城市排水系统计算机模拟分析技术

城市排水系统计算机模拟分析技术

黄光丁

广西壮族自治区城乡规划设计院广西南宁530000

摘要：本文对城市排水系统计算机模拟分析技术进行概述，系统的讲述了城市排水系统模型相关概念和理论方法，归纳了城市排水系统计算机模拟的基本流程，并介绍了该技术的发展趋势。

关键词：计算机模拟；排水系统；规划；发展趋势

0引言

城市排水系统是城市重要的基础设施，排水规划是城市规划中的一项重要内容，实现城市排水系统的高水平规划，对于城市的健康、可持续发展有重要意义。特别是近年来，我国城市化进程加快，城市遭遇极端暴雨引发严重内涝灾害呈现加剧，它对城市的排水系统提出了更高的要求。但是,长期以来多数城市的排水规划都落后于城市建设，传统的排水规划设计只能依靠公式化的手册或经验进行，合理程度难以保证。国外欧美等发达国家对于大型排水系统多采用模型辅助进行排水系统规划设计，这值得我们借鉴学习。随着城市排水管网模拟理论的发展和计算方法的不断改进，城市排水系统模型逐渐成为排水系统管理与分析必不可少的一部分。

城市排水系统计算机模拟分析技术在我国已有成功应用，且日益受到重视。《室外排水设计规范》2014局部修订版，首次明确了基于径流系数法的推理公式法的适用范围。其规定，“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，采用数学模型计算雨水设计流量。”虽然该修订版并未对计算机模拟技术的应用做出强制性规定，但也充分表现了计算机模拟分析技术在排水系统领域的应用趋势。而且国内部分大中城市已经将排水管网纳入地理信息系统（GIS），使我们具备使用计算机模拟技术进行数值模拟分析的条件。

1城市排水系统计算机模拟分析技术概述

排水系统计算机模拟分析技术就是利用已有管网信息，包括区域数据、管道参数、闸门和泵站等设施的资料，主要根据城市降雨径流规律，利用现代水文水力学知识，建立数学模型，通过模拟不同条件下管网的运行状况，获得旱天或雨天情况下的管网水位、流量模拟值，分析水流水位和淹没区域等情况，寻找和解决排水管网系统可能存在的问题，为城市防洪排涝和工程建设等相关问题提供指导。例如，在规划排水管网时，初步布置管网，通过模型模拟得到城市遭遇不同强度暴雨时，城市淹没面积，积水深度和积水历时，据此优化规划设计。此外，可以在水力模型基础之上建立水质模型，综合考察生活污水、地表累积和冲刷、管道沉积物冲刷等污染因素，模拟排水系统出流污染物浓度和负荷，以满足城市排水和污染控制的建设与管理需要。计算机数值模拟具有不受试验条件限制、数值分析速度和效率高、耗时少、通用性好、可重复的优点，在欧美、日本等发达国家已经得到普及利用。

国外20世纪40~50年代开始这方面研究，60年代后研制的城市雨洪模型已经取得较大进展。目前，模型数量相当客观，但是每个模型都有其适用性的一面，也不是特定模型只适合一种特点情况，也不存在“万能”模型。相对而言，SWMM、InfoWorks、MOUSE三个模型实用性较广，适用范围较广。

美国暴雨管理模型（SWMM）是目前最完整的降雨-径流-水质模型。该模型包括水力模块和水质模块两大类，水力模块可以有效的模拟城市排水管网的水力运行状况以及城市内涝灾害产生过程，水质模块可以模拟降雨时污染物演变过程。丛翔宇等[1](2006)以SWMM为基础，选取北京市典型小区，计算不同频率设计暴雨下小区排水效果以及积水、道路坡面流等情况，进行暴雨洪水模拟并评价其影响，取得了不错的效果。

InfoWorksCS是HRWallingford集团开发的城市排水系统模型。其水循环模拟采用了水文学与水力学相结合的途径，可以仿真模拟城市水文循环，进行管网局部性分析和方案优化，准确、快速地进行网络模拟。该模型既可用于暴雨系统、污水系统或雨污合流系统的规划设计，又可进行雨洪实时运行管理，时间步长可达15min。马海波等（2013）[2]采用lnfoWorksCS软件构建了洪涝分布式模拟模型，以金华市城区江南片为研究对象，结果表明模拟结果合理，为城市洪涝灾害的分析和解决提供了技术支撑。

