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1深圳市防洪设施管理处 广东深圳 518000；
2，3.深圳市中涛环保工程技术有限公司 广东深圳 518000
摘要：本文首先简单介绍了排水管网水力模型的基本原理和所包含的几个模块，以及建模的数据需求，然后对水力模型的应用方向和应用现状进行了介绍，最后对现阶段水力模型应用的推广存在困难的原因进行了简要分析，指出模型的应用是趋势，该领域应给予更多的重视。
关键词：排水管网；水力模型；建模
Abstract：This paper first introduces the basic principles of the hydraulic model of the drainage network and several modules the model contains，and the data modeling needs.Then the direction and situation of hydraulic models applying are introduced.Finally it gives a brief analysis of the reason why there are so many difficulties in the process of promoting hydraulic model.It points out the application of the model is the trend and this field should be given more attention.
Key Words：Drainage network；Hydraulic model；Modeling
一、引言
近些年来，随着城市化进程的加快和极端天气的增多，城市内涝现象层出不穷，对人们的生命财产造成了很大威胁。一方面是由于城市化的进程带来的硬化面积增加导致地表径流增大，入渗减少；另一方面，城市排水管网系统的规划和设计存在不同程度上的缺陷，导致暴雨期间雨水不能迅速有效的排除[1-3]。
目前我国大多数的排水管网规划设计仍沿用恒定流水力学理论的水力负荷计算方法，而忽视了实际管网中入流水量是随着时间变化的[4]；只考虑当前设计管段，而忽略了其他相连管线运行时水流之间的影响，难以做到整个系统的优化。造成上下游的管道坡度分配不够合理，管道内水体流态不好，管渠的淤塞现象严重。而许多发达国家早已在管网设计中引入计算机模拟技术，通过搭建排水管网水力模型对管道的水力状况进行模拟，对校核验证管网布置的合理性具有重要意义[5，6]。本文将简要介绍排水管网水力模型的原理、组成及应用。
二、排水管网水力模型的概述
2.1排水管网模型的基本原理
城市排水管网系统[7]主要由收集设施、排水管网、调蓄池、提升泵站、排放口等构成，而排水管网模型是将现实排水管网系统原型进行抽象和概化，根据管网的拓扑连接关系将各对象有机组合在一起，进而通过设置模型的边界条件进行模拟计算。通过对各种工况条件下排水管网的运行状态的模拟，可以分析评估排水系统运行现状，并找出排水系统中存在的瓶颈管段，分析过流能力不足以及局部溢流的原因[8]。
2.2排水管网模型的构成
排水管网系统水力模型主要可分为以下四个模块：
（1）降雨模型
降雨模拟就是描述降雨过程线的过程[9]，可以分为两种。第一种为数据资料较为完善的实测降雨模拟，该种情况利用实测到的降雨数据进行模拟计算；第二种是根据当地的降雨特性结合经验或理论公式得到合成降雨曲线，利用降雨曲线进行模拟计算，这种方法适用于实测降雨数据缺乏的情况[10，11]。
（2）地表产流和汇流模型
地表产流过程是指计算降雨扣除蒸发、截留、洼蓄以及入渗等初步损失部分之后形成净雨的过程。对于城市流域，常用的净雨计算方案需要将汇水区域下垫面概化成不同类型（如裸土、路面、屋面和绿地等），然后根据面积加权法计算整个区域的净雨量[12]。由净雨量转换得到地表径流过程线的计算模型称为地表汇流模型[13]。地表汇流过程的建模方法包括概念水文模型法、水文系统模型法以及连续力学模型法三大类。
（3）管网汇流模型
排水管网汇流模型就是对汇集至排水管道中水流的运动规律进行演算的模型[14]。排水管网汇流演算主要有水力学方法、水文学方法及系统分析方法三种途径。目前对于管网汇流采用的数学计算模型以水动力学方法为主，其核心是求解圣·维南方程组[15]，排水管道水流的水力模拟计算实质上是对圣维南方程组进行求解的过程。
（4）地表漫流模型
如果汇入管道中的雨量过大，城市排水管网中的水流会重新溢流到地面，并沿地表面继续演进，地表漫流模型就是对这一部分水流行为的描述。它采用水文学和水力学方法估算洪泛区淹没状况[16-20]，该模型是城市内涝风险分析的重要工具。
