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

1、城市排水管網(wǎng)非恒定流模擬技術(shù)的實用意義與應(yīng)用前景摘 要：探討了非恒定流模擬技術(shù)在城市排水系統(tǒng)設(shè)計和運行管理過程中推廣應(yīng)用的可行性和應(yīng)用前景。在城市雨水管網(wǎng)和合流制管網(wǎng)設(shè)計工作中采用非恒定流模擬技術(shù)進行校核是可行的，以便提高系統(tǒng)的可靠性，更好地發(fā)揮其防災(zāi)和減災(zāi)作用。在城市排水管網(wǎng)系統(tǒng)運行管理中應(yīng)用非恒定流模擬技術(shù)，可以實現(xiàn)管網(wǎng)系統(tǒng)真實工況模擬、查找超負荷管段和科學分析城市積水原因，從而可以為城市排水系統(tǒng)的管理和改造提供科學依據(jù)。關(guān)鍵字：排水管網(wǎng) 非恒定流 模擬技術(shù) 在我國傳統(tǒng)的城市排水管網(wǎng)設(shè)計和管理過程中，均采用恒定流水力學理論計算管網(wǎng)的匯流過程。采用恒定流水力學理論進行城市排水管網(wǎng)水力計算的優(yōu)

2、點在于其簡單，但是，也有很多實際問題難以解決。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，城市污水管網(wǎng)中的水流也是非恒定流，但隨著排水用戶的增加會趨于恒定，在需要考慮排水管網(wǎng)內(nèi)部水流的真實流動過程時，也應(yīng)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(shè)計過程中的應(yīng)用我國大中城市新建和改建城市排水管網(wǎng)時，一般均考慮采用分流制，小城鎮(zhèn)建設(shè)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)進行城市雨水管網(wǎng)的水力計算，從而可以保證管網(wǎng)的設(shè)計標準和其可靠性。 1.1設(shè)計方法 推理公式法是傳統(tǒng)的城市雨水管網(wǎng)設(shè)計方法，其精髓在于采用了當流域匯水時間等

3、于降雨歷時時，出口產(chǎn)生最大設(shè)計流量的假設(shè)，并有與之配套的降雨和設(shè)計流量計算方法。我國設(shè)計規(guī)范規(guī)定，匯水時間包括地面集水時間t1和管內(nèi)匯水時間t2，采用水力學恒定均勻流公式計算t2。在管網(wǎng)實際匯水過程中，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(nèi)底坡度，實際匯水時間比采用水力學恒定均勻流公式計算的t2小；在水位降落過程中，與之相反。推理公式法有兩個致命的缺點，即很難保證其線性匯流條件假設(shè)和無法計算流量過程線。這對系統(tǒng)設(shè)計的可靠性和雨水調(diào)節(jié)池、雨水泵站的設(shè)計有很大影響。世界各國都在致力于對其進行修正和改進。 采用非恒定流模擬技術(shù)作為城市雨水管網(wǎng)設(shè)計水力計算的基礎(chǔ)，是對傳統(tǒng)的城

4、市雨水管網(wǎng)設(shè)計方法的一種改進。一般包括設(shè)計降雨模型、地表徑流模型、管內(nèi)匯流過程計算、確定設(shè)計流量的方法和管網(wǎng)設(shè)計等五個部分。設(shè)計過程以流量過程線為核心，計算每一個設(shè)計過水斷面的流量過程線。采用運動波模擬技術(shù)可以從上游向下游依次進行設(shè)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)進行城市雨水管網(wǎng)設(shè)計的優(yōu)點在于，在設(shè)計階段就可以計算出每一設(shè)計斷面和各個徑流調(diào)節(jié)設(shè)施處的流量過程線，增加了管網(wǎng)設(shè)計、調(diào)節(jié)池設(shè)計和泵站設(shè)計的科學性。設(shè)計狀態(tài)與管網(wǎng)實際運行狀態(tài)較為吻合，提高了管網(wǎng)設(shè)計的可靠性。 1.2校核方法 非恒定流模擬技術(shù)與傳統(tǒng)的水力計算方法相比是更高水平的和更接近實際情況的計算方法，可

