计算机模拟技术在排水管理中的应用

李欢

柳州威立雅水务有限公司 广西柳州 545006

摘要：对于较为复杂的工程管理，人工尝试往往受到主观因素和计算量大的限制，存在着可行的模型被忽略的可能性而徒劳无功。本文讨论了排水管理计算机模拟的基本内容与方法，提出了开展排水管理计算机模拟的研究思路，指出了计算机模拟技术在排水管理中的发展方向和工程应用前景。

關键词：排水管网；计算机模拟；管理模型

前言

计算机模拟技术，是在排水管理中应用较广的一种计算方法。它是通过计算机仿造系统的真实情况，针对不同系统方案多次计算（或实验），对照优化模型，向人们提供一个“政策分析”的工具，决策人员可以试验各种虚拟假设的水管理政策，借助计算机模拟结果作为决策的重要参考依据。根据计算机模拟技术在排水分析中的应用过程，总结出采用计算机模拟技术，来进行排水策模拟实验的方法步骤：首先对问题进行调查分析，其次建立定量优化模型，然后拟定排水管理政策，最后通过政策分析与模型使用效果分析，评估模型，从而及时为城市暴雨事故抢险和雨季交通管理等提供科学决策依据。

1、计算机模拟技术概述

计算机模拟技术，是仿造真实物理系统的情况下，利用电子计算机模型（或模拟程序），模仿实际系统的各种活动，为制定正确决策提供论据的技术。应用计算机模拟技术解决实际问题的主要内容与步骤有以下3个：

1）建立系统的计算机模型（或模拟程序）；

2）运用模型进行计算（或实验）；

3）分析模拟计算结果，并做出决策。

必须解决的几个关键问题如下。

①建立可靠的模拟模型 计算机模拟能否反映客观实际、能否得到有价值的输出结果与建立的模拟模型好坏关系密切。只有建立可靠的模拟模型，才有可能保证输出结果可信。

②确定输入，也就是如何划分拟选方案 在多数情况下，可以针对具体情况来人为确定所要模拟计算的输入，也可以使用优选技术（如网格法、对开法、切块法等），逐步优选方案，作为输入。

③输出结果择优标准的确定对于众多模拟方案的输出结果，到底选择哪一个方案要有明确的判定标准[1]。

2、雨水管网模拟技术

2.1基于数学模型的动态规划方法

图1基于数学模型的排水管网动态规划流程图

利用排水管网模型开展排水管网的规划是一个多次叠加的复杂计算过程，其步骤如图1所示。首先根据城市规划的相关GIS基础地形图、CAD地形图和土地利用规划图等空间数据进行排水管道的定线；然后对污水量进行估算和分配，或对降雨径流进行空间分配，基于推理公式法进行排水管道规划模式下的水力计算，初步确定排水管网各管段和节点的设计参数，并对相应的规划方案进行调整；在规划方案完成后，可根据城市规划信息，构建规划情景下的排水管网模型，通过选择模型的各类参数数值，实现对规划方案更为准确和可靠的描述；最后，利用模型对不同规划情景下的管道充满度、水位、流速等进行模拟，以此分析整个规划管网系统的运行状况，并根据计算的管网负荷状态对规划方案进行调整和优化，再调整模型对规划方案进行模拟计算与评估，直到规划方案满足多个规划情景下管网正常运行的技术要求。

2.2排水管网模型简介

SWMM模型是一个对城市区域排水系统的水量和水质变化规律进行综合模拟分析的计算机模型。SWMM将城市排水管网系统中的水文和水力要素概化为管线（Link）、节点（Node）和汇水区（Catchment）三种类型。用非线性水库模型模拟地表径流，用圣维南方程演算管网的输送过程，用累积一冲刷模式模拟地表径流的污染。SWMM模型可用于城市区域降雨径流、合流制管道、污水管道和其他排水系统的规划设计、情景分析和方案评估等多个方面，包括为控制城市内涝而设置的各类排水设施的选择与设计、为减少CSO而制定管理策略、为掌握人流和入渗对污水管溢流的影响而进行系统评估、为开展城市非点源污染研究以减少雨季非点源污染负荷而制定控制措施等。在基础数据满足建模要求的前提下，SWMM模型也可应用于非城市区域的分析与模拟[2]。

2.3排水管网模拟软件简介

由于排水管网模型可以对城市排水系统进行全面的分析和模拟计算，为排水管网管理提供决策所需的计算分析数据，国内外目前有很多对城市排水管网进行建模和分析的模拟软件，以提高复杂模型构建与模拟结果分析的工作效率，这些软件大都以SWMM模型作为核心计算引擎。这不仅因为SWMM模型是免费提供的，而且由于它可以全面地对城市排水管网运行中的各种情景和管网设施进行模拟分析。但是SWMM作为一个专业的模拟模型，对使用者的专业化要求比较高，而且由于SWMM模型本身与GIS技术的集成度不高，造成了建模过程复杂繁琐，模拟结果可读性差等问题，对排水管理的实际业务支持明显不足，从而制约了模型的广泛应用。鉴于此，目前国内外有多家环境与水资源工程咨询公司或软件公司致力于SWMM模型的二次开发，通过建立界面友好、操作便捷的模拟软件，可显著提高模型的实用性。

2.4排水管网模型的参数识别

排水管网模型中所涉及的参数可分为确定性参数和不确定性参数两类。确定性参数通常是管长、管径等几何参数，可通过GIS工具和相关数据提取获得较真实的数值，在模型构建的过程中可直接使用而不需要率定；对于不确定性参数，通常无法通过测量手段得到其准确值，也有可能由于相关资料缺失而导致无法提取。在初步构建排水管网模型并对获得的监测数据进行整理与分析后，可通过研究区域的大量相关数据，结合经验进行参数取值范围的设定，并在不确定性环境下对模型中的不确定性参数进行参数识别，以使模型更加真实的反映排水管网的客观排水规律[3]。

2.5实际工程中排水管网建模的难点与关键问题

（1）实际工程中排水管网建模的难点

排水管网模型建模与分析中重要的数据包括管网数据、模型参数和监测数据。其中，管网数据由城市管道和检查井等排水构筑物的尺寸、高程等数据组成，决定了模型模拟区域排水管网的结构特征；模型参数决定了模型中雨污水的产汇流与传输特征；监测数据则是用来调整模型参数与验证模型准确性的重要依据。

基于排水管网建模软件，可以设计灵活的建模和应用模式。针对我国排水管网数字化建设的现状，根据不同城市的管网数据情况，可以采取不同的建模策略。对于数据比较完备的城市，可以对整个城市区域的排水管网进行数字化处理，构建整个城市区域的管网模型；对于只具有部分数据或尚未进行管网普查的城市，应充分利用现有档案数据，采取分期、分区