2.3排水管网模型所需的基础数据
水力模型一般需要下列四类基础数据[21]：
（1）流域特征数据：地理信息数据、流域地表数据、流量基础数据、雨量基础数据、城市规划数据、流域水文数据、水质参数数据，等等；
（2）管网基础数据：管网信息数据、排水构筑物数据，等等；
（3）模型参数数据：径流参数数据、土壤渗透数据、蒸发系数数据、水头损失数据、流量变化数据，等等；
（4）管网维护数据：管网养护数据、管网检测数据、管网控制数据，等等。
2.4模型參数的率定[22]
在建模过程中的一些数据不能直接测得，而是通过经验法或者简化的计算法来假定。这些参数代入模型经过计算之后，把计算结果与实测数据进行比较，若计算值与实测值相差不大，此时的参数可以作为模型的最终参数；若计算值与实测值相差较大，则需对假定的参数进行调整之后再代入模型进行计算，再次进行比较，直到计算值与实测值的偏差在一定范围之内。这个过程就叫参数的率定，只有经过率定的模型才具有真正的实用价值。 三、水力模型的应用现状
3.1水力模型的应用方向
排水管网水力模型主要有以下两方面的应用：
（1）规划设计方面应用
排水管网模型可以对仿真模拟现状或规划排水管网系统，对区域性排水管网改造和规划方案进行评估，分析、比较、优化排水泵站和其他设施及管道坡度的工程设计方案，在满足水力负荷条件下结合实施可能性，优化设计尺寸、坡度等方面，进而节约项目成本。
（2）调度控制方面应用
排水管网水力模型在调度控制方面的应用主要体现在为排水系统的在线监控和运行维护提供辅助控制。具体表现为：流域之间或干管之间的流量调配评估、泵站或其他排水构筑物之间的水流联动控制策略评估；根据监测系统提供的实时数据计算附近管段的流量和水位。
3.2国内外排水管网模型及应用简介
发达国家自从20世纪60年代就开始研究城市排水管网模型，以满足城市排水、防洪等方面的要求。SWMM模型[23]于1971年由EPA（美国环境保护署）开发而来，其内容非常丰富，适用于排水管网中水力和水质情况的动态模拟。SWMM完全开放源代码，并提供免费下载。当然也有很多模型已经发展成市场遍及多国的商业软件，如DHI（丹麦水力研究所）推出的MIKE系列，英国Wallingford公司的InfoWorksCS软件，以及美国Bentley的StormCAD、SewerCAD等。各种模拟软件在计算内核上相差不多，主要差别在于数据接口和界面友好方面。
我国对模型的研究起步较晚，近些年来除了引进学习国外模型之外，也在积极的研究本国的城市水文模型。1993年岑国平[24]等建立了我国第一个完整的雨水管道径流计算和设计模型SSCM模型，可用于城市雨水管道系统的设计校核以及雨洪模拟等方面。周玉文[21]于1998年建立了城市排水管网非恒定流模拟模型CSPSM，用于城市排水系统的规划和设计，并在2001年以VB和FoxPro作为开发工具研制出了模型软件。
四、我国在排水管網模型应用方面存在问题
目前城市管网水力模型在我国的应用及推广面临很多问题，主要有以下几个方面。
（1）目前国际上先进的模型及软件是基于当地的水文水利条件开发而来，直接在我们国家应用的话难免会有些偏差，因此符合我国国情的城市排水管网模型及软件产品还是比较缺乏；
（2）我国大多数城市的排水管网基础数据不够齐全，直接影响建模过程的困难度和准确度；
（3）水力建模是一个专业技术很强的新型排水工程分支，建模过程对人员的知识、技巧和经验要求比较严格，由于国内研究起步较晚，目前十分缺乏高级资格的模型技术人员；
（4）水力模型在我国还属于新鲜事物，由于缺乏成功的应用案例，要改变人们传统的设计、计算理念还需要一个过程。
五、结束语
随着计算机技术的普及，引入城市管网水力模型来参与设计及管理是必然趋势。城市排水管网模型的建立除了影响排水系统设计和运行管理的合理性以外，还能够带动其他相关领域的需求及建设，如管网基础数据库的建立、流量水位实时采集系统的建立等等。因此排水行业相关技术人员以及政府主管部门应给予足够的重视，投入更大的精力来缩小与国外该领域的差距。
参考文献：
[1]刘金平，杜晓鹤，薛燕.城市化与城市防洪理念的发展[J].中国水利，2009，（13）：15-18.
[2]陆敏，刘敏，权瑞松.上海暴雨灾害的系统特征与脆弱性分析[J].华东师范大学学报，2010（2）：10-15.
[3]朱冬冬，周念清，江思珉.城市雨洪径流模型研究概述[J].水资源与水工程学报，2011（3）.
[4]周建华.水力模型在城市排水管网改造设计中的应用.中国给水排水，2013，39（5）
[5]Christopher Z.Review of urban storm water models.[J]Environmental Modelling&Software，2001，16：95-231.
