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摘要：此文叙述了利用武汉沙湖地区管网普查GIS数据建立水动力建模的方法，并利用模型对区域管网优化进行应用探索。首先，简述了沙湖水动力模型的建立过程，然后在假设管网最大运行能力下的前提下，找出管网系统的过载管段，并提出改造方案，对改造方案进行模拟、分析。
Abstract: The article is exploration of creation hydrodynamic models on the basis of data from wuhanshahu pipeline GIS census and perfection .firstly the whole process, then under the conditions of max capacity, locating the overload section and simulation and analysis of the alteration.
关键词：武汉沙湖，水动力模型，GIS，管道分析
Key Words: wuhanshahu ，hydrodynamic modeles,GIS,pipeline analysis
中图分类号：TV131.2 文献标识码：A文章编号：2095-2104（2011）12-0000--00
1.引言
近几十年来，发达国家在污水及雨洪控制方面的水动力分析研究取得了长足的发展，产生了许多新的理论和技术，也改变着人们对排水领域的设计理念。我国管道水动力研究起步较晚，但近年来已经取得了一些成果。率先取得成功的是北京及上海地区的水动力模型。2006年武汉排水公司以沙湖为试点建立了沙湖系统管道的水动力模型并予以率定，2007年对沙湖管网进行了分析研究，2010年以该模型为基础对变更的管道基础数据进行了更新和再率定，并进行了管网优化的应用探索。
2.沙湖水动力模型的建立
2.1概述
沙湖排水系统服务面积达16.9平方公里，区域内包括一个污水处理厂、三个提升泵站、11个排口。管网采用合流体制，其中系统检查井、雨水篦等节点7435个，管道7462根。系统的庞大和复杂。汇水区地表坡度最大为0.279，建筑物多为住宅区，地面多为混凝土表面，绝大部分汇水区的不透水率达80%以上。
2.2建模工具的选择
沙湖水动力模型采用了Wallingford公司的Info Works CS作为建模工具，它是一款功能强大的排水管网水力模型软件。利用其图形分析界面，可以有效预测系统的工作状态，分析合流制雨、污水溢流的特性以及降雨后对环境造成的影响，便于对比各种控制方法。
2.3模型建立过程
2.3.1新管网数据的导入和错误检查
水动力模型数据是以管道实测的ArcGis数据为基础的。模型需要的数据主要包括:管网空间位置、节点高程（即X、Y、Z）、管径、管道上游底高程、下游底高程、系统类型和节点类型、流向等。
导入后的数据会存在一系列的错误，利用Info Works CS的查错功能，查找错误 ，然后核对GIS数据或现场调查，对模型数据进行逐一纠错。
2.3.2 新旧模型的调整
新数据导入后，将其与2006年的模型对比调整，主要检查新旧管网的连接性。方法是利用Info Works CS的追踪功能，对管网的上、下游连接进行追踪，以检查流向和管网的连接性能。
2.3.3汇水区的建立
汇水区的建立分成两部分：雨水汇水区的建立、污水汇水区的建立。雨水汇水区主要考虑的因素是地形、道路、管道流向，可以利用ArcGis的工具对雨水自然汇水区进行粗略的划分，然后根据实际汇水情况进行局部修改。污水汇水区主要根据汇水区使用类型（住宅或办公）、道路、管道流向进行划分。最后将雨水汇水区和污水汇水区进行叠加，形成完整的汇水区模型。
2.3.4 边界条件的调查
调查区域内污水处理厂、排污口、闸口以及提升泵站在相应水位下的运行和调度方案，并对模型中的相应条件进行设定。
2.3.5 模型参数确立
模型中的数据包括参数据有四个方面的来源组成：第一部分是模型根据输入的基础数据计算得到的，如井筒平面面积、坡度、管长等；第二部分，根据国内外文献或标准，参考设定，如混凝土管道的曼宁系数、径流系数等；第三部分，根据Wallingford公司的建议参数取值，如水头损失系数等;第四部分，根据实际调查评估，如汇水区小区的平均人数等。
2.3.6模型整合
模型的整合是将模型管网系统、污水曲线、雨水曲线和其它边界条件、运行参数据等进行整合的过程，这个过程是模型得以按研究者的思路运行的前提。
2.3.7计算模拟分析
模拟计算考虑了暴雨重现期为0.33年、0.5年、1年及2年时管网的运行情况。发现了在不同降雨强度下，可能产生积水和产生溢流的区域。分析了现状管网的运行瓶颈。
3.管网优化应用案例
本应用是试图运用三个提升泵站的最大的运行能力，在管网沉积淤泥最少，各排水口全部开闸的情况下，即在管网运营的较佳能力下找出问题管线。一般管网的设计都有其合理性，在这种极佳的前提条件下一般不会出现明显的过载管线，如果出现这种管线，那么这段管线就是管网运行亟须改造的地段所在。在这种前提条件的模拟中，管网系统出现两处过载管段，以下案例是其中的一处。
3.1应用案例
