广东省东莞市长安镇人民政府农林水务局 523850
摘要：我国的水资源十分匮乏，加之近年来用水量逐年递增，水资源供需矛盾日益突现，水资源短缺已经严重制约了我国的经济发展。随着计算机技术的迅猛发展，排水管网模型作为辅助工具，不仅可以改善现状管网运行状况，还可以评估管网建设的安全性，提高管网运行管理的效率。
关键词：排水管网 InfoworksCS 模型；敏感度分析；优化改造方案
1 背景和意义
我国的水资源紧缺且浪费严重，而且各个城市还不同程度地受到水环境污染及生态环境系统被破坏的严重威胁。尤其近几年由于环境的恶化特别是全球气候变暖日益明显，使得城市陷入不同程度的积水灾难。
水资源的匮乏及环境的恶化已经成为全国产业集聚及社会经济发展的障碍，同时随着城市的发展，人口的激增，工业的大规模聚集，城市的水环境问题层出不穷，因此建立一套有效完善的城市排水系统是城市发展中的主要任务之一。作为城市排水系统重要的基础设施，管网是一个规模巨大、构成繁杂的网状结构，主要包括合流制管网、污水管网、雨水管网以及城市河流湖泊与泄洪排涝设施等。它是保障城市公共安全、排洪防涝和控制城市水环境污染的重中之重，与之相关的排水工程的建设质量和管网设计的科学性，直接决定着城市的未来发展水平，影响着城市景观和卫生环境，甚至关系到城市的稳定发展。
根据排除雨污水的方式，可将排水系统分为合流制排水系统、完全分流制排水系统和不完全分流制排水系统。合流制排水系统是生活污水、工业废水和雨水送入同一管渠系统内进行收集和排除的系统；完全分流制排水系统是利用污水排水系统和雨水排水系统来进行分别收集和排除的系统；而不完全分流制排水系统只有污水系统来收集污水，雨水沿地面或边沟等排除的系统。但随着城市发展，最终都要转变成完全分流制系统。
2 排水管网模型理论
城市排水管网系统是将人工构筑物与城市相连接的综合配套系统，是城市运行管理的关键组成部分，主要作用是输送居民生活污水和工业企业废水，同时排除地面雨水径流，防止污染城市水体环境和积水灾害发生。
排水模型采用数值理论方法全面模拟城市排水的全过程，再合理简化和模拟实际运行状况的管网。通过模型，我们可以依据假设的各种条件和城市污水和废水的输送过程及降雨的实际径汇流过程，模拟管网系统的现状情况，正确地进行城市管网的规划设计和运行管理工作。
2.1 排水体制
城市的排水体制是由城市的雨污水的不同排除方式决定的，根据城市的发展需要，一般有合流制和分流制两种形式，也或者两者共存。
合流制排水系统是把城市居民生活产生的污水、工业企业产生的废水和雨水收集在一个系统中，最终输送到污水处理厂的系统[6]。随着城市的发展，城市的排水体制出现各种各样的问题，使得合流制排水系统也不断发展改进，根据收集的雨污水的处理程度可分为直排式、截流半处理式和截流全处理式。目前国内外很多大城市在建设初期都采用的是合流制系统。
分流制排水系统是采用两个系统分别来收集和输送污废水和雨水，最终输送至污水处理厂的系统。分流制是后来根据城市的发展需要才出现的，根据雨水的不同排放方式，主要有完全分流式、不完全分流制和截流分流式。一般地，在工业企业的排放过程中必须采用完全分流式，因为工业企业的废水性质和生活污水及雨水有很大的差别，需要单独收集，进行预处理后才能排放。
2.2合流制管网模型
合流制模型系统实际是由若干不同的子过程组合而成的模型体系。雨水下降至地面，首先一部分雨水透过地面的植物渗入地下，一部分雨水在地面形成径流，随着降雨历时的增加和径流量的增加，由城市道路两侧的的排水口或收水设施汇流入市政排水管渠，在管道或管渠内与居民生活污水和工业企业废水一起，通过地下管网系统、溢流口等，最终大部分入河，小部分随着污水进入污水处理厂处理，在汛期时大部分雨水携带部分污废水进入受纳水体。合流制管网模型的组成如下图 2-1 所示。
城市合流制管网模型主要由旱流污水模型、 降雨-径流模型、 管网水动力模型组成。其中降雨-径流模型还包括降雨模型、产流模型、汇流模型。
2.3合流制管网建模技术路线
合流制管网模型系统是一种数学化的综合性体系，模型首先通过各种方法收集管网的各种基础数据，如管网的基础数据、降雨实测数据、地形数据等，经过简单处理后存储，按模型构建的需求对数据进行分门别类，然后应用软件程序把分好的数据导入模型中形成管网拓扑结构，并进行工程性合理性检查。再应用实测的降雨、水位、等数据对模型进行检验和参数确定，率定模型中的待定参数，校核完毕后即可运行管网，运行结果分析后可应用实践。具体流程如下：
