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【摘 要】城市排水系统连接居民住宅、商业、工业以及污水处理厂等，对城市排水系统的规划设计不仅直接关系到社会生产生活水平，也会影响到整个城市的建设水平。随着时代的发展，在计算机、互联网和信息技术的支持下，基于城市排水系统规划设计的水力模型软件得以开发，为解决城市排水系统设计中存在的问题提供了解决对策。鉴于此，本文对水力模型在城市排水系统规划设计中的应用分析具有重要的现实意义。
【关键词】水力模型；城市排水系统；规划设计；应用
前言
水力模型是一种研究自然环境中水动态变化的模型，通过模型的真实模拟过程，可以对水中物质的扩散过程作出科学的分析。构建基于排水系统规划设计的水力模型，主要是为了实现对排水管网的优化和系统评估，进而保障城市排水设施的稳定运行和水环境的安全。因此，本文主要分析了排水系统水力模型的构建以及水力模型在排水系统规划设计中的具体应用[1]。
一、排水系统水力模型的构建
现阶段，城市排水系统规划设计中最突出的问题是缺少排水管网的科学管理和系统评估体系，致使排水管网坍塌、污水溢流和城市内涝等问题频繁发生。基于优化排水管网的建设要求，本文提出构建城市排水管网水力模型具有非常重要的意义。具体而言，构建排水管网水力模型的过程如下：
首先，要确定建模项目预期指标，选择建模软件，确定排水管网系统模型的研究范围。其次，获取和输入排水管网系统基础数据，进行汇水子区域的划分并建立基于不同节点的流量模型，最后，界定排水管网系统模型的边界条件，在模拟软件中设置模拟选项并执行模拟过程。模拟系统可以对模拟过程进行结果后处理和可视化显示，通过分析排水管网系统运行的灵敏性，校准和检验设计方案的合理性。
基于排水管网的水力模型模拟系统具有数字化、可视化和功能化的研究优势。水力模型系统能够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在各种假设情境中的运行状态，进而分析排水管网运行中存在的问题和完善空间，为排水管网系统的管理和优化提供依据[2]。
二、水力模型在排水系统规划设计中的应用
本文主要以某城市排水管网系统的优化设计为例，说明水力模型在排水系统规划设计中的具体应用流程和应用效果。某城市排水管网系统十分复杂，部分管道存在超载、水力状况差、污水溢流等问题。为了实现对排水管网系统的优化设计，改善现行管网系统设计中存在的不足，决定建立排水管网水力模型。通过分析检查井、管渠、集水区、拍门和闸堰等管网设施对象间的连接性和高程关系，进一步完善污水管网系统基础数据库。此外，还要对管网系统运行现状中存在的问题进行全面的评估，进而判断出管网系统中过流能力不足的瓶颈管段具体位置，得出造成管道高水位运行和超载溢流的根本原因[3]。
具体的应用过程如下：
1.排水管网建模过程：获取现状管网系统结构的基础数据，初步搭建水力模型。实地测量井、泵站和CSO等数据，补充附属设施的详细材料，并通过雷达探测和CCTV实测资料合理推测缺失数据信息。划分集水区域时，要着重分析影像资料，调查或评估不可透水区域，保证区域划分的科学性和适应性。此外，通过调查城市人口资料、土壤资料和工商废水资料等输入人口数据、工商废水数据、土地的径流系数、入渗量和管壁粗糙度等信息。
2.完整模型构建后，进行模型的校核、水力分析和优化。通过对旱天、雨天的流量、流速和水位的测量，校核旱天、雨天水力模型的实用性。通过一些已有的流量数据，进行模型的历史校核。水力分析部分主要以气候变化和历史降雨数据为基础，进行降雨和时间系列的现状和未来设计。最后通过CCTV实测数据，建立污水管道结构性评估系统，完成对模型的改进和优化。
3.排水管网结构分析。在模型平台中利用树状视图和三维分析等方式，分析管网的连通性和上下游，为评估排水管网运行现状提供依据。模型平台可以对排水管网系统各干道超载情况进行分类和统计。例如，本文所研究的某城市排水管网系统中，某区主干道总长为37km。其中，未超载主干道长为25.7km，占比69.4%；由于托顶造成超载的干道长为5.13km，占比13.9%；由于过流不足而造成超载的干道长为6.17km，占比16.7%。通过可视化模拟过程可以得出问题主干道所分布的区域，进而对该部分区域的排水管网系统进行针对性改进和优化。
4.排水管网沉积物分析。通过水力模型计算与校核，可以在模型界面显示出问题主干道不同区域的淤积状况，得出沉积厚度与管径的比值范围。模型计算系统将沉积厚度划分为三个等级，分别为<15%管径、15%～20%管径和>20%管径。通过排水管网沉积物的分析，相关工作人员可以直接观察到那些区域干道要实施重点淤积处理[4]。
