城市排水管網(wǎng)非恒定流模擬技術(shù)的實(shí)用意義與應用前景

摘要：探討了非恒定流模擬技術(shù)在城市排水系統設計和運行管理過(guò)程中推廣應用的可行性和應用前景。在城市雨水管網(wǎng)和合流制管網(wǎng)設計工作中采用非恒定流模擬技術(shù)進(jìn)行校核是可行的，以便提高系統的可靠性，更好地發(fā)揮其防災和減災作用。在城市排水管網(wǎng)系統運行管理中應用非恒定流模擬技術(shù)，可以實(shí)現管網(wǎng)系統真實(shí)工況模擬、查找超負荷管段和科學(xué)分析城市積水原因，從而可以為城市排水系統的管理和改造提供科學(xué)依據。

關(guān)鍵詞：排水管網(wǎng) 非恒定流 模擬技術(shù)

在我國傳統的城市排水管網(wǎng)設計和管理過(guò)程中，均采用恒定流水力學(xué)理論計算管網(wǎng)的匯流過(guò)程。采用恒定流水力學(xué)理論進(jìn)行城市排水管網(wǎng)水力計算的優(yōu)點(diǎn)在于其簡(jiǎn)單，但是，也有很多實(shí)際問(wèn)題難以解決。城市雨水管網(wǎng)中的水流和城市合流制管網(wǎng)降雨期間的水流是非恒定流，并具有突漲突落的特點(diǎn)，城市污水管網(wǎng)中的水流也是非恒定流，但隨著(zhù)排水用戶(hù)的增加會(huì )趨于恒定，在需要考慮排水管網(wǎng)內部水流的真實(shí)流動(dòng)過(guò)程時(shí)，也應按非恒定流考慮。 1非恒定流模擬技術(shù)在城市雨水管網(wǎng)設計過(guò)程中的應用 我國大中城市新建和改建城市排水管網(wǎng)時(shí)，一般均考慮采用分流制，小城鎮建設可以考慮采用合流制。目前，國外發(fā)達國家均采用非恒定流模擬計算技術(shù)進(jìn)行城市雨水管網(wǎng)的水力計算，從而可以保證管網(wǎng)的設計標準和其可靠性。 1.1設計方法 推理公式法是傳統的城市雨水管網(wǎng)設計方法，其精髓在于采用了當流域匯水時(shí)間等于降雨歷時(shí)時(shí)，出口產(chǎn)生最大設計流量的假設，并有與之配套的降雨和設計流量計算方法。我國設計規范規定，匯水時(shí)間包括地面集水時(shí)間t1和管內匯水時(shí)間t2，采用水力學(xué)恒定均勻流公式計算t2。在管網(wǎng)實(shí)際匯水過(guò)程中，當水位處于上升階段，管段中上游水位高于下游水位，水力坡度大于管內底坡度，實(shí)際匯水時(shí)間比采用水力學(xué)恒定均勻流公式計算的t2??；在水位降落過(guò)程中，與之相反。推理公式法有兩個(gè)致命的缺點(diǎn)，即很難保證其線(xiàn)性匯流條件假設和無(wú)法計算流量過(guò)程線(xiàn)。這對系統設計的可靠性和雨水調節池、雨水泵站的設計有很大影響。世界各國都在致力于對其進(jìn)行修正和改進(jìn)。 采用非恒定流模擬技術(shù)作為城市雨水管網(wǎng)設計水力計算的基礎，是對傳統的城市雨水管網(wǎng)設計方法的一種改進(jìn)。一般包括設計降雨模型、地表徑流模型、管內匯流過(guò)程計算、確定設計流量的方法和管網(wǎng)設計等五個(gè)部分。設計過(guò)程以流量過(guò)程線(xiàn)為核心，計算每一個(gè)設計過(guò)水斷面的流量過(guò)程線(xiàn)。采用運動(dòng)波模擬技術(shù)可以從上游向下游依次進(jìn)行設計計算，并可以保證具有相當高的計算精度。 采用非恒定流模擬技術(shù)進(jìn)行城市雨水管網(wǎng)設計的優(yōu)點(diǎn)在于，在設計階段就可以計算出每一設計斷面和各個(gè)徑流調節設施處的流量過(guò)程線(xiàn)，增加了管網(wǎng)設計、調節池設計和泵站設計的科學(xué)性。設計狀態(tài)與管網(wǎng)實(shí)際運行狀態(tài)較為吻合，提高了管網(wǎng)設計的可靠性。 