MOUSE(ModelingofUrbanSewer)是丹麦水力学研究所(DHI)1972年开发的排水管网模拟软件包。MOUSE的主要模块包括：降雨入渗模块、地表径流模块、管流模块、长期统计模块、实时控制模块、MOUSETRAP系列模块以及一些独立的模块等，可用来计算雨水径流、实现实时监控和SCADA系统的在线分析等。该模型被成功应用于北京奥林匹克公园排水系统设计。

2城市排水系统模型结构

自上世纪70年代以来，已经建立了近百种管网模拟模型，其中的大多数模型的建立通常包括：（1）确定模型的总体结构，即宏观组成，一般含输入输出、模拟运算、服务模块等；（2）确定模型的微观结构，即降雨产汇流各个环节的基本结构；（3）确定模型所含参数，并选用有效的参数估算方法。对模型进行参数率定和验证，来保证模拟的效果和精度。模型的系统输入包括降雨、融雪等降雨过程、城市下垫面截蓄流和蒸散发参数、地表类型和地面高程等基础信息。系统输出是城市地表汇流的流量过程和蒸散发量，以及排水管道汇流出口断面的流量过程等。

3城市排水系统模型建模方法

自20世纪70年代早期，根据基础理论不同，城市排水系统模型主要经历了经验模型、概念性模型及物理性模型三个阶段。就目前应用较多的径流模型而言，主要是概念性模型和物理性模型。

3.1经验性模型

经验性模型也称“黑箱”模型，所使用的数学方程是基于对输入输出系列的经验分析，而不是基于对水文过程的分析。常用于城市雨洪模拟的经验性模型主要有推理公式法、等流时线法及单位线法。早在19世纪90年代，Kuichling就把推理公式用于城市排水设计中。为克服推理公式法推理公式法只能给出洪峰流量，不能推算出流量过程线的不足，在城市雨水径流计算中，先后出现过单位线法、等流时线法。

总体而言，经验性模型没有基于对研究区域水文物理过程的分析，只能提供输出端的资料，远远不能满足城市防洪决策的要求。然而，作为城市雨洪模拟的一种方法，其可以弥补概念性模型及物理性模型的不足，为城市资料缺乏地区的雨洪模拟提供一定依据。

3.2概念性水文模型

概念性模型往往具有分布式特征，即分布式概念性模型。它把城市研究区域按集水口划分为各个排水小区，每个排水小区作为一个计算单元，应用集总式概念性模型计算各个集水口的入流过程，然后通过管网或河道汇流演算到研究区域出口。概念性水文模型发展较早，具有一定的物理意义，在空间上采用分布式处理，且结构较简单，能大大简化计算量，因而广泛应用城市排水、防洪等工程实践。例如美国环保署（USEPA）在20世纪70年代开始开发的SWMM，以及广泛使用于水务公司、市政管理机构和咨询公司的Wallingford等通用模型都具有分布式概念模型思想。

然而，在城市雨洪模拟之前需要根据单元出口流量对各计算单元的参数率定，以提高模型模拟精度。随着城市排水、防洪等方面决策要求的提高，研究区域进一步细分，模型参数率定工作将成倍增加。

3.3数学物理水力模型

数学物理水力模型，是依据物理学质量、动量与能量守恒定律以及产汇流特性，把城市研究区域分割成空间网格，推导出描述地表径流、管道汇流的微分方程组，通过输入参数求解方程，模拟或预报水流的运动过程。数学物理水力模型能直接考虑各水文要素的相互作用及其时空变异规律,使得分布式物理模型在城市雨洪模拟中具有良好的应用前景。该类模型的理论基础主要建立在圣维南方程组上，根据模拟维数不同，可分成一维水动力模型和二维水动力模型。

一维水动力模型具有计算稳定、精度高、可靠性强等特点，能灵活地模拟闸门、水泵等各类水工建筑物。丹麦的MOUSE模型就是采用一维水动力学原理构建。

一维非恒定流圣维南方程组：

目前，也有对一维二维耦合模型的研究，它可以充分发挥两种模型的各自特色和优势，解决两种模型分别使用时经常遇到的空间分辨率和计算精度等问题。实践表明，模型采用一维和二维结合使用的方法，应用效果较好。

4城市排水系统计算机模拟流程

张晓昕等（2008）[3]以计算机模拟技术为基础，构建了城市雨水评价体系，很好的体现了城市排水系统计算机模拟的基本流程。下面以之为例，对该流程进行说明。雨水系统规划设计基本框架如图1所示：