5.排水管网旱季合流制CSO溢流分析。模拟系统会显示出具体的旱天溢流点，并通过计算和分析，得出不同溢流点的溢流水量和具体位置，进而生成不同的作业编号。例如，通过系统模拟，得出问题主干道中存在明显溢流点三处，溢流量分别为191、941、11700m3/d，具体位置分别为某花园对面、某医院对面和某绿化公司对面。此外，还有溢流量为1368m3/d的其它溢流点，需要进一步计算和分析。
6.排水管网和泵站运行方案的优化。基于水水力模型系统的计算和分析，得出排水管网系统中的问题干道和泵站运行问题。为了改善问题主干道水力状况差、旱天高水位运行和旱天CSO溢流污水溢流等问题，要用DN2000截污管代替部分问题干道的U型管，合理降低节点拉通后截污管水位，改善现状运行。另外，要采用模型制定泵站运行方案，指导系统运行。
7.分析城市水浸等级。在模型系统环境中，通过改变降雨强度，分析水浸点个数，并进一步得出具体的水浸区域分布。例如，在降雨强度为0.25y时，得到4个水浸点、0.5y对应11个水浸点、1y对应16个水浸点、2y对应22个水浸点、5y对应25个水浸点、10y对应29个水浸点。由此可以看出，随着降雨强度的增加，水浸点个数大幅度增长。因此，排水管网系统的规划设计要考虑到降雨强度的影响，加强水浸区域抗降水能力，从而不断提高城市排水系统建设质量。
通过分析水力模型在城市排水系统规划设计中的具体应用过程，总结水力模型在城市排水系统规划设计中的作用效果如下：1.解决城市排水系统设计中存在的问题，规避使用风险；2.科学评估排水系统运行现状，提出改善和优化方案，实现针对性整改；3.强化城市排水设施的稳定运行，保障水环境安全等。
三、结论
综上所述，随着人们生活水平的提高和工业生产的发展，对城市排水系统设计提出了更大的要求。在此背景下，利用水力模型优化城市排水系统规划设计，规避风险，防范问题是十分必要的举措。但是，水力模型在城市排水系统规划设计中的应用仍然存在很多不足之處，需要相关领域研究者不断对其优化和创新，进而实现城市排水系统规划设计的科学性和实用性。
参考文献：
[1]王竞茵，张朝升，荣宏伟，张可方. 水力模型在城市排水系统规划设计中的应用[J]. 城乡建设，2015，（07）：81-82.
[2]王竞茵，张朝升，荣宏伟，张可方. 水力模型在城市排水系统规划设计中的应用[J]. 环境科学与技术，2014，37（07）：173-176+200.
[3]马洪涛. 数学模型在城市排水规划中应用的相关问题[J]. 中国给水排水，2013，29（21）：138-143.
[4]祁继英，白海梅. 水力模型用于排水系统的设计优化[J]. 中国给水排水，2008，（04）：36-39.
【关键词】水力模型；城市排水系统；规划设计；应用
前言
水力模型是一种研究自然环境中水动态变化的模型，通过模型的真实模拟过程，可以对水中物质的扩散过程作出科学的分析。构建基于排水系统规划设计的水力模型，主要是为了实现对排水管网的优化和系统评估，进而保障城市排水设施的稳定运行和水环境的安全。因此，本文主要分析了排水系统水力模型的构建以及水力模型在排水系统规划设计中的具体应用[1]。
一、排水系统水力模型的构建
现阶段，城市排水系统规划设计中最突出的问题是缺少排水管网的科学管理和系统评估体系，致使排水管网坍塌、污水溢流和城市内涝等问题频繁发生。基于优化排水管网的建设要求，本文提出构建城市排水管网水力模型具有非常重要的意义。具体而言，构建排水管网水力模型的过程如下：
首先，要确定建模项目预期指标，选择建模软件，确定排水管网系统模型的研究范围。其次，获取和输入排水管网系统基础数据，进行汇水子区域的划分并建立基于不同节点的流量模型，最后，界定排水管网系统模型的边界条件，在模拟软件中设置模拟选项并执行模拟过程。模拟系统可以对模拟过程进行结果后处理和可视化显示，通过分析排水管网系统运行的灵敏性，校准和检验设计方案的合理性。
基于排水管网的水力模型模拟系统具有数字化、可视化和功能化的研究优势。水力模型系统能够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在各种假设情境中的运行状态，进而分析排水管网运行中存在的问题和完善空间，为排水管网系统的管理和优化提供依据[2]。
二、水力模型在排水系统规划设计中的应用
本文主要以某城市排水管网系统的优化设计为例，说明水力模型在排水系统规划设计中的具体应用流程和应用效果。某城市排水管网系统十分复杂，部分管道存在超载、水力状况差、污水溢流等问题。为了实现对排水管网系统的优化设计，改善现行管网系统设计中存在的不足，决定建立排水管网水力模型。通过分析检查井、管渠、集水区、拍门和闸堰等管网设施对象间的连接性和高程关系，进一步完善污水管网系统基础数据库。此外，还要对管网系统运行现状中存在的问题进行全面的评估，进而判断出管网系统中过流能力不足的瓶颈管段具体位置，得出造成管道高水位运行和超载溢流的根本原因[3]。
