浅析水力模型应用于城市排水和城市雨水径流科学管理

浅析水力模型应用于城市排水和城市雨水径流科学管理

郑炜明

上海城建信息科技有限公司 200082

摘要

以往在对城市的排水管网进行设计的过程中大都采用恒定均匀流来对水力进行计算，但采用此方法无法对排水管道内在有压流状态和无压流状态下进行计算，采用水力模型中非恒定、非均匀流可以很好地模拟管道内部最真实的流态。本文首先对水力模型进行概述，其次提出城市中应用水力模型的优势，最后对水力模型应用于城市排水和城市雨水径流科学管理进行分析，以期为城市排水运行管理提供价值参考。

关键词：水力模型；城市排水；城市雨水径流；

近年来，全国各地市正大规模开展排水防涝规划编制工作，部分地区要求通过水力模型验证海绵城市工程建设效果，给水力模型的发展带来了巨大的推动作用。水力模型和排水模型不仅可以帮助校验排水防涝中的方案是否合理，同时可以对管网进行系统评价，水力模型软件系统通过二次开发可辅助搭建海绵城市模型。现今大型设计院都已利用水力模型介入到实际项目中来，而这些项目不仅仅是规划类的，排水模型还可以用来做黑臭水体模型、水源污染模型、海绵设计中年径流总量控制率的计算等。水力模型不仅可以优化方案，同时对于方案的成果展示效果也有很大的提高。

一、水力模型概述

（一）排水防涝规划模型

利用现有数据，对现状雨水管网系统进行现状排水系统模型的建立，并结合当地实际的已知经验（主要根据历史积水点情况）完成模型的初步校核；根据现状管网模型进行管网现状排水能力的评估；根据规划方案，建立排水系统的规划模型，利用模型对规划方案进行评估，确定最终规划方案，完成对最终确认的规划方案的模型的评估，内涝风险的评估，包括排水流域内的积水深度、积水范围等信息等。

（二）管网水力模型

利用GIS、IoT、5G等技术，对实际的地下管网进行数字化模拟，同时该模型能进行管网水力学数据的相关计算。模型能反映实际管网的水力状态。管网水力模型系统综合GIS系统的静态信息与SCADA系统的动态信息，并结合用水量的预报、估算与分配，按水力学理论对水司供水系统进行水力建模与模拟计算。在线跟踪供水系统水力运行状态，实时计算出所有管道的流量、压力、流速、流向、水龄、水质情况；以及各种不同事件（如：开停泵、开关阀、漏损、爆管、水锤、管网改造等）对管网的影响；从而为管网规划设计、管网改造、日常运行、故障分析、安全评估、优化调度、管网控漏、预案制定等方面提供广泛的解决方案，为生产运营提供准确的数据支撑，为水务企业生产管理的全过程提供决策支持。

二、在城市中应用水力模型的优势

与传统的水力计算方式相比，水力模型具有不受各种条件的限制，分析速度较快，计算效率也比较高等特点，在城市中排水系统中运用水力模型可以有效地改善城市在进行排水以及污染源控制管理。因此，水力模型在城市中应用较为广泛，可以运用在城市排水系统的现状评估和改造规划以及新建城市排水系统的规划设计等。

（一）使得模拟的结果更加准确

水力模型由三个计算板块组成，分别是地表汇流模型、径流模型以及管道汇流模型。水力模型通过这三个模块，可以准确模拟出在降雨过程中雨水是如何形成地表径流，再经过地面漫流到排水管道中去，最后沿着管道排入水体的整个过程。在实际的城市排水管理过程中通过选择适合的计算模块，建立出一个更加符合实际情况的排水管网模型，并以此为根据进行分析，进而使得作出的决策更加准确、合理。

（二）使得运算效率更加的高效

通过运用水力模型可以对各种类型的降水事件以及在降水过程中各个水工建筑物的运行状态进行模拟，通过模拟可以把输出管渠流量、流速以及水位计算出来。如果采用排水管网模型和二维地面模型共同进行计算的方式，还能计算出不同时期降雨的情况，进而更加准确的得出城市的内涝点、以及积水的范围和时间。通过运用水力模型还可以把不同时期的降雨量和河道的水位数据组合起来，进而计算出河道排水的数据，这样才能通过对排水数据的计算，得出城市不同区域发生内涝的程度。

在水力模型中通过运用其中的计算模块，可以改变排水模型中雨水调蓄池和排水泵站的位置以及规模等，再根据所得出的数据进行批量的计算，使得输出的方案更加的多样化，这样可以使得相关工作人员对方案进行选择，极大地减少了工作量，使得运算的效率更加高效。

（三）对系统的数据进行管理，持续维护长久受益

在城市排水系统中应用水力模型可以在同一个数据库中存储各类模型相关资料及数据，包括各排水区的管网数据、多种重现期的典型降雨数据、河道多个断面不同时期的水位数据、各种排水设施的不同设计、调度、规划方案库等。在排水系统模型建立之后，相关工作人员通过更新数据，再将改造的管网和最新增加的排水设施等数据信息进行管理，便可使得排水系统模型更好地运用到城市排水工作中。

三、水力模型应用于城市排水和城市雨水径流科学管理

（一）城市排水系统能力评估

在对城市的排水能力进行评估时，主要是把城市雨水管网的覆盖程度和管渠达标率以及泵站达标情况，作为评估的标准，这样才能对城市的不同区域的雨水管道排水能力进行详细分析。在评估过程中如果使用传统的暴雨强度计算公式来对城市雨水管道的排水能力进行评估，就需要对当前汇水的区域进行划分，之后再对水流量进行计算，采用此方式进行计算工作量较大，需要相关工作人员耗费大量的时间和精力。而使用水力模型对城市的排水系统的能力进行评估，只需要在现有的雨水管网水力模型的基础上对管网进行负荷模拟就可以快速评估管网的排水能力信息，使得评估更加的高效、便捷。

（二）内涝风险评估

对城市的内涝风险进行评估是一项具有很强预防性的措施，通过建立内涝灾害评估体系，可以加快城市对灾害管理机制的建设，使得城市内涝灾害风险管理水平得到有效地提高，进而更好的保证城市的可持续发展。当前，我国大部分的城市内涝风险评估体系还不是很完善，但是随着水力模型的应用也逐渐研究出了多种评估方法，比如指标体系评估法和情景模拟法以及系统仿真法等，这些评估方法的应用使得分析评估体系更加的完善。

（三）防涝措施布局规划

防涝设施指的主要就是当发生洪涝灾害的时候城市中的涝水的排放设施，防涝设施主要包括排水干渠、干沟及道路两旁的下水道等。在对城市的雨水管网系统进行规划的时候通过运用水力模型，可以快速发现井节点冒水等情况，辅助管理人员更加直观地关注需要设置排涝设施区域的路况信息，这样可以使得防涝措施布局规划更加科学，保证城市在发生洪涝灾害的时候涝水可以通过防涝设施及时的排出。在应用水力模型模拟城市内涝防治的情况下，可精确定位需要进行排涝的道路，此外，还可结合海绵城市设计要求，把需要进行排涝的道路规划为海绵道路，进而更好的减少道路在进行排涝时的一些安全隐患。

结论

综上所述，在对城市排水和城市雨水径流进行管理的过程中运用水利模型可以使得方案更加的合理，通过运用水力模型可以对城市现状排水系统能力和内涝风险进行评估，进而对城市防涝措施布局进行合理的规划，使得水务企业生产管理更加的科学有效。

参考文献

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