图1是在管网最佳运行负荷时，暴雨重现期为2年的情况下，出现管道满流的一段管线的断面图，节点KYS1127与节点KYS1125间标注部分为存在问题即溢流的管线（以下称：问题管）。
图1.管线断面图
从图1可以看出在2年的情况下这段管道已瞬时超出负载能力。分析其原因有1.存在倒坡。该段管道并没有倒坡现象，但其下游，即图1中粗实线标注的管段存在明显倒坡（以下称：倒坡管）：其上游底部高程为23.624，下游底部高程为24.231。这可能是该段管线出现超负荷的主要原因。 2.管径偏小。但分析之初并不觉得这个因素是主要原因，因为其上下游管径都为D500，而上下游管道都不存在溢流而只是接近满流，如可能的情况下可以考虑加大上下游的管径，但如果倒坡现象改善后仍无法达到要求则必须考虑这个因素。因此首先模拟下游的倒坡管改造后的运行情况。
将图1中倒坡管道的下游底高程从24.231改为23.6。表1為三种方案改造前后管道的数据对比。
从上表中可以看出节点KYS1127的溢流情况有所改善，最大溢流量从15m3降到5.2m3,最大溢流深度从0.25 m降至0.109m。但并未达到最佳状态。因此必须考虑改变管径这一方案。图1中问题管管径为D500，方案2是将其改变为D800。
表1三种改造方案管线溢流数据对比
节点 管网状态 改造前后KYS1127参数 改造前后KYS1127的改善比例
最大溢流量(m3) 最大溢流深度（m） 最大溢流量 最大溢流深度
改造前状态 15 0.25
1．将下游底高程修改至23.6 5.2 0.109 65% 56%
2．将图5中问题管管径改变至D800 -0.2 -0.125 99% 150%
3．改变管径至D800同时下游底高程改为23.6 -1.2 -0.618 108% 272%
从表1可以看出，将图1中问题管管径从D500改造为D800后可明显改善节点KYS1127的溢流情况最大溢流量可从改造前的15m3降为-0.2 m3，最大溢流深度可从0.25m降至-0.125m明显优于方案1。但是在之前的假设中暴雨重现期为2年,而如果在3年、4年、5年或是考虑淤泥沉积的时候这种改造就显得余量不足，因此，对方案1和方案2进行综合模拟是完全必要的。方案3是将改变管径和改变下游底高程同时进行的综合方案，改造后最大溢流量降为-1.2，最大溢流深度可从0.25m降至-0.618。
通过方案3可以大幅改善节点KYS1127的溢流情况，是三种方案中的最优方案。但是也可以看到方案2的改变管径也大幅改善了溢流情况，反之如果管径变小也会大幅增加溢流的可能性，因为在通过方案3改造后也应定时对该管段进行清淤，以保障管道的畅通。
3.2总结
（1）通过模拟管网最佳运行能力下，暴雨重现期为2年的管道的运行情况，找到最亟待改造的一段管网。通过对改变管径、改变下游管底高程和两者同时改变这三个方案的模拟计算，分析得到：改变管径和改变下游管底高程同时进行的方案为最佳解决方案，其问题节点的最大溢流量和最大溢流深度分别减少了108%和272%。
（2）在通过方案3改造后也应定时对该管段进行清淤，以保障管道的畅通。
（3）下一步还应实地调查，采集真实数据，将实际与模型数据相结合，分析出切实可行的施工方案。
（4）以上对管网优化的应用之一，同样按照以上方法，将管网沉积淤泥设置为接近实际的情况，或将泵站的运行负荷减小到更接近实际生活的运行状态，或将部分排水口关闭，都可以分析到相应假设条件下的管网瓶颈。同样，还可以根据管网的现实状况，调整泵站的负荷及排口开闸方案，以找出在不同的降雨条件下管网的最佳运行方案。
4.展望
利用沙湖水动力模型，实现了对武汉沙湖片区雨污混流管网模型的动态仿真模拟，对比分析模拟结果，可以考察不同降雨强度下排水管网的承受能力，检查已有的管线是否合理。同时对沙湖水动力模型的应用还有以下构想：对污水处理厂、泵站的运行调度方案进行优化；为泵站和管线系统的改造和扩建的设计提出解决方案，科学评估各种方案的技术可行性，预测改造计划实施后的效果。
参考文献：
[1]黄俊，林琳.现代排水模型软件技术（InfoWorks CS）在合流污水溢流控制方面的应用（J）.给水排水动态.，2009，（06）
[2]曾向前.Infoworks CS軟件在排水管网改造设计中的应用（J），中国水运（下半月），2010，（04）
[3]张春杰，李树平，李龙云.城市排水管网模型与GIS集成研究（J）, 黑龙江科技信息，2009，（14）
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
Abstract: The article is exploration of creation hydrodynamic models on the basis of data from wuhanshahu pipeline GIS census and perfection .firstly the whole process, then under the conditions of max capacity, locating the overload section and simulation and analysis of the alteration.
