淺談Infoworks CS在城市排水管網(wǎng)建模中的應(yīng)用

余小玉

摘 要：建立城市排水管網(wǎng)的優(yōu)劣直接影響著城市的管理與發(fā)展，其檢測(cè)與維護(hù)特別重要。本文介紹了國(guó)外的排水管網(wǎng)系統(tǒng)模擬軟件，重點(diǎn)介紹了Infoworks CS軟件，通過(guò)比較，選擇了Infoworks CS作為研究的工具和手段，通過(guò)該軟件對(duì)某市HZ區(qū)的排水管理進(jìn)行模擬，從拓?fù)湎到y(tǒng)結(jié)構(gòu)中發(fā)現(xiàn)管網(wǎng)存在的問(wèn)題，針對(duì)問(wèn)題提出解決措施。

關(guān)鍵詞：Infoworks CS；排水管網(wǎng)；模型；問(wèn)題

城市排水管網(wǎng)系統(tǒng)是很重要的城市基礎(chǔ)設(shè)施，管網(wǎng)布設(shè)的優(yōu)劣直接影響到一個(gè)城市的洪澇等災(zāi)害情況。尤其是對(duì)于老城區(qū)，由于管網(wǎng)布設(shè)的不合理、管道老化和雨污合流等問(wèn)題，導(dǎo)致城市道路積水，洪澇災(zāi)害頻生。然而現(xiàn)實(shí)中對(duì)城市排水管網(wǎng)問(wèn)題的篩查困難重重，問(wèn)題出現(xiàn)的時(shí)候無(wú)法立刻判斷是哪段管道出現(xiàn)問(wèn)題，于是排水管網(wǎng)系統(tǒng)模擬軟件應(yīng)運(yùn)而生，通過(guò)對(duì)管網(wǎng)系統(tǒng)的模擬，找出管網(wǎng)存在的問(wèn)題，對(duì)現(xiàn)狀管道的運(yùn)行狀況進(jìn)行評(píng)價(jià)，并且可進(jìn)行改造方案的評(píng)估，分析了改造方案的可行性以及優(yōu)劣。

1 常見(jiàn)的排水管網(wǎng)系統(tǒng)模型介紹

大概從20世紀(jì)60年代開(kāi)始，美國(guó)、德國(guó)、澳大利亞、法國(guó)和英國(guó)首先開(kāi)始至力于城市排水管網(wǎng)模型方面的研究，也就是說(shuō)排水管網(wǎng)模型源于西方發(fā)達(dá)國(guó)家。世界上比較著名的模型有以下幾個(gè)：

1.1 STORM模型

STORM模型能夠摸擬城市流域的徑流和污染負(fù)荷，由美國(guó)工程協(xié)會(huì)水文工程中心研發(fā)，主要應(yīng)用于二十世紀(jì)七十年代和八十年代初期，但由于其參數(shù)與觀測(cè)水文過(guò)程線校準(zhǔn)不容易，所以STORM模型的應(yīng)用范圍越來(lái)越窄。

1.2 公路研究所模型（TRRL）

在1962年，英語(yǔ)的Watkins發(fā)表了公路研究所模型，它是一個(gè)城市匯水區(qū)域模型，由英國(guó)公路研究所的下屬機(jī)構(gòu)科學(xué)與工業(yè)研究部綜合研究計(jì)劃的，在英國(guó)應(yīng)用較廣。TRRL一般作為基于降雨事件的模板模型使用，然而該模型對(duì)峰值流量和徑流總量的儲(chǔ)估計(jì)可能會(huì)偏低。

1.3 辛辛那提大學(xué)模型（UCURM）

UCURM由Papadakis和Prod于1973年開(kāi)發(fā)。該模型利用穩(wěn)定洼蓄量、洼蓄量和流水深之間的關(guān)系，結(jié)合曼寧公式以及連續(xù)方程，建立方程組，共同求解獲得地表匯流過(guò)程線。

1.4 MOUSE模型

MOUSE是一個(gè)排水管網(wǎng)模擬軟件包，由水力學(xué)研究所（DHI）開(kāi)發(fā)，它擁有若干個(gè)模塊，這些模塊可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控和SCADA系統(tǒng)的在線分析、計(jì)算雨水徑流量等[2]。

1.5 HSPF

HSPF（Hydrologieal Simulation Program-Fortran）由美國(guó)環(huán)境保護(hù)署于20世紀(jì)70年中期開(kāi)發(fā)，常用于農(nóng)村地區(qū)的水文和水質(zhì)過(guò)程建模，執(zhí)行以小時(shí)為時(shí)間步長(zhǎng)的匯水區(qū)域水文和水質(zhì)連續(xù)模擬。

1.6 沃林福特模型（Wallingford Model）

在1978年，英國(guó)的沃林福特水力學(xué)研究機(jī)構(gòu)研究開(kāi)發(fā)了Wallingford模擬，一進(jìn)入市場(chǎng)，便廣泛應(yīng)用于暴雨設(shè)施的計(jì)劃、改造、設(shè)計(jì)和運(yùn)營(yíng)中[3]。本研究中使用的lnfoWorks CS軟件是最新版本，在1998年由該研究所改進(jìn)并集成，專門(mén)用于雨水管網(wǎng)系統(tǒng)模擬和污水收集系統(tǒng)模擬，此外還能對(duì)污水處理廠的運(yùn)行情況進(jìn)行模擬。Wallingford對(duì)水力情況的模擬快速、細(xì)致、精確、穩(wěn)定，目前該產(chǎn)品已被歐洲、美洲以及一些亞洲國(guó)家和地區(qū)應(yīng)用于水資源環(huán)境和市政工程中。因此，本研究采用該模型作為研究手段對(duì)城市排水系統(tǒng)開(kāi)展模型工作。

