計算機模擬技術在排水管理中的應用

李歡

柳州威立雅水務有限公司 廣西柳州 545006

摘要：對于較為復雜的工程管理，人工嘗試往往受到主觀因素和計算量大的限制，存在著可行的模型被忽略的可能性而徒勞無功。本文討論了排水管理計算機模擬的基本內容與方法，提出了開展排水管理計算機模擬的研究思路，指出了計算機模擬技術在排水管理中的發展方向和工程應用前景。

關鍵詞：排水管網；計算機模擬；管理模型

前言

計算機模擬技術，是在排水管理中應用較廣的一種計算方法。它是通過計算機仿造系統的真實情況，針對不同系統方案多次計算（或實驗），對照優化模型，向人們提供一個“政策分析”的工具，決策人員可以試驗各種虛擬假設的水管理政策，借助計算機模擬結果作為決策的重要參考依據。根據計算機模擬技術在排水分析中的應用過程，總結出采用計算機模擬技術，來進行排水策模擬實驗的方法步驟：首先對問題進行調查分析，其次建立定量優化模型，然后擬定排水管理政策，最后通過政策分析與模型使用效果分析，評估模型，從而及時為城市暴雨事故搶險和雨季交通管理等提供科學決策依據。

1、計算機模擬技術概述

計算機模擬技術，是仿造真實物理系統的情況下，利用電子計算機模型（或模擬程序），模仿實際系統的各種活動，為制定正確決策提供論據的技術。應用計算機模擬技術解決實際問題的主要內容與步驟有以下3個：

1）建立系統的計算機模型（或模擬程序）；

2）運用模型進行計算（或實驗）；

3）分析模擬計算結果，并做出決策。

必須解決的幾個關鍵問題如下。

①建立可靠的模擬模型 計算機模擬能否反映客觀實際、能否得到有價值的輸出結果與建立的模擬模型好壞關系密切。只有建立可靠的模擬模型，才有可能保證輸出結果可信。

②確定輸入，也就是如何劃分擬選方案 在多數情況下，可以針對具體情況來人為確定所要模擬計算的輸入，也可以使用優選技術（如網格法、對開法、切塊法等），逐步優選方案，作為輸入。

③輸出結果擇優標準的確定對于眾多模擬方案的輸出結果，到底選擇哪一個方案要有明確的判定標準[1]。

2、雨水管網模擬技術

2.1基于數學模型的動態規劃方法

圖1基于數學模型的排水管網動態規劃流程圖

利用排水管網模型開展排水管網的規劃是一個多次疊加的復雜計算過程，其步驟如圖1所示。首先根據城市規劃的相關GIS基礎地形圖、CAD地形圖和土地利用規劃圖等空間數據進行排水管道的定線；然后對污水量進行估算和分配，或對降雨徑流進行空間分配，基于推理公式法進行排水管道規劃模式下的水力計算，初步確定排水管網各管段和節點的設計參數，并對相應的規劃方案進行調整；在規劃方案完成后，可根據城市規劃信息，構建規劃情景下的排水管網模型，通過選擇模型的各類參數數值，實現對規劃方案更為準確和可靠的描述；最后，利用模型對不同規劃情景下的管道充滿度、水位、流速等進行模擬，以此分析整個規劃管網系統的運行狀況，并根據計算的管網負荷狀態對規劃方案進行調整和優化，再調整模型對規劃方案進行模擬計算與評估，直到規劃方案滿足多個規劃情景下管網正常運行的技術要求。

2.2排水管網模型簡介

SWMM模型是一個對城市區域排水系統的水量和水質變化規律進行綜合模擬分析的計算機模型。SWMM將城市排水管網系統中的水文和水力要素概化為管線（Link）、節點（Node）和匯水區（Catchment）三種類型。用非線性水庫模型模擬地表徑流，用圣維南方程演算管網的輸送過程，用累積一沖刷模式模擬地表徑流的污染。SWMM模型可用于城市區域降雨徑流、合流制管道、污水管道和其他排水系統的規劃設計、情景分析和方案評估等多個方面，包括為控制城市內澇而設置的各類排水設施的選擇與設計、為減少CSO而制定管理策略、為掌握人流和入滲對污水管溢流的影響而進行系統評估、為開展城市非點源污染研究以減少雨季非點源污染負荷而制定控制措施等。在基礎數據滿足建模要求的前提下，SWMM模型也可應用于非城市區域的分析與模擬[2]。

2.3排水管網模擬軟件簡介

由于排水管網模型可以對城市排水系統進行全面的分析和模擬計算，為排水管網管理提供決策所需的計算分析數據，國內外目前有很多對城市排水管網進行建模和分析的模擬軟件，以提高復雜模型構建與模擬結果分析的工作效率，這些軟件大都以SWMM模型作為核心計算引擎。這不僅因為SWMM模型是免費提供的，而且由于它可以全面地對城市排水管網運行中的各種情景和管網設施進行模擬分析。但是SWMM作為一個專業的模擬模型，對使用者的專業化要求比較高，而且由于SWMM模型本身與GIS技術的集成度不高，造成了建模過程復雜繁瑣，模擬結果可讀性差等問題，對排水管理的實際業務支持明顯不足，從而制約了模型的廣泛應用。鑒于此，目前國內外有多家環境與水資源工程咨詢公司或軟件公司致力于SWMM模型的二次開發，通過建立界面友好、操作便捷的模擬軟件，可顯著提高模型的實用性。

2.4排水管網模型的參數識別

排水管網模型中所涉及的參數可分為確定性參數和不確定性參數兩類。確定性參數通常是管長、管徑等幾何參數，可通過GIS工具和相關數據提取獲得較真實的數值，在模型構建的過程中可直接使用而不需要率定；對于不確定性參數，通常無法通過測量手段得到其準確值，也有可能由于相關資料缺失而導致無法提取。在初步構建排水管網模型并對獲得的監測數據進行整理與分析后，可通過研究區域的大量相關數據，結合經驗進行參數取值范圍的設定，并在不確定性環境下對模型中的不確定性參數進行參數識別，以使模型更加真實的反映排水管網的客觀排水規律[3]。

2.5實際工程中排水管網建模的難點與關鍵問題

（1）實際工程中排水管網建模的難點

排水管網模型建模與分析中重要的數據包括管網數據、模型參數和監測數據。其中，管網數據由城市管道和檢查井等排水構筑物的尺寸、高程等數據組成，決定了模型模擬區域排水管網的結構特征；模型參數決定了模型中雨污水的產匯流與傳輸特征；監測數據則是用來調整模型參數與驗證模型準確性的重要依據。

基于排水管網建模軟件，可以設計靈活的建模和應用模式。針對我國排水管網數字化建設的現狀，根據不同城市的管網數據情況，可以采取不同的建模策略。對于數據比較完備的城市，可以對整個城市區域的排水管網進行數字化處理，構建整個城市區域的管網模型；對于只具有部分數據或尚未進行管網普查的城市，應充分利用現有檔案數據，采取分期、分區