关键词：武汉沙湖，水动力模型，GIS，管道分析
Key Words: wuhanshahu ，hydrodynamic modeles,GIS,pipeline analysis
中图分类号：TV131.2 文献标识码：A文章编号：2095-2104（2011）12-0000--00
1.引言
近几十年来，发达国家在污水及雨洪控制方面的水动力分析研究取得了长足的发展，产生了许多新的理论和技术，也改变着人们对排水领域的设计理念。我国管道水动力研究起步较晚，但近年来已经取得了一些成果。率先取得成功的是北京及上海地区的水动力模型。2006年武汉排水公司以沙湖为试点建立了沙湖系统管道的水动力模型并予以率定，2007年对沙湖管网进行了分析研究，2010年以该模型为基础对变更的管道基础数据进行了更新和再率定，并进行了管网优化的应用探索。
2.沙湖水动力模型的建立
2.1概述
沙湖排水系统服务面积达16.9平方公里，区域内包括一个污水处理厂、三个提升泵站、11个排口。管网采用合流体制，其中系统检查井、雨水篦等节点7435个，管道7462根。系统的庞大和复杂。汇水区地表坡度最大为0.279，建筑物多为住宅区，地面多为混凝土表面，绝大部分汇水区的不透水率达80%以上。
2.2建模工具的选择
沙湖水动力模型采用了Wallingford公司的Info Works CS作为建模工具，它是一款功能强大的排水管网水力模型软件。利用其图形分析界面，可以有效预测系统的工作状态，分析合流制雨、污水溢流的特性以及降雨后对环境造成的影响，便于对比各种控制方法。
2.3模型建立过程
2.3.1新管网数据的导入和错误检查
水动力模型数据是以管道实测的ArcGis数据为基础的。模型需要的数据主要包括:管网空间位置、节点高程（即X、Y、Z）、管径、管道上游底高程、下游底高程、系统类型和节点类型、流向等。
导入后的数据会存在一系列的错误，利用Info Works CS的查错功能，查找错误 ，然后核对GIS数据或现场调查，对模型数据进行逐一纠错。
2.3.2 新旧模型的调整
新数据导入后，将其与2006年的模型对比调整，主要检查新旧管网的连接性。方法是利用Info Works CS的追踪功能，对管网的上、下游连接进行追踪，以检查流向和管网的连接性能。
2.3.3汇水区的建立
汇水区的建立分成两部分：雨水汇水区的建立、污水汇水区的建立。雨水汇水区主要考虑的因素是地形、道路、管道流向，可以利用ArcGis的工具对雨水自然汇水区进行粗略的划分，然后根据实际汇水情况进行局部修改。污水汇水区主要根据汇水区使用类型（住宅或办公）、道路、管道流向进行划分。最后将雨水汇水区和污水汇水区进行叠加，形成完整的汇水区模型。
2.3.4 边界条件的调查
调查区域内污水处理厂、排污口、闸口以及提升泵站在相应水位下的运行和调度方案，并对模型中的相应条件进行设定。
2.3.5 模型参数确立
模型中的数据包括参数据有四个方面的来源组成：第一部分是模型根据输入的基础数据计算得到的，如井筒平面面积、坡度、管长等；第二部分，根据国内外文献或标准，参考设定，如混凝土管道的曼宁系数、径流系数等；第三部分，根据Wallingford公司的建议参数取值，如水头损失系数等;第四部分，根据实际调查评估，如汇水区小区的平均人数等。
2.3.6模型整合
模型的整合是将模型管网系统、污水曲线、雨水曲线和其它边界条件、运行参数据等进行整合的过程，这个过程是模型得以按研究者的思路运行的前提。
2.3.7计算模拟分析
模拟计算考虑了暴雨重现期为0.33年、0.5年、1年及2年时管网的运行情况。发现了在不同降雨强度下，可能产生积水和产生溢流的区域。分析了现状管网的运行瓶颈。
3.管网优化应用案例
本应用是试图运用三个提升泵站的最大的运行能力，在管网沉积淤泥最少，各排水口全部开闸的情况下，即在管网运营的较佳能力下找出问题管线。一般管网的设计都有其合理性，在这种极佳的前提条件下一般不会出现明显的过载管线，如果出现这种管线，那么这段管线就是管网运行亟须改造的地段所在。在这种前提条件的模拟中，管网系统出现两处过载管段，以下案例是其中的一处。
3.1应用案例
图1是在管网最佳运行负荷时，暴雨重现期为2年的情况下，出现管道满流的一段管线的断面图，节点KYS1127与节点KYS1125间标注部分为存在问题即溢流的管线（以下称：问题管）。