[6]Elliott A H，Trowsdale S A.A review of model for low impact urban stormwater drainage[J].Environmental Modelling&Software，2007，22：394-405.
[7]李明琦.城市排水管网水动力模型的建立与应用.城市给排水管网建设、运营及管理研讨会论文集.江苏常州，2006：55-59.
[8]赵丹禄，金生.城市雨水管网水力模型研究[J].中国水运，2012（4）.
[9]祁继英，白海梅.水力模型用于排水系统的设计优化.中国给水排水，2008
[10]王浩昌.城市降雨径流模型参数全局灵敏度分析[J].中国环境科学，2008，28（8）：725～729.
[11]黄会明.城市设计暴雨和设计雨型的推求及应用[J].中国农村水利水电，2004（3）.
[12]岑国平，沈晋，范荣生.城市设计暴雨径流计算模型的建立和检验.西安理工大学学报.1996，12（3）：184-190.
[13]芮孝芳.产汇流理论.北京：水利电力出版社，1995.
[14]华广山.浅谈城市排水管网数字化管理与分析系统.城市道路与防洪，2006.
[15]Huber W C，Heaney J P，et al.Stormwater management model user's manual.Environmental Protection Agency，1987.
[16]王婧琛.浅谈水力模型在城市排水管网改造中的应用.中国水运，2012（3）.
[17]S.Djordjevic，D.Prodanovic，C.Maskimovic.An approach to simulation of dual drainage[J].Water science and technology，1993，39（9）.
[18]M.H.Hsu.Inundation simulation for urban drainage basin with storm sewer system[J].Journal of Hydrology，2000，（234）
[19]M.Esteves.Overland flow and infiltration modelling for small plots during unsteady rain-numerical results versus observed values[J].Journal of hydrology，2000，（228）：265-282.
[20]孙桂华，王善序，王金銮等.洪水风险分析制图使用指南[M].北京：水利水电出版社，1992：54-89.
[21]周玉文，赵洪宾.排水管网理论与计算.北京：中国建筑工业出版社，2000.
[22]章四龙.通用模型参数率定技术研究[J].水文，2005（1）.
[23]李德仁.GIS的数据组织与处理方法.测绘通报.1994（1）.
[24]岑国平.城市雨水管道计算模型.中国给水排水，1993，9（1）：37～40
2，3.深圳市中涛环保工程技术有限公司 广东深圳 518000
摘要：本文首先简单介绍了排水管网水力模型的基本原理和所包含的几个模块，以及建模的数据需求，然后对水力模型的应用方向和应用现状进行了介绍，最后对现阶段水力模型应用的推广存在困难的原因进行了简要分析，指出模型的应用是趋势，该领域应给予更多的重视。
关键词：排水管网；水力模型；建模
Abstract：This paper first introduces the basic principles of the hydraulic model of the drainage network and several modules the model contains，and the data modeling needs.Then the direction and situation of hydraulic models applying are introduced.Finally it gives a brief analysis of the reason why there are so many difficulties in the process of promoting hydraulic model.It points out the application of the model is the trend and this field should be given more attention.
Key Words：Drainage network；Hydraulic model；Modeling
一、引言
近些年来，随着城市化进程的加快和极端天气的增多，城市内涝现象层出不穷，对人们的生命财产造成了很大威胁。一方面是由于城市化的进程带来的硬化面积增加导致地表径流增大，入渗减少；另一方面，城市排水管网系统的规划和设计存在不同程度上的缺陷，导致暴雨期间雨水不能迅速有效的排除[1-3]。
