水管网系统的 运行特征，掌握城市排水管网的运 行规律，以便对排水管网规划、设 计和运行管理做出科学的决策。
广州市市政工程设计研究院
Guangzhou Municipal Design & Research Institute
城市排水系统水力模型构建与应用
(3). 排水管网建模的技术路线：
建模技术路Biblioteka Baidu：
《
给
水
排
》 水
广州市市政工程设计研究院
Guangzhou Municipal Design & Research Institute
2.1 宏观上的主要问题：
（1）缺乏统一的、有效的排水水管网系统的资产信息管理系统； （2）对城市排水设施的建设重视不够，投入不足； （3）污水系统规划不严谨、排水管网建设不完善； （4）排水管网系统管理力度不够； （5）排水系统设计标准偏低，应对超标准降雨的措施力度不够； （6）缺乏全社会公众参与的全方位防灾减灾体系； （7）缺乏对现在管网运行方案的评估，对复杂实时控制方案制定、泵站和管 线系统的改造、扩建和设计提出解决方案的能力，缺乏对设计方案的评估
城市排水系统水力模型构建与应用
1 2 3 4 5 6
城市排水系统 城市排水系统现状及问题
建 模 过 程 标 准 化
》 城市排水系统水力模型构建方法 水 排 城市排水系统水力模型构建实例 水 给 城市排水系统水力模型应用实例 《
结语与展望
广州市市政工程设计研究院
Guangzhou Municipal Design & Research Institute
3.2城市排水管网模型概况
3.2.2 排水管网模型的发展：
城市排水计算机建模开端的标志：1971年在美国环保署（EPA）的支持下，梅特
卡夫-埃迪公司（M&E）、美国水资源公司（WRE）和佛罗里达大学（UoF）等联合开 发了SWMM模型。
随后，一系列城市排水模型相继问世，包括伊利诺斯城市排水区域模拟模型（Illinois Urban Drainage Area Simulator,简称ILLUDAS）、美国陆军工程兵团水文工程中心开发 的储存处理和漫游模型（Storage Treatment Overflow Runoff Model,简称STORM）等。 期间国外研究者还相继开发了许多城市雨洪过程线模型和城市雨洪模拟模型，伊利诺雨 水管道系统模拟模型（ISS）、水文计算模型（HSP）、DR3M-QUAL(美)LAVRENSON （俄）、CAREPAS（法）、QQS（德）、RATIONAL（俄）和WFP（英）等。 近几年来，双排水模型（Dual drainage modeling）开始在城市排水模型领域内得到开 发和应用。
《
给
水
排
》 水
城市排水系统水力模型构建与应用
2.2 微观上的主要问题
近年来，各城市不断加大污水处理系统建设、河涌治理和江河综合整治的力度，水 环境有了明显改善。但仍存在以下问题： 1. 排水管网资产“家底”不明：由于管网建设年代久远，依靠传统管理手段，不能 对管网资产有效管理，管网数据、位置等不明确； 水管而进入河涌污染水环境； CSO旱天溢流问题突出； 2. 雨污水管之间错接混接，部分管渠流向不明，上游分流，下游合流，污水流进雨 3. 污水管网淤塞严重、部分管渠过流能力不足，污水管渠过流不畅、高水位运行和
广州市市政工程设计研究院
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《
给
水
排
》 水
城市排水系统水力模型构建与应用
国内外排水管网建模软件概况
国外： DHI公司的的MOUSE和MIKE URBAN； 美国Bentley（奔特力）公司的SewerGEMS； 美国EPA的SWMM； 英国Wallingford公司的InfoWorks CS；
城市排水系统水力模型构建与应用
》 2.城市排水系统问题 水 排 水 给 《
城市排水系统水力模型构建与应用
2.城市排水系统主要问题
随着我国经济社会的不断发展和城市化进程的不断推进，人们对居住环境的要求逐步 上升。然而，我们城市排水管网的管理水平较低，排水管网的老化和排水管网连接管线 的复杂化，导致了排水管网的坍塌、污水溢流、城市内涝等问题日益突出。
提高对现状排水系统评估能力
构建城市排水管网水力模型具有非常重要的意义
广州市市政工程设计研究院
Guangzhou Municipal Design & Research Institute
3.排水系统水力模型构建
3.1 建模目的：
污水管网系统的资产数据管理
城市排水系统水力模型构建与应用
利用污染源调查、查漏补缺、水利普查获得的管网信息建立污水管网系统基础数据库， 将现状检查井、管渠、集水区、拍门、闸堰等所有管网设施资产集于统一数据库，在水 力模型平台上梳理各对象之间的连接性及高程关系，对资产数据进行有效管理； 评估管网系统现状运行
《
给
水
排
》 水
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排水系统水力模型分析计算原理
城市排水系统水力模型构建与应用