具体的应用过程如下：
1.排水管网建模过程：获取现状管网系统结构的基础数据，初步搭建水力模型。实地测量井、泵站和CSO等数据，补充附属设施的详细材料，并通过雷达探测和CCTV实测资料合理推测缺失数据信息。划分集水区域时，要着重分析影像资料，调查或评估不可透水区域，保证区域划分的科学性和适应性。此外，通过调查城市人口资料、土壤资料和工商废水资料等输入人口数据、工商废水数据、土地的径流系数、入渗量和管壁粗糙度等信息。
2.完整模型构建后，进行模型的校核、水力分析和优化。通过对旱天、雨天的流量、流速和水位的测量，校核旱天、雨天水力模型的实用性。通过一些已有的流量数据，进行模型的历史校核。水力分析部分主要以气候变化和历史降雨数据为基础，进行降雨和时间系列的现状和未来设计。最后通过CCTV实测数据，建立污水管道结构性评估系统，完成对模型的改进和优化。
3.排水管网结构分析。在模型平台中利用树状视图和三维分析等方式，分析管网的连通性和上下游，为评估排水管网运行现状提供依据。模型平台可以对排水管网系统各干道超载情况进行分类和统计。例如，本文所研究的某城市排水管网系统中，某区主干道总长为37km。其中，未超载主干道长为25.7km，占比69.4%；由于托顶造成超载的干道长为5.13km，占比13.9%；由于过流不足而造成超载的干道长为6.17km，占比16.7%。通过可视化模拟过程可以得出问题主干道所分布的区域，进而对该部分区域的排水管网系统进行针对性改进和优化。
4.排水管网沉积物分析。通过水力模型计算与校核，可以在模型界面显示出问题主干道不同区域的淤积状况，得出沉积厚度与管径的比值范围。模型计算系统将沉积厚度划分为三个等级，分别为<15%管径、15%～20%管径和>20%管径。通过排水管网沉积物的分析，相关工作人员可以直接观察到那些区域干道要实施重点淤积处理[4]。
5.排水管网旱季合流制CSO溢流分析。模拟系统会显示出具体的旱天溢流点，并通过计算和分析，得出不同溢流点的溢流水量和具体位置，进而生成不同的作业编号。例如，通过系统模拟，得出问题主干道中存在明显溢流点三处，溢流量分别为191、941、11700m3/d，具体位置分别为某花园对面、某医院对面和某绿化公司对面。此外，还有溢流量为1368m3/d的其它溢流点，需要进一步计算和分析。
6.排水管网和泵站运行方案的优化。基于水水力模型系统的计算和分析，得出排水管网系统中的问题干道和泵站运行问题。为了改善问题主干道水力状况差、旱天高水位运行和旱天CSO溢流污水溢流等问题，要用DN2000截污管代替部分问题干道的U型管，合理降低节点拉通后截污管水位，改善现状运行。另外，要采用模型制定泵站运行方案，指导系统运行。
7.分析城市水浸等级。在模型系统环境中，通过改变降雨强度，分析水浸点个数，并进一步得出具体的水浸区域分布。例如，在降雨强度为0.25y时，得到4个水浸点、0.5y对应11个水浸点、1y对应16个水浸点、2y对应22个水浸点、5y对应25个水浸点、10y对应29个水浸点。由此可以看出，随着降雨强度的增加，水浸点个数大幅度增长。因此，排水管网系统的规划设计要考虑到降雨强度的影响，加强水浸区域抗降水能力，从而不断提高城市排水系统建设质量。
通过分析水力模型在城市排水系统规划设计中的具体应用过程，总结水力模型在城市排水系统规划设计中的作用效果如下：1.解决城市排水系统设计中存在的问题，规避使用风险；2.科学评估排水系统运行现状，提出改善和优化方案，实现针对性整改；3.强化城市排水设施的稳定运行，保障水环境安全等。
三、结论
综上所述，随着人们生活水平的提高和工业生产的发展，对城市排水系统设计提出了更大的要求。在此背景下，利用水力模型优化城市排水系统规划设计，规避风险，防范问题是十分必要的举措。但是，水力模型在城市排水系统规划设计中的应用仍然存在很多不足之處，需要相关领域研究者不断对其优化和创新，进而实现城市排水系统规划设计的科学性和实用性。
参考文献：
[1]王竞茵，张朝升，荣宏伟，张可方. 水力模型在城市排水系统规划设计中的应用[J]. 城乡建设，2015，（07）：81-82.
[2]王竞茵，张朝升，荣宏伟，张可方. 水力模型在城市排水系统规划设计中的应用[J]. 环境科学与技术，2014，37（07）：173-176+200.
[3]马洪涛. 数学模型在城市排水规划中应用的相关问题[J]. 中国给水排水，2013，29（21）：138-143.
[4]祁继英，白海梅. 水力模型用于排水系统的设计优化[J]. 中国给水排水，2008，（04）：36-39.