2 排水管網(wǎng)系統(tǒng)建模的技術(shù)流程

在現(xiàn)實(shí)的一些工程項(xiàng)目中，為了搭建排水管網(wǎng)模型，一般需要經(jīng)過(guò)建模項(xiàng)目預(yù)期目標(biāo)、選擇建模軟件、確定排水管網(wǎng)模型的研究范圍、確定排水管網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、匯水子區(qū)域劃分、節(jié)點(diǎn)流量建模、排水管網(wǎng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的獲取和輸入、邊界情境和初始情境的確定、模擬選項(xiàng)設(shè)置與模型執(zhí)行、結(jié)果后處理和可視化顯示以及靈敏度分析、校準(zhǔn)和檢驗(yàn)等步驟，如圖所示。

3 Infoworks CS用于排水管網(wǎng)系統(tǒng)建模分析

3.1 Infoworks CS建模軟件介紹

英國(guó)的Wallingford軟件有限公司開(kāi)發(fā)于1978年開(kāi)發(fā)了Wallingford軟件，這套軟件功能強(qiáng)大，包括了水質(zhì)模擬模塊（MOSQITO）、簡(jiǎn)單管道演算模型（WALLRUS）、全動(dòng)態(tài)管道演算模型（SPIDA）以及降雨徑流模型（WASSP）。隨著技術(shù)的發(fā)展，HR Wallingford公司用Hydroworks QM模型取代了最初采用的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)WALLRUS和MOSQITO。在1998年，Wallingford公司又將Hydroworks QM模型集成到Infoworks CS中。Infoworks CS對(duì)排水管網(wǎng)的仿真模擬是快速、精確、穩(wěn)定的，能夠預(yù)測(cè)系統(tǒng)的工作狀態(tài)或降雨后的影響。

3.2 某市HZ區(qū)排水管網(wǎng)系統(tǒng)建模實(shí)例應(yīng)用

在本次研究中，應(yīng)用Infoworks CS對(duì)某市HZ區(qū)的排水管網(wǎng)進(jìn)行模擬。HZ區(qū)工作面積91.50平方公里，污水管渠與合流管渠的總長(zhǎng)約為538公里，包括11條主要道路，其中關(guān)系系統(tǒng)的主干管長(zhǎng)度為119.90公里，加上截污干管的總長(zhǎng)度約為132.87公里。經(jīng)模擬，發(fā)現(xiàn)該片區(qū)的排水管網(wǎng)存在以下問(wèn)題：

（1）從模型上看，出現(xiàn)很多管道錯(cuò)接和逆坡的情況。這是由于HZ區(qū)為該老城區(qū)，排水管網(wǎng)已經(jīng)使用了很多年，管網(wǎng)缺少維護(hù)保養(yǎng)，長(zhǎng)期受污染物質(zhì)的侵蝕，管道破舊，接頭漏損，在雨量少的時(shí)候，甚至出現(xiàn)地下水滲入管網(wǎng)的情況。

（2）從模型上看，出現(xiàn)很多流向沖突的情況。這是由于沉積物長(zhǎng)年累月的積累在管道中，導(dǎo)致水流不通暢，管道過(guò)水能力下降。尤其是在雨季，雨污不分流，管內(nèi)水流方紊亂。

（3）從模型上看，出現(xiàn)很多獨(dú)立管網(wǎng)，或是雨污管不分流的情況。HZ區(qū)是老城區(qū)，初期管網(wǎng)設(shè)計(jì)不合理，管道錯(cuò)接混接，污水直接排江，或是雨水進(jìn)入污水處理廠。

基于上述問(wèn)題，能過(guò)分析數(shù)據(jù)和現(xiàn)場(chǎng)考查等手段，確定問(wèn)題存在的真實(shí)性，并向上級(jí)部門(mén)提出問(wèn)題。隨后，結(jié)合軟件的模擬結(jié)果，提出改造方案，并利用Infoworks CS分析方案的合理性。

本文比較分析介紹了常見(jiàn)的幾款建模軟件，肯定了Infoworks CS的優(yōu)越性。并且通過(guò)應(yīng)用Infoworks CS建立了HZ區(qū)的排水管網(wǎng)模型，利用模型找出該區(qū)排水管網(wǎng)中存在的問(wèn)題，并將問(wèn)題歸類總結(jié)，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)核查、數(shù)據(jù)分析等方法，確定問(wèn)題存在的合理性與真實(shí)性，對(duì)現(xiàn)實(shí)管網(wǎng)的管理與維護(hù)具有重大的意義。

參考文獻(xiàn)

[1]潘崇倫.基于WallingFord軟件的水務(wù)信息一體化管理的探討.上海水務(wù)，2008（4）：58-61.

[2]吳小平，高飛，楊俊，等.市政排水管網(wǎng)系統(tǒng)的研究與開(kāi)會(huì)[J].中國(guó)市政工程，2006，（124）：55-56.

[3]肖丹，何芳，李勝龍.小城鎮(zhèn)供水管網(wǎng)模型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化研究[J].中國(guó)給水排水，2009.