基于非恒定流模拟技术的水力模型是一门集城市排水工程、 计算机技术、自动化技术为一体的信息化技术。排水管网水力模 型是指将管网物理属性数据、地理信息系统（GIS）与圣维南方
城市排水系统水力模型构建与应用
3.3城市排水水力模型构建方法 （1）.水力模型的基本构成 ：
数理原理
排水管网节点流量建模 输入
城市排水管网地理信息系统（GIS）
排水管网模拟模型的基本结构
《
给
水
排
》 水
排水管网水力演算模型 输出 数据库 拓扑结构
广州市市政工程设计研究院
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实现规划目标 实施效果评估
收集基础资料 现状评估
建立 模型
特征年设计降雨 强度设计降雨 产汇流模型 管道转输模型 河涌水位边界 水力 水质 全过程 模 型 计算分析
《
是
截 污 能 力
给
C S O
水
排
河 涌 标 准
》 水
管 网 标 准
整体系统
调蓄、分 流及运行 终端污水 厂规模
调蓄容积 入流位置 末梢泵规模
过去
污水和雨水是2种可利用的水 资源，排水系统起到收集城 市污水和雨水径流并将其处 理、再生和利用,实现城市水 循环和营养物的循环
《
给 现在－将来
在生物圈中实现水循 环和营养物循环，改 善水环境, 保障水资 源可持续利用，改善 水、陆生态系统
水
排
》 水
污水和雨水径流是 有害的，并尽快排 放到城市下游。
城市排水系统水力模型构建与应用
》 1.城市排水系统 水 排 水 给 《
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城市排水系统水力模型构建与应用
1.1 城市排水系统
《
给
水
排
》 水
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降雨模型 水 力 模 型 降雨-径流模型
《
管网汇流模型
径流模型 汇流模型
给
水
排
》 水
流域蒸发 植被截流 地表填洼 土壤下渗
产流模型
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污水排水曲线
《
给
水
排
》 水
4. 泵站系统运行控制不合理，导致部分污水转输系统运行状况较差； 5. 污水管道受腐蚀、受压沉降等影响而产生变形破损，个别地区存在涌水倒灌。
为解决排水管网现状问题，有必要利用信息化技术手段。
城市排水系统水力模型构建与应用
》 3.城市排水系统水力模型构建方法 水 排 水 给 《
广州市市政工程设计研究院
城市排水系统 水力模型构建与应用 》 水 隋军 排 博士 水 给 《
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二〇一四年六月
广州市市政工程设计研究院
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全过程
水力 水质 模 型
改进方案 否
计算分析
OK
是否满足 要求 否 计算缺口
是否满足 要求
是 OK
改进方案
截污管？调蓄池？ 改造？拓宽河道？
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城市排水系统水力模型构建与应用
(5).水力模型的输入：
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城市排水系统水力模型构建与应用
构建城市排水系统水力模型可以：
提高解决排水系统存在问题的能力
》 水 提高对管网改造、优化运行、设计方案的评估能力 排 水 提高应对突发事件和应急抢险的反应速度和处理能力 给 《 提高城市排水设施的稳定运行和保障水环境安全能力
城市排水系统水力模型构建与应用
排水管网水力模 型校核的技术路线：
《
给
水
排
》 水
广州市市政工程设计研究院
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城市排水系统水力模型构建与应用
(4).排水系统水力模型应用的技术路线
目标确定
管网、泵站水厂、水量、水质、 历史水浸、降雨、用地性质、 人口、河涌断面等
城市排水系统水力模型构建与应用
(2).排水系统水力模型的构建流程：
确定建模项 目预期目标 确定排水管网系统模型的边界条件
选择建模软件
建立节点 流量模型
确定排水管 网系统模型 的研究范围
划分汇水 子区域
《
给
水
排
》 水
设置模拟选项 与执行模拟
进行结果后处理 和可视化显示
获取和输入排水管网系统基础数据
进行灵敏度分析、校准和检验
城市排水系统水力模型构建与应用
• 圣维南方程组---非恒定流模拟
非压力流管渠
模型美国SCS法 压力流管渠
《
给
水
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》 水
求解方法：有限差分法、特征线法、有限单元法