（1）明确评价对象和评价范围，确定研究区域，可将研究区域划分为多个片区，考虑研究区域与相邻雨水系统的影响关系，确定评价范围。

（2）围绕评价对象，在评价范围内进行雨水系统现状资料、设计资料以及监测资料的收集与整理，为后续评价工作奠定基础。主要包括现状和设计的雨水管道、地形、地表铺装资料以及降雨、管道和河道流量、水位的监测资料等。

（3）建立雨水系统模型。包括标准数据库的建立、模型软件的选取、暴雨雨型的确定（每个片区可采用不同的降雨模型）、模型参数的率定等工作。据建模的目的雨水系统数据的特点，对于标准数据库建议采用GIS；模型软件需要选取能够进行非恒定流模拟计算的软件，如美国国家环保署组织开发的SWMM、丹麦DHI的产品等；设计暴雨需要根据模拟区域的降雨特点进行构造；模型参数率定是在初步建立模型后，利用实际监测的数据对模型参数进行修正以控制模拟结果的误差在要求的范围内[4]。

图1雨水系统评价体系基本框架示意图

（4）进行设计标准评价，主要包括：初步评价和设计标准评价。其中，初步评价是从总体上校核雨水系统的设计标准是否符合国家相关规范或相关部门的规定，设计标准评价是基于模型模拟，分析各雨水系统部分之间设计方面是否存在衔接上的问题以及各流域的雨水系统是否可以达到设计标准要求。

（5）进行雨水系统抗灾标准评价。只要用于检验整个流域的雨水系统是否能满足事先制定的抗灾标准，不发生严重积水灾害。

（6）对超抗灾标准的理论或实际暴雨情景进行模拟，进行积水点的风险分析，提出应对超标突发事件的对策建议。

（7）总结雨水系统的评价成果提出对策建议。

上述城市雨水规划评价体系以计算机模拟为基础构建。通过建立雨水系统模型可以有效的反应雨水系统的情况，能够对雨水系统可能存在的问题进行模拟，对其进行分析，找出原因，对完善雨水系统规划提供了技术性支持，并可以为超标情景下防汛预案的制定提供建设性意见和理论支撑。然而，排水系统的规划设计涉及交通、生态环境、社会经济、工程造价等多方面，规划的合理性取决于评价的指标和标准，上述体系在这方面略显不足。希望今后的研究者可以拓展研究生命财产安全、自然环境、社会经济等方面的评价指标，逐步完善评价体系。

5、城市排水系统计算机模拟分析技术发展趋势

5.1多目标优化

目前雨水管网设计仅考虑管道的建设费用或水力性能，设计目标较为单一。而随着城市的发展，人们对生态环境、经济效益等要求日益增高，对排水系统建设以及其性能的要求也逐步提高。排水管网的优化设计，需要充分利用计算机模拟分析技术的优势，查找出管网运行过程中问题所在，进而通过工程性和非工程性整改措施后的模拟结果，进行对比分析，从保护环境、增加可靠性、节约工程造价、减少溢流灾害和提高设计标准等方面进行多角度的优化设计，真正做到经济和环境的协调发展。把系统可靠性、风险分析、经济分析以及环境保护等因素整合到模型中将成为今后城市排水系统计算机模拟技术研究的趋势。

初始设计第一次优化设计第二次优化设计

图2雨水系统规划优化设计示意图

5.2城市排水系统的集成化模拟

排水管网、污水处理厂以及受纳水体是一个连续的系统，一个有机的整体，其中任何一个环节的运行状况都会对其他环节产生影响。城市排水系统集成模拟是指根据城市排水系统的结构特征，将排水管网、污水处理厂和受纳水体的各个单元模型进行关联，对城市排水系统进行的综合模拟。与单元模拟模型相比，集成化的模拟系统考虑了城市排水系统各单元之间的相互影响，以实现系统的整体功能为根本目标，在维持系统整体性的基础上为城市排水系统的规划和运行管理提供决策支持。徐速等（2006）[5]将SWMM模型与清华大学环境系自行研制开发的河流水质模型相结合，构成城市排水系统集成化模拟工具，并运用该模拟工具针对深圳市提出的排水系统规划布局方案进行模拟计算，对深圳河干流水质的改善效果突出。

