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英国排水管网建模技术实例分析

2010-03-29

英国排水管网建模技术实例分析
基于排水管网水力模型软件(InfoWorks CS),介绍了一个英国小城镇排水管网建模过程。在实例中详述了英国管网建模规范、数据管理、模型构建以及模型检验等方面内容,针对我国现阶段的排水管网建模提出了值得借鉴的地方。
中图分类号:TU992    文献标识码:B    文章编号:1000–4602(2009)22–0017–04
Modelling Techniques of Drainage Network in UK
CHEN Yuan1,  ZHANG Ya–lei2,  Foong Ying–Chyung3,  ZHOU Xue–fei1,ZHANG Xuan–jun2
(1.School of Environmental Science and Engineering,Tongji University,Shanghai 200092,China:2.State Key Laboratory of Pollution Control and Resources Reuse,Tongji University,Shanghai 200092.China:3.Halcrow Group Limited,UK)
Abstract:The process of drainage network modelling in a British town is discussed based on the hydraulic model software(Info Works CS).Network modeling code,data management,model building and verification are elaborated in accordance with the project case.  Finally,the aspects that can provide some references to drainage network modelling in China are highlighted.
Key words:drainage network; modelling code;hydraulic model software for drainage net–work;  model verification
排水管网建模作为排水系统运行分析和改善的有利工具,出现于20世纪70年代早期美国的暴雨雨水管理模型(SWMM)[1]。英国环境部也在1974年开始了基于计算机运作流程的管网模型研究,经过几十年的发展,在英国排水管网建模已经成为管网设计、管网翻修等工程的例行标准,管网水力模型也成为市政工程师的基本技能[2]。
自从1989年英格兰和威尔士的水产业私有化后,过去的众多小企业被10家水务公司取代。这些水务公司履行政府发布的水产业法令中规定的职责,如提供、改善、扩建公共给排水管网系统并提供污水处理服务[2、3]。水务公司通常会将一些管网建模工程,交给专业的工程咨询公司来完成,排水管网建模作为一个产业得到了规范化的发展。如今,英国的排水管网建模技术成熟、标准完善,极大地促进了其排水系统的运行和管理。以一个英国小城镇的排水管网建模过程为例,详述了英国排水管网的建模规范、数据管理、模型构建以及模型检验等方面的内容,并针对我国排水管网建模技术存在的不足,提出了建议。
1工程概况
1.1  建模规范
实例中排水管网建模工程是由水务公司委托工程公司负责,建模项目遵从健全的操作规范,首先是行业的《管网系统水力建模的操作守则》(以下简称《守则》)。《守则》是集合水行业知名专家和公司的意见编制而成,规定了建模过程中各个方面的规范[2]。在此行业规范的基础上,水务公司根据自身需求对工程公司提出建模要求,这些要求涵盖了模型构建过程中的每一个方面和步骤,工程公司按照水务公司的要求建模。这样不仅简化了工程公司的工作,也便于日后水务公司对模型的应用和管理。
《守则》首先规定了模型的类别,针对特定的模型类别,它规定了此建模工程要解决的问题,如:现存排水区域的积水,河水泛滥造成附近排水管的淤积和对终点泵站的危害,存在安全隐患泵站的重置,终点泵站的运行评价和合流制污水溢流对河流的污染,水力、环境及构筑物方面可能存在缺陷的确认和分析,未来发展的影响评价;评估现存和未来工业废水对区域和污水处理厂的影响。
1.2建模区域概况
本工程的建模区域属于沿河的一个城镇,面积为1 430 hm2,建模流域人口为3 331人(2001年人口普查),主要分成两个排水区域:北部的管网汇人A污水处理厂,南部的小管网汇入B污水处理厂。工程所用的模型是Ⅱ类排水区域规划模型[2],由于南部管网较少,选用粗略的I类框架模型。整个区域几乎都是合流制(98%以上),分流制的污水也汇入合流管网,所有的污水终都汇入各自的污水处理厂。
2模型构建
排水管网建模是按照一定的结构把管网系统实体在建模软件中实现数字化和图像化,然后通过分析对管网实体进行优化管理的过程。数据的管理和模型的结构决定了建模工程的质量。
2.1  建模软件和模型数据
Info Works CS是英国Wallingford软件公司开发的一款用于城市完整水循环的模拟软件,适于雨、污水排放系统的建模,并对雨、污水的系统布局进行设计和优化调试。
构建模型所需的数据来源于现存数据和勘测数据。现存数据主要为现有的数据库、历史记录(如闭路电视CCTV所积累的数据)、先前模型储存的数据等,但随着时空的变迁和模型的发展,一些现存数据具有一定的局限性,需要及时更新和勘测。勘测数据包括CCTV勘测、人工现场勘测,其中包括现有排水系统的勘测,如建模区域检查井、合流制污水溢流构筑物、泵站、水箱等设备的数量和运行状况的勘测;水流勘测,如测量雨天和晴天管道水流的水深和流速等,这些勘测工作可交给专业的勘测公司承担;实地调查,如对所收集资料的可信度调查,当模型校正时雨水流量出现大的偏差而去现场确认不透水区域的情况等。
文中的模型所用数据来源于排水系统设施,汇水区域特征和雨、污水特征,参照其数据来源进行划分[4~6],如表1所示。
             