目前我国大多数的排水管网规划设计仍沿用恒定流水力学理论的水力负荷计算方法，而忽视了实际管网中入流水量是随着时间变化的[4]；只考虑当前设计管段，而忽略了其他相连管线运行时水流之间的影响，难以做到整个系统的优化。造成上下游的管道坡度分配不够合理，管道内水体流态不好，管渠的淤塞现象严重。而许多发达国家早已在管网设计中引入计算机模拟技术，通过搭建排水管网水力模型对管道的水力状况进行模拟，对校核验证管网布置的合理性具有重要意义[5，6]。本文将简要介绍排水管网水力模型的原理、组成及应用。
二、排水管网水力模型的概述
2.1排水管网模型的基本原理
城市排水管网系统[7]主要由收集设施、排水管网、调蓄池、提升泵站、排放口等构成，而排水管网模型是将现实排水管网系统原型进行抽象和概化，根据管网的拓扑连接关系将各对象有机组合在一起，进而通过设置模型的边界条件进行模拟计算。通过对各种工况条件下排水管网的运行状态的模拟，可以分析评估排水系统运行现状，并找出排水系统中存在的瓶颈管段，分析过流能力不足以及局部溢流的原因[8]。
2.2排水管网模型的构成
排水管网系统水力模型主要可分为以下四个模块：
（1）降雨模型
降雨模拟就是描述降雨过程线的过程[9]，可以分为两种。第一种为数据资料较为完善的实测降雨模拟，该种情况利用实测到的降雨数据进行模拟计算；第二种是根据当地的降雨特性结合经验或理论公式得到合成降雨曲线，利用降雨曲线进行模拟计算，这种方法适用于实测降雨数据缺乏的情况[10，11]。
（2）地表产流和汇流模型
地表产流过程是指计算降雨扣除蒸发、截留、洼蓄以及入渗等初步损失部分之后形成净雨的过程。对于城市流域，常用的净雨计算方案需要将汇水区域下垫面概化成不同类型（如裸土、路面、屋面和绿地等），然后根据面积加权法计算整个区域的净雨量[12]。由净雨量转换得到地表径流过程线的计算模型称为地表汇流模型[13]。地表汇流过程的建模方法包括概念水文模型法、水文系统模型法以及连续力学模型法三大类。
（3）管网汇流模型
排水管网汇流模型就是对汇集至排水管道中水流的运动规律进行演算的模型[14]。排水管网汇流演算主要有水力学方法、水文学方法及系统分析方法三种途径。目前对于管网汇流采用的数学计算模型以水动力学方法为主，其核心是求解圣·维南方程组[15]，排水管道水流的水力模拟计算实质上是对圣维南方程组进行求解的过程。
（4）地表漫流模型
如果汇入管道中的雨量过大，城市排水管网中的水流会重新溢流到地面，并沿地表面继续演进，地表漫流模型就是对这一部分水流行为的描述。它采用水文学和水力学方法估算洪泛区淹没状况[16-20]，该模型是城市内涝风险分析的重要工具。
2.3排水管网模型所需的基础数据
水力模型一般需要下列四类基础数据[21]：
（1）流域特征数据：地理信息数据、流域地表数据、流量基础数据、雨量基础数据、城市规划数据、流域水文数据、水质参数数据，等等；
（2）管网基础数据：管网信息数据、排水构筑物数据，等等；
（3）模型参数数据：径流参数数据、土壤渗透数据、蒸发系数数据、水头损失数据、流量变化数据，等等；
（4）管网维护数据：管网养护数据、管网检测数据、管网控制数据，等等。
2.4模型參数的率定[22]
在建模过程中的一些数据不能直接测得，而是通过经验法或者简化的计算法来假定。这些参数代入模型经过计算之后，把计算结果与实测数据进行比较，若计算值与实测值相差不大，此时的参数可以作为模型的最终参数；若计算值与实测值相差较大，则需对假定的参数进行调整之后再代入模型进行计算，再次进行比较，直到计算值与实测值的偏差在一定范围之内。这个过程就叫参数的率定，只有经过率定的模型才具有真正的实用价值。 三、水力模型的应用现状
3.1水力模型的应用方向
排水管网水力模型主要有以下两方面的应用：
（1）规划设计方面应用
排水管网模型可以对仿真模拟现状或规划排水管网系统，对区域性排水管网改造和规划方案进行评估，分析、比较、优化排水泵站和其他设施及管道坡度的工程设计方案，在满足水力负荷条件下结合实施可能性，优化设计尺寸、坡度等方面，进而节约项目成本。
（2）调度控制方面应用
排水管网水力模型在调度控制方面的应用主要体现在为排水系统的在线监控和运行维护提供辅助控制。具体表现为：流域之间或干管之间的流量调配评估、泵站或其他排水构筑物之间的水流联动控制策略评估；根据监测系统提供的实时数据计算附近管段的流量和水位。
3.2国内外排水管网模型及应用简介
发达国家自从20世纪60年代就开始研究城市排水管网模型，以满足城市排水、防洪等方面的要求。SWMM模型[23]于1971年由EPA（美国环境保护署）开发而来，其内容非常丰富，适用于排水管网中水力和水质情况的动态模拟。SWMM完全开放源代码，并提供免费下载。当然也有很多模型已经发展成市场遍及多国的商业软件，如DHI（丹麦水力研究所）推出的MIKE系列，英国Wallingford公司的InfoWorksCS软件，以及美国Bentley的StormCAD、SewerCAD等。各种模拟软件在计算内核上相差不多，主要差别在于数据接口和界面友好方面。
我国对模型的研究起步较晚，近些年来除了引进学习国外模型之外，也在积极的研究本国的城市水文模型。1993年岑国平[24]等建立了我国第一个完整的雨水管道径流计算和设计模型SSCM模型，可用于城市雨水管道系统的设计校核以及雨洪模拟等方面。周玉文[21]于1998年建立了城市排水管网非恒定流模拟模型CSPSM，用于城市排水系统的规划和设计，并在2001年以VB和FoxPro作为开发工具研制出了模型软件。