5.3多技术融合

城市排水系统模拟技术得益于计算机技术、遥感技术、地理信息系统(GIS)技术的飞速发展而快速发展。目前，对水文物理过程机理的认识和数据管理能力已成为限制模拟精度和应用范围的主要瓶颈，瓶颈的解决主要依赖于水文学、水动力学理论、计算技术及量测技术的发展。卫星和雷达遥感技术的引入，能够全面实时的提供地表类型，降雨分布等情况，大大改进模拟精度。而数据库技术和地理信息系统的应用，在模型中整合GIS及图形预处理和后加工模块，增强了模型的输入和输出功能，有效地提高城市排水模型的前后处理和数据分析及管理能力。此外，由于城市暴雨所产生的损失受多方面因素控制，且大部分同地理位置相关，GIS以其独特的空间分析和可视化功能，对各种因素进行综合分析，可以很好的支持暴雨强度计算，并辅助排水管网的设计，提高雨水管理的效率和科学性。不少研究表明，将GIS技术和RS技术应用于建模过程可以大大地提高建模效率和建模精度。

5.4模块化

一方面，在建模过程中，需要使用较多的数学方法，包括系统理论、常微分方程、积分方程和众多数值方法；统计工具涉及相关分析、时间序列分析、概率分析可靠性分析等等。现代模型软件功能日益强大，其规模也随之增大，建模需要综合使用这些数学方法和统计工具，并按照模块化组合。一般而言，不同过程需要不同解决方法。例如蒸散发通常用Penman-Monteit公式模拟，而入渗则用Richard方程简化形式模拟。与此类似，地表径流可用运动波模拟，基流可用相关经验关系模拟，流量演进可用Muskingum或扩散波计算。

另一方面，对模型内部功能进行模块化设计，以确保在系统各功能模块开发完成后，完全可以依据生产管理的流程选择不同的模块或组件进行组合，满足不同的分析设计需求，体现出模型的可维护性和可扩充性。

6、小结

在我国，无论排水系统的规划设计还是管理一直沿用推理公式法，推理公式采用的是恒定流水力学理论计算方法，这突显了我国计算理论的滞后。我国城市化进程的不断加快，气候的变化和“热岛效应”使城市遭遇极端暴雨袭击的风险也逐渐增大，采用动态模拟技术应用于排水系统规划与管理势在必行。排水系统模型在城市规划设计、城市内涝洪灾防治方面极具优势，世界上许多国家结合自身情况建立了不同的模型，并取得了很好的应用效果。深入了解计算机模拟技术在排水系统方面的理论基础、应用方法、技术特点以及发展趋势，对该技术在国内的普及具有积极意义。

我国不少大中型城市已经把排水管网纳入里地理信息系统，且有众多学者对计算机模拟分析技术应用于城市排水系统进行了大量的理论研究并付诸于实践，然而想要把该技术在全国大范围普及，还有一些困难需要克服解决。

其一，科研工作者已经研制出不少结构合理、计算稳定的城市雨洪模型，然而我国城市径流实测资料，特别是极端天气条件下的资料较为匮乏，城市排水系统模型的精度和深度一直受其制约。

其二，暂时没有国产免费的模拟软件可供广大设计者应用，而国外免费模拟软件多采用SCS、扣损法等，很少运用径流系数法，而国内设计人员对径流系数法以外的方法普遍不熟悉，需要有个适应过程。

其三，国内的商业软件大多只是对特定区域是应用性良好，通用性欠缺，且商业软件价格较贵，阻碍了该技术在国内的普及。

我国相关科研工作者需要把我国国情、气候条件、土壤环境等特点与城市排水系统计算机模拟分析技术发展趋势相结合进行研究，开发出可普及应用的模型，为城市规划、水务管理和防洪减灾做出贡献。

参考文献

[1]潘安君,张书函,孟庆义,陈建刚.北京城市雨洪管理初步构想.中国给水排水.2009.(22)

[2]马海波,郑雄伟,魏婧.InfoWorksCS软件在金华市城区江南片洪涝模拟中的应用.水电能源科学.2013.(10)

[3]张晓昕,马洪涛,王强.北京市奥运中心区雨水系统研究.城市发展研究.2008.(S1)

[4]马洪涛,张晓昕,王强.基于模型的城市雨水系统规划设计校核方法研究——以北京市奥运中心区为例.中国江苏南京.中国城市规划学会、南京市政府.

[5]徐速,陈吉宁,曾思育,倪福勋.城市排水系统的集成化模拟研究.中国给水排水.2006.22(15).50-53