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城市排水系统水力模型构建与应用
利用水力模型对现状管网系统运行状况进行分析评估，找出系统中过流能力不足等瓶颈 管段，管道高水位运行及溢流水浸的原因等； 优化系统运行 利用水力模型制定泵站、闸等排水设施实时运行方案，优化系统运行； 设计方案校核 利用水力模型校核各种排水管网规划、设计方案，获得最优化设计方案；
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》 水 程组、曼宁公式等一系列相关联的水文学、水力学的理论公式抽 排 象出的一整套数学模型，包含污水排放规律、降雨模型、地表产 水 给 汇流模型、节点入流模型和管道转输模型等，各模块之间有机结 《
合，是一个时间序列函数组合，可以延时仿真模拟排水管网中真 实准确的水流状况。
广州市市政工程设计研究院
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国内： 岑国平等建立了雨水管道计算和设计模型（SSCM） 周玉文建立了排水管网非恒定流模拟模型（CSPSM） 清华大学规划院开发的数字排水软件（DigitalWater）
《
给
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大城市现状混流制排水系统
城市排水系统水力模型构建与应用
3 1 2 5 1
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给
水
排
3
》 水
2
1 8
1.污水干管 2.合流干管 3.雨水干管 4.截污管 5.截溢流井 6.拍门闸堰 7.溢流管 8.初期雨水处理 9.污水处理
9
河
1.2城市排水管网系统功能
城市排水系统水力模型构建与应用
防止污水污染和雨洪灾害， 收集、输送、处理污水和 雨水径流和排放，保护城 市水域
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《
给
水
排
》 水
城市排水系统水力模型构建与应用
3.2城市排水管网模型概况
3.2.1排水管网模型原理：
是对实际排水系统原型的合理 抽象与概化---系统的数字化、功能 化、可视化。通过排水管网模型， 我们能在各种假设情景下，根据城 市的地表降雨径流和排水管网的汇 流规律，模拟城市排水管网系统的 运行特征，掌握城市排水管网的运 行规律，以便对排水管网规划、设 计和运行管理做出科学的决策。
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城市排水系统水力模型构建与应用
(3). 排水管网建模的技术路线：
建模技术路Biblioteka Baidu：
《
给
水
排
》 水
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2.1 宏观上的主要问题：
（1）缺乏统一的、有效的排水水管网系统的资产信息管理系统； （2）对城市排水设施的建设重视不够，投入不足； （3）污水系统规划不严谨、排水管网建设不完善； （4）排水管网系统管理力度不够； （5）排水系统设计标准偏低，应对超标准降雨的措施力度不够； （6）缺乏全社会公众参与的全方位防灾减灾体系； （7）缺乏对现在管网运行方案的评估，对复杂实时控制方案制定、泵站和管 线系统的改造、扩建和设计提出解决方案的能力，缺乏对设计方案的评估
城市排水系统水力模型构建与应用
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城市排水系统 城市排水系统现状及问题
建 模 过 程 标 准 化
》 城市排水系统水力模型构建方法 水 排 城市排水系统水力模型构建实例 水 给 城市排水系统水力模型应用实例 《
结语与展望
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3.2城市排水管网模型概况
3.2.2 排水管网模型的发展：
城市排水计算机建模开端的标志：1971年在美国环保署（EPA）的支持下，梅特
卡夫-埃迪公司（M&E）、美国水资源公司（WRE）和佛罗里达大学（UoF）等联合开 发了SWMM模型。
随后，一系列城市排水模型相继问世，包括伊利诺斯城市排水区域模拟模型（Illinois Urban Drainage Area Simulator,简称ILLUDAS）、美国陆军工程兵团水文工程中心开发 的储存处理和漫游模型（Storage Treatment Overflow Runoff Model,简称STORM）等。 期间国外研究者还相继开发了许多城市雨洪过程线模型和城市雨洪模拟模型，伊利诺雨 水管道系统模拟模型（ISS）、水文计算模型（HSP）、DR3M-QUAL(美)LAVRENSON （俄）、CAREPAS（法）、QQS（德）、RATIONAL（俄）和WFP（英）等。 近几年来，双排水模型（Dual drainage modeling）开始在城市排水模型领域内得到开 发和应用。