3 工程实践应用
3.1建模区域概况
目前，某街道合流制排水管网存在的主要问题有：
①排水管渠或管道年久失修，污染物淤积、垃圾堵塞情况比较严重，导致过流能力下降，行洪排水不畅，雨季时地面积水严重，造成城市洪涝灾害，影响居民的正常生活和工作。
②局部区域部分道路下的市政排水管道敷设了分流排水管道，接入管混乱，依然是雨污混流，大量污水排入城市内河。还有老城区道路狭窄，管渠经过多次翻建，造成好多道路上的管内成环，连接方式十分混乱。以上这些都加重城市内河和污水处理厂的污染。
③沿河截流井设置不合理，截流能力不足，导致雨水截流量低；局部地段缺失截流干管，仍有多个生活污水和工业废水直排口，收集污水直排入河，加大河道的污染负荷。
④随着经济和建设水平的提高，雨水重现期的提高，部分合流制管道已不能满足
发展的需要，还有部分区域管网有待完善，污水未经收集直接进入环境水体。
3.2 数据收集
管网的基础数据对模型模拟的效果和准确度有很大影响，数据的收集和整理作为管网建模的第一步，起着举足轻重的作用。一般情况下在管网建立模型前，需要向各部门大量地收集整理管网基础数据、人口及经济数据、降雨实测数据等各种与模型相关的数据，为接下来的模型建立步骤中的基础数据设置、模型验证及模型参数率定等关键步骤提供必要的数据支持。
一般的市政排水系统的数据来源主要有以下三个方面：
①市政排水设施档案。如传统文本档案库，先进的 GIS 数据库，其它管理数据库等。
②相关规划、初步设计及施工图设计的文本，图纸或电子表格。
③在线检测，现场调查和实测，咨询有关负责人或专家。
3.3基本参数设置
在管网模型运行的准备阶段，通常要设定模型基本参数和模型的边界条件。基本参数主要有降雨径流模型参数、土地分类、管道参数、旱季入流等，有时还有泵站的属性和调控运行的数据；还要设定上下游的边界条件，包括集中入流、 管网下渗量等。
3.4 模型运行及管网现状问题分析
通过对现状管网的水力模拟，可直观地确定管网中超载的管段及溢水点，分析其原因，结合之前现场调研情况，诊断出管网中存在的主要问题，并提出相应的改造方案。将雨水重现期提高 到 3a 时的合成暴雨作为降雨输入条件，管网在最不利运行的情况下水力模拟结果如下：
4 管道内水质变化研究
管道作为生化反应器的作用受到越来越多的重视，尤其是原国际水质协会在 1994 年提出“排水管道作为反应器”的观点提出。目前国内的研究还较少，结合国外的研究情况，对排水管道的研究主要集中在以下几个方面：
1.管道内发生的物理影响：主要研究污水中的悬浮物在管道内的沉淀、悬浮及迁移等过程，还有管道内的水力条件的改变对悬浮物的存在状态的影响。
2.管道内发生的化学影响：主要研究污水中的各成分间及成分与管道中的沉积物和污染物间的相互作用关系，还有各成分与管壁的材料间的相互影响关系，这种相互作用、相互影响的关系可能会造成管道的腐蚀及影响管道内水质组分。
3.管道内发生的生物影响：主要研究在各种条件下管道内的各种微生物间的相互影响过程，包括有机物质的转化，微生物的增长与衰减等。
5 总结
排水管网模型的研究越来越成为城市管网系统实现计算机信息技术管理运行的必然性发展趋势，希望进一步研究排水系统的沉积物风险分析、合流制管网溢流污染分析等。通过建立城市管网关键位置的管道水质模型，结合现场实测数据来进行分析研究管网的水质变化特性情况，即降雨期和非降雨期时水质有很明显的变化，降雨对管网的水质有很显著的影响，可体现在降雨过程中使各污染物浓度均在大幅下降。非降雨期影响管网水质的主要因素是生活污水量的排放规律，部分地区有工业废水；降雨期影响管网水质的主要因素是降雨期的集水区内污染物的累积量、降雨强度和降雨持续时间等。
参考文献：
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[3]王满.城市排水系统对污水厂进水主要污染物浓度的影响研究[D].广东工业大学，2012
[4]吴晓丹.上海中心城区暴雨积水机理分析[D].华东师范大学，2012
[5]郭晗，吴超.城市雨水处理研究现状与进展[J].科技与企业，2014，02：115.
论文作者:陈骏雄
论文发表刊物:《基层建设》2016年9期
论文发表时间:2016/7/29
标签：管网论文; 模型论文; 城市论文; 污水论文; 雨水论文; 数据论文; 排水系统论文; 《基层建设》2016年9期论文;