四、我国在排水管網模型应用方面存在问题
目前城市管网水力模型在我国的应用及推广面临很多问题，主要有以下几个方面。
（1）目前国际上先进的模型及软件是基于当地的水文水利条件开发而来，直接在我们国家应用的话难免会有些偏差，因此符合我国国情的城市排水管网模型及软件产品还是比较缺乏；
（2）我国大多数城市的排水管网基础数据不够齐全，直接影响建模过程的困难度和准确度；
（3）水力建模是一个专业技术很强的新型排水工程分支，建模过程对人员的知识、技巧和经验要求比较严格，由于国内研究起步较晚，目前十分缺乏高级资格的模型技术人员；
（4）水力模型在我国还属于新鲜事物，由于缺乏成功的应用案例，要改变人们传统的设计、计算理念还需要一个过程。
五、结束语
随着计算机技术的普及，引入城市管网水力模型来参与设计及管理是必然趋势。城市排水管网模型的建立除了影响排水系统设计和运行管理的合理性以外，还能够带动其他相关领域的需求及建设，如管网基础数据库的建立、流量水位实时采集系统的建立等等。因此排水行业相关技术人员以及政府主管部门应给予足够的重视，投入更大的精力来缩小与国外该领域的差距。
参考文献：
[1]刘金平，杜晓鹤，薛燕.城市化与城市防洪理念的发展[J].中国水利，2009，（13）：15-18.
[2]陆敏，刘敏，权瑞松.上海暴雨灾害的系统特征与脆弱性分析[J].华东师范大学学报，2010（2）：10-15.
[3]朱冬冬，周念清，江思珉.城市雨洪径流模型研究概述[J].水资源与水工程学报，2011（3）.
[4]周建华.水力模型在城市排水管网改造设计中的应用.中国给水排水，2013，39（5）
[5]Christopher Z.Review of urban storm water models.[J]Environmental Modelling&Software，2001，16：95-231.
[6]Elliott A H，Trowsdale S A.A review of model for low impact urban stormwater drainage[J].Environmental Modelling&Software，2007，22：394-405.
[7]李明琦.城市排水管网水动力模型的建立与应用.城市给排水管网建设、运营及管理研讨会论文集.江苏常州，2006：55-59.
[8]赵丹禄，金生.城市雨水管网水力模型研究[J].中国水运，2012（4）.
[9]祁继英，白海梅.水力模型用于排水系统的设计优化.中国给水排水，2008
[10]王浩昌.城市降雨径流模型参数全局灵敏度分析[J].中国环境科学，2008，28（8）：725～729.
[11]黄会明.城市设计暴雨和设计雨型的推求及应用[J].中国农村水利水电，2004（3）.
[12]岑国平，沈晋，范荣生.城市设计暴雨径流计算模型的建立和检验.西安理工大学学报.1996，12（3）：184-190.
[13]芮孝芳.产汇流理论.北京：水利电力出版社，1995.
[14]华广山.浅谈城市排水管网数字化管理与分析系统.城市道路与防洪，2006.
[15]Huber W C，Heaney J P，et al.Stormwater management model user's manual.Environmental Protection Agency，1987.
[16]王婧琛.浅谈水力模型在城市排水管网改造中的应用.中国水运，2012（3）.
[17]S.Djordjevic，D.Prodanovic，C.Maskimovic.An approach to simulation of dual drainage[J].Water science and technology，1993，39（9）.
[18]M.H.Hsu.Inundation simulation for urban drainage basin with storm sewer system[J].Journal of Hydrology，2000，（234）
[19]M.Esteves.Overland flow and infiltration modelling for small plots during unsteady rain-numerical results versus observed values[J].Journal of hydrology，2000，（228）：265-282.
[20]孙桂华，王善序，王金銮等.洪水风险分析制图使用指南[M].北京：水利水电出版社，1992：54-89.
[21]周玉文，赵洪宾.排水管网理论与计算.北京：中国建筑工业出版社，2000.
[22]章四龙.通用模型参数率定技术研究[J].水文，2005（1）.
[23]李德仁.GIS的数据组织与处理方法.测绘通报.1994（1）.
[24]岑国平.城市雨水管道计算模型.中国给水排水，1993，9（1）：37～40