图1.管线断面图
从图1可以看出在2年的情况下这段管道已瞬时超出负载能力。分析其原因有1.存在倒坡。该段管道并没有倒坡现象，但其下游，即图1中粗实线标注的管段存在明显倒坡（以下称：倒坡管）：其上游底部高程为23.624，下游底部高程为24.231。这可能是该段管线出现超负荷的主要原因。 2.管径偏小。但分析之初并不觉得这个因素是主要原因，因为其上下游管径都为D500，而上下游管道都不存在溢流而只是接近满流，如可能的情况下可以考虑加大上下游的管径，但如果倒坡现象改善后仍无法达到要求则必须考虑这个因素。因此首先模拟下游的倒坡管改造后的运行情况。
将图1中倒坡管道的下游底高程从24.231改为23.6。表1為三种方案改造前后管道的数据对比。
从上表中可以看出节点KYS1127的溢流情况有所改善，最大溢流量从15m3降到5.2m3,最大溢流深度从0.25 m降至0.109m。但并未达到最佳状态。因此必须考虑改变管径这一方案。图1中问题管管径为D500，方案2是将其改变为D800。
表1三种改造方案管线溢流数据对比
节点 管网状态 改造前后KYS1127参数 改造前后KYS1127的改善比例
最大溢流量(m3) 最大溢流深度（m） 最大溢流量 最大溢流深度
改造前状态 15 0.25
1．将下游底高程修改至23.6 5.2 0.109 65% 56%
2．将图5中问题管管径改变至D800 -0.2 -0.125 99% 150%
3．改变管径至D800同时下游底高程改为23.6 -1.2 -0.618 108% 272%
从表1可以看出，将图1中问题管管径从D500改造为D800后可明显改善节点KYS1127的溢流情况最大溢流量可从改造前的15m3降为-0.2 m3，最大溢流深度可从0.25m降至-0.125m明显优于方案1。但是在之前的假设中暴雨重现期为2年,而如果在3年、4年、5年或是考虑淤泥沉积的时候这种改造就显得余量不足，因此，对方案1和方案2进行综合模拟是完全必要的。方案3是将改变管径和改变下游底高程同时进行的综合方案，改造后最大溢流量降为-1.2，最大溢流深度可从0.25m降至-0.618。
通过方案3可以大幅改善节点KYS1127的溢流情况，是三种方案中的最优方案。但是也可以看到方案2的改变管径也大幅改善了溢流情况，反之如果管径变小也会大幅增加溢流的可能性，因为在通过方案3改造后也应定时对该管段进行清淤，以保障管道的畅通。
3.2总结
（1）通过模拟管网最佳运行能力下，暴雨重现期为2年的管道的运行情况，找到最亟待改造的一段管网。通过对改变管径、改变下游管底高程和两者同时改变这三个方案的模拟计算，分析得到：改变管径和改变下游管底高程同时进行的方案为最佳解决方案，其问题节点的最大溢流量和最大溢流深度分别减少了108%和272%。
（2）在通过方案3改造后也应定时对该管段进行清淤，以保障管道的畅通。
（3）下一步还应实地调查，采集真实数据，将实际与模型数据相结合，分析出切实可行的施工方案。
（4）以上对管网优化的应用之一，同样按照以上方法，将管网沉积淤泥设置为接近实际的情况，或将泵站的运行负荷减小到更接近实际生活的运行状态，或将部分排水口关闭，都可以分析到相应假设条件下的管网瓶颈。同样，还可以根据管网的现实状况，调整泵站的负荷及排口开闸方案，以找出在不同的降雨条件下管网的最佳运行方案。
4.展望
利用沙湖水动力模型，实现了对武汉沙湖片区雨污混流管网模型的动态仿真模拟，对比分析模拟结果，可以考察不同降雨强度下排水管网的承受能力，检查已有的管线是否合理。同时对沙湖水动力模型的应用还有以下构想：对污水处理厂、泵站的运行调度方案进行优化；为泵站和管线系统的改造和扩建的设计提出解决方案，科学评估各种方案的技术可行性，预测改造计划实施后的效果。
参考文献：
[1]黄俊，林琳.现代排水模型软件技术（InfoWorks CS）在合流污水溢流控制方面的应用（J）.给水排水动态.，2009，（06）
[2]曾向前.Infoworks CS軟件在排水管网改造设计中的应用（J），中国水运（下半月），2010，（04）
[3]张春杰，李树平，李龙云.城市排水管网模型与GIS集成研究（J）, 黑龙江科技信息，2009，（14）
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。