广州市市政工程设计研究总院广州广东510060
摘要：随着广州市排水管网系统的大规模改造建设，传统的排水管网设计与管理方法隐含的问题日益显现。为有效解决问题，对广州市中心城区排水系统建成满足校核精度要求的排水管网水力模型，并在排水管网资产管理、现状运行分析、系统运行调度、设计方案评估优化等方面取得了良好的应用，为排水管网水力建模技术的推广普及提供了重要参考。
关键词：排水管网；水力模型；应用研究
1前言
近年来，随着广州市排水系统建设项目的大规模实施，排水管网系统的问题日益显现，如排水管网资产“家底”欠清晰、管网运行现状问题欠分析、厂泵站运行调度欠科学，以及传统的排水管网设计方法难以从整体考虑管网之间的相互影响。为了有效解决上述问题，有必要利用信息化技术手段——水力建模技术，建立广州市排水系统水力模型平台，综合管理排水管网数据，分析评估排水系统现存问题，并在水力模型平台上制定出优化的改造方案，为设计改造提供决策支持[1]。
2排水管网水力模型概况
排水管网水力建模技术在国外的设计和运行管理中已经得到广泛的应用[2]。日本东京已经建成整个城市的污水管网水力模型。对于雨水管网规划设计，欧盟EN752中规定：推理公式法只适用于汇水面积小于200公顷或汇水时间小于15分钟的区域；对于较大区域，必须采用随时间变化的设计降雨，利用水力模型进行规划设计。美国则要求规划新建区域排水系统必须采用水力模型模拟复核。我国2014年版《室外排水设计规范》3.2.1条明确当汇水面积超过2km2时，宜考虑降雨在时空分布的不均匀性和管网汇流过程，采用数学模型法计算雨水设计流量。
水力模型应用于城市排水管网设计、运行管理以及排水系统水量水质模拟，这将是城市排水数字化、信息化发展的需要。
3广州市水力模型应用研究
利用InfoworksICM商业模型软件，对广州市中心城区大坦沙、猎德、沥滘、西朗、大沙地五大排水系统建成总面积达534km2、管网总长达7819km的排水管网水力模型，包含污水管、雨水管、雨污合流管及各类排水设施（厂泵站、闸、拍门等），并通过实测关键节点的水量、水位、流速等动态数据，对模型进行校核，获得精度满足应用要求的水力模型。
3.1排水管网资产管理的应用
通过完成构建排水管网水力模型，猎德、大坦沙、沥滘、大沙地、西朗五大排水系统均已形成了排水管网属性分类统计、管道结构问题分析统计、管渠雨污混接问题分析统计、污染源截污现状分析统计等数据图文应用成果。
该项应用有利于对广州市排水系统进行资产管理。模型平台能迅速定位管网现存问题位置，对管网系统进行查询编辑。借助模型平台的各种拓扑检查工具，如上下游追踪、纵断面检查、三维视图、接近性检查等，对入库的管道数据进行拓扑检查，可以实现排水管网系统的统计、定位、编辑更新、专题图制作等数字化功能。该项应用减轻了资料管理人员及外业摸查人员的劳动强度，同时也保证了信息的准确性和规范性。该项应用成果为实现排水行业的科学化、现代化管理起着重要的作用。
图1管网属性专题图
3.2排水管网现状分析方面的应用
经过管网系统流量有效实测，并依据实测动态数据对模型进行校核，最终满足精度的水力模型可以用于分析整个排水系统的运行状况，评价现状排水系统输水能力，确定溢流点和超负荷运行管段，指导主干管和干管系统的工程改造。
广州市排水管网水力模型对广州市中心城区五大排水系统上66个关键入流点的流量、水位、流速等指标进行了约6个月的动态数据实测，并完成了模型校核。利用校核完成的水力模型，对各系统运行现状进行分析，包括管网运行超载状况、管网流速分布及淤积风险评估、合流制溢流(CSO)分析、系统异常水量分析等。
图2超载管网空间分布图
3.3排水管网系统运行调度的应用
利用水力模型制定泵站、闸等排水设施实时运行方案，既避免合流污水从拍门溢流，又实现经济节能，并满足上下游泵站规模衔接等运行需要。运行人员根据这些方案，可科学合理地进行管网系统的调度、管理，避免了以往经验调度的盲目性；尤其当系统出现事故影响正常运行时，可通过调度泵站运行方案减少污水溢流，减少由此造成的损失和浪费。
广州市排水管网水力模型完成了大坦沙荔湾泵站停运影响模拟，分析了在不同开、关闸水位下的系统溢流量，最终得出在闸站设置开启水位6.35m、关闸水位4.85m的工况下，系统溢流量最少，泵站停运时系统总溢流量为12.2万m³。
3.4设计方案评估优化的应用
传统的城市排水管网的设计是基于恒定流水力学理论计算，只考虑当前设计管段的的最不利情况，而实际上城市排水管网中的水流是非恒定流，且相连管道之间水流状况互相影响，因此传统的设计方法不能准确反映排水系统真实的运行状态。利用水力模型可准确模拟排水管网在重力流、压力流状态下的水力学特征、管道壅水现象、水力坡降线、控制构筑物中的流态、树状网和环状网的水力学特性等，能实现排水系统的设计和运行管理优化[3]。
目前广州市排水管网水力模型已在广州排水管网系统“十二五”建设项目前期研究中大量应用，部分项目已经开始施工。如对沙河涌截污管设计改造方案进行评估优化，借助水力模型制定最优化解决方案，包括：（1）改造军区幼儿园处倒虹U型过涌管；（2）接通西侧全线DN2000主干管，取消两处过涌倒虹管。改造方案经过水力模型平台验证，可以解决沙河涌截污管存在的高水位运行及旱天CSO溢流问题。
图3方案前后沙河涌西侧截污管最不利运行状况水位线
4结语
广州市中心城区大坦沙、猎德、沥滘、西朗、大沙地五大排水系统已具备满足应用精度要求的排水管网水力模型。本文通过回顾广州市排水管网水力建模技术在资产管理、管网现状分析、系统运行调度、设计方案评估优化等方面的应用，揭示了水力建模在排水管网设计和管理中的重要作用，为排水管网建模的推广普及提供了重要参考。
参考文献
[1]周建华，李文涛.水力模型在城市排水管网改造设计中的应用.给水排水.2013，5(39):106-109.
[2]周玉文.我国城市室外雨水排水系统设计理论研究[A].第三届中国城镇水务发展国际研讨会论文集[C],2008.
[3]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.2008,4(24):36-39.