InfoNet也是该公司开发的关于水务资产及信息管理系统的软件,它可以与GIS、桌面办公系统、水力模型系统、野外测量、SCADA及公司的基本数据库集成在一起。此外,MapInfo是一种桌面地理信息系统(GIS)软件。
系统数据整理完善后编入水务公司的数据库,由InfoNet储存提供给工程公司。InfoNet能自动处理并修补数据,水务公司负责管理,根据排水系统的变化随时更新,与GIS(MapInfo)和Info Works CS相互转换。 
2.2模型结构   
模型结构以数据为载体,结合建模规范建立了如表2所示的步骤
             
3模型检验
通过7周的水流测定数据收集,选择其中3次降雨情境和2次旱季情境进行模型检验。此外,历史数据也用来检验和校准模型[7、8]。
3。1  降雨情境检验
首先根据Bilham公式估计所选降雨情境的重现期,然后根据汇水区域内3个雨量计的不同位置,由Info Works CS自动划分出3个降雨边界,按照公式和前面的土地利用指数计算每个边界的30 d降水指数、蒸发量、前期降水量。此外,还要根据水流检测设备的运行评估来保证水流勘测数据的可靠性。起初由于缺少资料,并且98%的区域都是合流制,因此默认整个区域都是合流制。随后通过校准,部分汇水子区域的合流制被修改为分流制。
3.2旱季情境检验
旱季情境分别选择周末和工作日各1 d(24 h)的旱季天气。基流、生活污水和工业废水流量的日分布情况及其相关水流数据输入到Info Works CS中进行预校准,比较所有检测点水流的观测数据和模拟数据,针对两者不一致的地方,逐一对模型进行必要的微观校准。
3.3历史数据检验
一方面通过历史雨洪记录来验证模型,同时设计7个不同重现期(1~40年)和7个持续时间(15~480 min)的雨境来模拟并校准模型。此外,还通过历史记录中系统的运行事故来验证模型。
3.4检验结果
通过对降雨和旱季情境的观察数据和模拟数据进行比较,在每个水流检测点分别对模型进行校准评估。
4结语
通过英国小镇的建模实例,简要介绍了英国排水管网的建模技术。相比之下,我国的排水管网建模技术发展较晚,并且还存在很多不足,英国在这方面的经验和技术值得我国学习和借鉴,具体表现在以下几方面:
①数据库系统的建设和管理。数据需要及时更新和维护,以保证数据的严谨性和可获取性。国内很多建模工作都因为数据的缺陷,或停留在建模的初始阶段,或者建立的模型无法检验并完善,极大阻碍了建模技术的发展和应用。同时通过建模项目,数据系统的更新维护体制得以建立,数据管理水平也在实践中得以提高。反之,数据的获取和准确性也决定了模型的实用性。
②模型建立的规范性。排水管网建模作为一个行业需要特定的行规,英国有非常详细的行业标准,水务公司也有自己结构清晰的建模准则。建模遵循共性和特性标准,不仅有利于行业内建模师的技术交流,也便于各个水务公司对模型的后续管理和实现管网建模市场的规范化。
③重视模型的实际应用。模型需要在实际应用中判断其优劣,建模技术也需要在实践中发展和完善。随着水务信息化程度的提高和生产管理的实际需要,管网建模有着巨大的市场,但由于数据系统管理的不成熟和建模行业的不规范,模型功效在实际工程运用中无法体现,模型更多停留在桌面研究。因此我国管网建模的发展不仅需要管理者对信息化管理的重视和理解、决策者对市场行业的规范,还需要建模者以及各方对模型应用的推广和努力。
 

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