《
给
水
排
》 水
城市排水系统水力模型构建与应用
2.2 微观上的主要问题
近年来，各城市不断加大污水处理系统建设、河涌治理和江河综合整治的力度，水 环境有了明显改善。但仍存在以下问题： 1. 排水管网资产“家底”不明：由于管网建设年代久远，依靠传统管理手段，不能 对管网资产有效管理，管网数据、位置等不明确； 水管而进入河涌污染水环境； CSO旱天溢流问题突出； 2. 雨污水管之间错接混接，部分管渠流向不明，上游分流，下游合流，污水流进雨 3. 污水管网淤塞严重、部分管渠过流能力不足，污水管渠过流不畅、高水位运行和
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《
给
水
排
》 水
城市排水系统水力模型构建与应用
国内外排水管网建模软件概况
国外： DHI公司的的MOUSE和MIKE URBAN； 美国Bentley（奔特力）公司的SewerGEMS； 美国EPA的SWMM； 英国Wallingford公司的InfoWorks CS；
城市排水系统水力模型构建与应用
》 2.城市排水系统问题 水 排 水 给 《
城市排水系统水力模型构建与应用
2.城市排水系统主要问题
随着我国经济社会的不断发展和城市化进程的不断推进，人们对居住环境的要求逐步 上升。然而，我们城市排水管网的管理水平较低，排水管网的老化和排水管网连接管线 的复杂化，导致了排水管网的坍塌、污水溢流、城市内涝等问题日益突出。
提高对现状排水系统评估能力
构建城市排水管网水力模型具有非常重要的意义
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3.排水系统水力模型构建
3.1 建模目的：
污水管网系统的资产数据管理
城市排水系统水力模型构建与应用
利用污染源调查、查漏补缺、水利普查获得的管网信息建立污水管网系统基础数据库， 将现状检查井、管渠、集水区、拍门、闸堰等所有管网设施资产集于统一数据库，在水 力模型平台上梳理各对象之间的连接性及高程关系，对资产数据进行有效管理； 评估管网系统现状运行
《
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排水系统水力模型分析计算原理
城市排水系统水力模型构建与应用
基于非恒定流模拟技术的水力模型是一门集城市排水工程、 计算机技术、自动化技术为一体的信息化技术。排水管网水力模 型是指将管网物理属性数据、地理信息系统（GIS）与圣维南方
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3.3城市排水水力模型构建方法 （1）.水力模型的基本构成 ：
数理原理
排水管网节点流量建模 输入
城市排水管网地理信息系统（GIS）
排水管网模拟模型的基本结构
《
给
水
排
》 水
排水管网水力演算模型 输出 数据库 拓扑结构
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实现规划目标 实施效果评估
收集基础资料 现状评估
建立 模型
特征年设计降雨 强度设计降雨 产汇流模型 管道转输模型 河涌水位边界 水力 水质 全过程 模 型 计算分析
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是
截 污 能 力
给
C S O
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河 涌 标 准
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管 网 标 准
整体系统
调蓄、分 流及运行 终端污水 厂规模
调蓄容积 入流位置 末梢泵规模
过去
污水和雨水是2种可利用的水 资源，排水系统起到收集城 市污水和雨水径流并将其处 理、再生和利用,实现城市水 循环和营养物的循环
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给 现在－将来
在生物圈中实现水循 环和营养物循环，改 善水环境, 保障水资 源可持续利用，改善 水、陆生态系统
水
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》 水
污水和雨水径流是 有害的，并尽快排 放到城市下游。
城市排水系统水力模型构建与应用
》 1.城市排水系统 水 排 水 给 《
广州市市政工程设计研究院
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城市排水系统水力模型构建与应用
1.1 城市排水系统
《
给
水
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》 水
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