5、以用于對傳統(tǒng)的推理公式法設(shè)計結(jié)果進行校核。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行設(shè)計。而對于較小匯水面積的雨水管網(wǎng)設(shè)計，一般采用傳統(tǒng)的推理公式法進行設(shè)計，再用非恒定流模擬技術(shù)進行校核。在我國，由于非恒定流模擬技術(shù)的應(yīng)用還未普及，可以先采用推理公式法進行設(shè)計，再用非恒定流模擬技術(shù)進行校核的方法進行過渡，待積累一定經(jīng)驗后，再逐步推廣新的設(shè)計方法。目前階段采用傳統(tǒng)的推理公式法進行設(shè)計，再用非恒定流模擬技術(shù)進行校核，對雨水調(diào)節(jié)設(shè)施的設(shè)計和排水泵站的設(shè)計將有很大的實際意義。 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(yīng)用 我國的城市基礎(chǔ)設(shè)施薄弱，城市排水管網(wǎng)方面欠賬較多。新建或

6、改建排水管網(wǎng)的設(shè)計工作量與現(xiàn)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)進行科學管理，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的一項艱巨的任務(wù)。根據(jù)近幾年我們的研究結(jié)果，在城市排水管網(wǎng)系統(tǒng)運行管理中應(yīng)用非恒定流模擬技術(shù)，可以實現(xiàn)管網(wǎng)系統(tǒng)真實工況模擬、查找超負荷管段和科學分析城市積水原因，從而可以為城市排水系統(tǒng)的管理和改造提供科學依據(jù)。 2.1模擬管網(wǎng)系統(tǒng)真實運行工況以實際降雨為輸入，通過扣損、地表徑流、管網(wǎng)入流、管網(wǎng)匯流等計算，可以計算出各個計算過水斷面的流量過程線，再現(xiàn)降雨期間管網(wǎng)的真實運行工況。通過對沈陽市珠林泵站排水系統(tǒng)和五愛泵站排水系統(tǒng)真實運行

7、工況模擬計算，其結(jié)果與實測數(shù)據(jù)非常接近。從而可以為管網(wǎng)的科學運行管理提供依據(jù)。 如果可以與自記雨量計連接，實時輸入降雨資料，則可以實現(xiàn)城市雨水管網(wǎng)的實時模擬。如果可以輸入相應(yīng)的旱流流量資料，則可以實現(xiàn)城市合流制管網(wǎng)的實時模擬。這可以作為城市排水系統(tǒng)實時優(yōu)化控制調(diào)度和減災(zāi)決策的基礎(chǔ)，具有較好的應(yīng)用前景。 2.2查找超負荷運行管段 當管段的入流量超過其過水能力時，就會有一部分水被滯留，并產(chǎn)生回水，使受影響的管段水位升高。當水位標高超過地面標高時，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(tǒng)改造提供科學依據(jù)采用非恒定流模擬技術(shù)可以科學地分析市

8、區(qū)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(tǒng)改造提供科學依據(jù)。 沈陽市的排水系統(tǒng)是多年來逐步建成的，有很多管道是解放前修建的，設(shè)計標準較低。在降大暴雨時，市區(qū)內(nèi)經(jīng)常有30多處積水，嚴重影響市內(nèi)交通和人民群眾的正常生產(chǎn)生活，雖然經(jīng)過部分改造，但效果不大。在對市內(nèi)積水區(qū)進行觀測和對排水管網(wǎng)系統(tǒng)進行非恒定流模擬計算的基礎(chǔ)上，經(jīng)過對積水原因進行科學分析，提出了文藝路積水改造工程最佳改造方案。經(jīng)過1999年的運行實踐，證明改造方案的實施從根本上解決了路面積水的問題。 3非恒定流模擬技術(shù)是城市排水系統(tǒng)水量水質(zhì)模擬的基礎(chǔ) 3.1非恒定流模擬技術(shù)是城市排水系統(tǒng)水量模擬的基礎(chǔ) 城市排水系統(tǒng)的水量是城市排水