1.2校核方法 非恒定流模擬技術(shù)與傳統的水力計算方法相比是更高水平的和更接近實(shí)際情況的計算方法，可以用于對傳統的推理公式法設計結果進(jìn)行校核。一些發(fā)達國家對于較大匯水面積，一般采用非恒定流模擬計算方法進(jìn)行設計。而對于較小匯水面積的雨水管網(wǎng)設計，一般采用傳統的推理公式法進(jìn)行設計，再用非恒定流模擬技術(shù)進(jìn)行校核。在我國，由于非恒定流模擬技術(shù)的應用還未普及，可以先采用推理公式法進(jìn)行設計，再用非恒定流模擬技術(shù)進(jìn)行校核的方法進(jìn)行過(guò)渡，待積累一定經(jīng)驗后，再逐步推廣新的設計方法。目前階段采用傳統的推理公式法進(jìn)行設計，再用非恒定流模擬技術(shù)進(jìn)行校核，對雨水調節設施的設計和排水泵站的設計將有很大的實(shí)際意義。 2非恒定流模擬技術(shù)在城市排水管網(wǎng)運行管理中的應用 我國的城市基礎設施薄弱，城市排水管網(wǎng)方面欠賬較多。新建或改建排水管網(wǎng)的設計工作量與現有排水管網(wǎng)管理的工作量相比，管理的比重要大得多。對已建成的城市排水管網(wǎng)進(jìn)行科學(xué)管理，使之充分發(fā)揮效益，是給水排水科技工作者和城市排水管理部門(mén)的一項艱巨的任務(wù)。根據近幾年我們的研究結果，在城市排水管網(wǎng)系統運行管理中應用非恒定流模擬技術(shù)，可以實(shí)現管網(wǎng)系統真實(shí)工況模擬、查找超負荷管段和科學(xué)分析城市積水原因，從而可以為城市排水系統的管理和改造提供科學(xué)依據。 2.1模擬管網(wǎng)系統真實(shí)運行工況 以實(shí)際降雨為輸入，通過(guò)扣損、地表徑流、管網(wǎng)入流、管網(wǎng)匯流等計算，可以計算出各個(gè)計算過(guò)水斷面的流量過(guò)程線(xiàn)，再現降雨期間管網(wǎng)的真實(shí)運行工況。通過(guò)對沈陽(yáng)市珠林泵站排水系統和五愛(ài)泵站排水系統真實(shí)運行工況模擬計算，其結果與實(shí)測數據非常接近。從而可以為管網(wǎng)的科學(xué)運行管理提供依據。 如果可以與自記雨量計連接，實(shí)時(shí)輸入降雨資料，則可以實(shí)現城市雨水管網(wǎng)的實(shí)時(shí)模擬。如果可以輸入相應的旱流流量資料，則可以實(shí)現城市合流制管網(wǎng)的實(shí)時(shí)模擬。這可以作為城市排水系統實(shí)時(shí)優(yōu)化控制調度和減災決策的基礎，具有較好的應用前景。 2.2查找超負荷運行管段 當管段的入流量超過(guò)其過(guò)水能力時(shí)，就會(huì )有一部分水被滯留，并產(chǎn)生回水，使受影響的管段水位升高。當水位標高超過(guò)地面標高時(shí)，即產(chǎn)生溢流。非恒定流模擬技術(shù)可以確定產(chǎn)生溢流的超負荷運行管段，并可以計算地表積水量。 2.3為管網(wǎng)系統改造提供科學(xué)依據 采用非恒定流模擬技術(shù)可以科學(xué)地分析市區在暴雨期間產(chǎn)生積水的原因，可以為城市排水管網(wǎng)系統改造提供科學(xué)依據。 沈陽(yáng)市的排水系統是多年來(lái)逐步建成的，有很多管道是解放前修建的，設計標準較低。在降大暴雨時(shí)，市區內經(jīng)常有30多處積水，嚴重影響市內交通和人民群眾的正常生產(chǎn)生活，雖然經(jīng)過(guò)部分改造，但效果不大。在對市內積水區進(jìn)行觀(guān)測和對排水管網(wǎng)系統進(jìn)行非恒定流模擬計算的基礎上，經(jīng)過(guò)對積水原因進(jìn)行科學(xué)分析，提出了文藝路積水改造工程最佳改造方案。經(jīng)過(guò)1999年的運行實(shí)踐，證明改造方案的實(shí)施從根本上解決了路面積水的問(wèn)題。