9、管網(wǎng)設(shè)計和運行管理的重要指標。無論是污水管網(wǎng)、雨水管網(wǎng)還是合流制管網(wǎng)，管網(wǎng)內(nèi)的水流均為非恒定流。其中雨水管網(wǎng)的流速和流量變化最大，污水管網(wǎng)的流速和流量變化最小。采用恒定流的假設(shè)僅能近似地表示管網(wǎng)內(nèi)的水流狀態(tài)，而不能表示管網(wǎng)內(nèi)水流的真實狀態(tài)，更不能表示管網(wǎng)內(nèi)水流隨時間的變化過程。在城市排水管網(wǎng)的設(shè)計和運行管理中，很多情況需要面對管網(wǎng)內(nèi)水流的真實狀態(tài)和水流隨時間的變化過程。只有采用非恒定流模擬技術(shù)才能對城市排水系統(tǒng)水量進行較為真實的模擬。 3.2非恒定流模擬技術(shù)是城市排水系統(tǒng)水質(zhì)模擬的基礎(chǔ) 城市排水系統(tǒng)的污染源包括點污染源和面污染源。生活污水和工業(yè)廢水屬于點污染源，污染物的濃度與污染物的量和排放過

10、程有關(guān)。隨降雨徑流過程進入排水系統(tǒng)的污染物屬于面污染源，面污染源的污染物濃度與降雨過程、徑流過程和城市的衛(wèi)生狀況等因素有關(guān)。城市排水系統(tǒng)中的污染物濃度與污染物量是隨時間和空間變化的，只有采用非恒定流模擬技術(shù)才能對城市排水系統(tǒng)水質(zhì)進行較真實的模擬。 3.3城市排水系統(tǒng)水質(zhì)水量模擬是科學運行管理的基礎(chǔ) 對城市排水系統(tǒng)進行科學管理包括對水質(zhì)和水量的管理。國外發(fā)達國家在這一領(lǐng)域的研究經(jīng)歷了三個階段：第一階段的研究目的主要是考慮城市排水對其下游水質(zhì)和水量的影響；第二階段主要研究城市排水的水質(zhì)水量對城市污水處理廠的影響和面污染源進入城市排水系統(tǒng)及其擴散機理；第三階段則將重點集中在合流制溢流污水的水質(zhì)水量隨

11、時間空間的變化過程和合流制溢流污水的最佳處理途徑的研究。在我國僅有部分城市和水域進行了水質(zhì)模型研究，其他方面的研究則較少，與國外發(fā)達國家相比差距較大。 為了從根本上解決環(huán)境問題，我國將逐步提高城市污水的處理率。但是，我國大部分城市是合流制排水系統(tǒng)，建成城市污水處理廠后，仍有大部分雨污混合污水排入水體，對環(huán)境影響很大。對溢流污水的水質(zhì)水量進行監(jiān)測和模擬，了解溢流排放污水的水質(zhì)水量變化過程，不斷積累經(jīng)驗，為從根本上解決合流制溢流污水的污染問題奠定理論基礎(chǔ)。 城市排水系統(tǒng)水量模擬應(yīng)側(cè)重超設(shè)計標準降雨條件下，雨水管網(wǎng)和合流制管網(wǎng)的排水過程模擬。從而可以為城市減災(zāi)和排水系統(tǒng)改造提供理論依據(jù)，提高排水系統(tǒng)的可靠性。 4結(jié)論 根據(jù)我國國情和城市排水系統(tǒng)的水質(zhì)水量特點，探討了非恒定流模擬技術(shù)在城市排水系統(tǒng)設(shè)計和運行管理過程中推廣應(yīng)用的可行性和應(yīng)用前景。在城市雨水管網(wǎng)和合流制管網(wǎng)設(shè)計工作中采用非恒定流模擬技術(shù)進行校核是可行的，可以提高系統(tǒng)的可靠性，更好地發(fā)揮其防災(zāi)和減災(zāi)作用。在城市排水管網(wǎng)系統(tǒng)運行管理中應(yīng)用非恒定流模擬技術(shù)，可以實現(xiàn)管網(wǎng)系統(tǒng)真實工況模擬、