水力模型于西安城區(qū)排水管網(wǎng)管理中的應(yīng)用

昝陸軍

(西安市城市排水監(jiān)測站，陜西西安 710000)

0 引言

西安市是陜西省省會，世界聞名的歷史文化古城，我國重要的科研、高等教育及高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)基地，北方中西部和隴海蘭新地帶規(guī)模最大的中心城市，是我國西北地區(qū)與東部、西南地區(qū)的重要交通樞紐，具有獨特的區(qū)位優(yōu)勢和顯著的輻射作用。西安市的城市給排水建設(shè)，從1952年第一座水廠建成，至今已有50年了，在50年中幾乎每年都有基本建設(shè)任務(wù)。

隨著社會的發(fā)展，西安一些老城區(qū)的基礎(chǔ)設(shè)施已經(jīng)不能適應(yīng)現(xiàn)代生活的需求，這些老城區(qū)大量存在，它們的區(qū)位相對于新城區(qū)更加優(yōu)越，建筑也不是以危房形式存在而急于推倒重建的，也沒有因為歷史文化保護價值而受到政府關(guān)注的，但其排水管網(wǎng)、交通等方面已不足以滿足現(xiàn)代人日益增長的需求，使得老城區(qū)原住居民開始流失，居住和安全環(huán)境每況愈下。排水管網(wǎng)的綜合管理體制直接影響城市的廢水、污水和雨水的收集、處理效果和防洪、泄洪效率，影響城市水系的水質(zhì)狀況，關(guān)系城市的環(huán)境衛(wèi)生、城市形象和居民的身體健康。

1 排水管網(wǎng)微觀水力模型構(gòu)建

1.1 排水管網(wǎng)模型構(gòu)建的目標和原則

模型構(gòu)建的目標是使排水管網(wǎng)系統(tǒng)能夠滿足城市排水管網(wǎng)管理單位對模型應(yīng)用的需求，搭建一個科學合理、實用性強、易管理、可擴展的排水管網(wǎng)模型應(yīng)用平臺，逐步構(gòu)建一個螺旋上升的管網(wǎng)模型應(yīng)用鏈，提高城區(qū)排水管網(wǎng)模型的使用率和應(yīng)用水平，更好地發(fā)揮排水管網(wǎng)模型在排水單位管理、調(diào)度、決策中的作用。

系統(tǒng)設(shè)計的原則包括:1)實用性原則。排水管網(wǎng)模型應(yīng)該以實用為主，滿足排水系統(tǒng)科學管理的實際需求。2)創(chuàng)新性原則。模型的架構(gòu)應(yīng)該結(jié)合當前排水行業(yè)信息化發(fā)展趨勢，采用先進的設(shè)計思想和開發(fā)模式，保證模型可以順應(yīng)排水管網(wǎng)管理單位發(fā)展方向。同時，管網(wǎng)模型系統(tǒng)的核心模型算法也應(yīng)該具有典型性、先進性。3)擴展性原則。模型以及服務(wù)的擴展應(yīng)該可以與其他相關(guān)系統(tǒng)無縫銜接，對于模型應(yīng)用系統(tǒng)應(yīng)該實現(xiàn)平滑的過渡，模型應(yīng)用系統(tǒng)可以不調(diào)整或者經(jīng)過少量調(diào)整即可與擴展的模型系統(tǒng)鏈接。

1.2 微觀水力模型的構(gòu)建

為實現(xiàn)排水管網(wǎng)簡化后微觀水力模型平差計算結(jié)果與原始模型平差計算結(jié)果一致，簡化模型必須滿足下述兩個條件:簡化模型的節(jié)點流量總和與原始模型節(jié)點流量總和一致;簡化模型仍然滿足原始模型的平差計算結(jié)果，即簡化模型中的管段流量、節(jié)點壓力值仍保持原始模型中的平差計算結(jié)果情況下，簡化模型仍然滿足節(jié)點連續(xù)性方程與環(huán)能量方程。

根據(jù)上述模型簡化原則，可構(gòu)建微觀水力模型結(jié)構(gòu)示意圖(如圖1所示)。

圖1 微觀水力模型結(jié)構(gòu)示意圖

該微觀水力模型以區(qū)域信息系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)等為基礎(chǔ)，通過對整合各系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進行排水管網(wǎng)的水力模擬。

2 微觀水力模型在西安老城區(qū)的應(yīng)用

2.1 西安老城區(qū)排水管網(wǎng)現(xiàn)狀概述

西安市的城市排水系統(tǒng)的建設(shè)在第一個五年計劃期間，西安被列為重點工業(yè)建設(shè)城市，設(shè)在西安的一些國家重點工程陸續(xù)開工，市民生活用水迅速增加。同時建設(shè)的西安市給排水第一期工程及第二期工程共有管道接近180條基本集中在老城區(qū)、東郊地區(qū)、西郊地區(qū)及紡織城工業(yè)區(qū)。目前，整個西安市已形成172萬m3/d的排水能力，城區(qū)市政排水面積已達172 km2，排水服務(wù)人口超過260萬人，全市自來水普及率為98.59%。如今上述管道已嚴重老化、銹蝕，造成漏失嚴重、影響水質(zhì)、搶修維護困難等隱患，對給排水安全產(chǎn)生了極大的危害。西安市老城區(qū)部分管網(wǎng)運行狀況如圖2所示，其中各節(jié)點代表排水壓力，并以不同的節(jié)點大小表示壓力的大小(圖2中節(jié)點越大，表示壓力越高);管段代表各管段配水流量，并以不同節(jié)點粗細表示配水流量的大小(圖2中管線越粗，表示流量越大)。經(jīng)實地測量與模擬對比，結(jié)果顯示，模擬結(jié)果有相當?shù)臏蚀_度，能夠很好的反映排水管網(wǎng)實際運行狀況。

圖2 老城區(qū)（部分片區(qū)）排水管網(wǎng)運行狀況

2.2 微觀水力模型的具體應(yīng)用

因西安老城區(qū)排水管道已嚴重老化、銹蝕，造成漏失嚴重、影響水質(zhì)、搶修維護困難等隱患，對排水安全產(chǎn)生了極大的危害。如本文所述，當西安老城區(qū)相關(guān)單位需要對某個片區(qū)管網(wǎng)排水流量、壓力等情況進行分析和測算時，可采用微觀水力模型模擬即可獲取該片區(qū)一天24 h的排水變化情況。其分析結(jié)果如圖3，圖4所示。

圖3 老城區(qū)某片區(qū)排水管網(wǎng)某段24 h流量變化圖

圖4 老城區(qū)某片區(qū)排水管網(wǎng)某段24 h壓力變化圖

由圖3可知，該片區(qū)的某一管道流量分布(散點圖)與模擬情況(光滑曲線)基本一致;同理，由圖4可知，該片區(qū)的某一管道壓力分布(散點圖)與模擬情況(光滑曲線)基本一致。說明本文所構(gòu)建的微觀水力模型模擬能夠很好地代表所涉及的片區(qū)排水管道流量、壓力分布情況。故可依據(jù)此方法推斷老城區(qū)其他排水管道的流量、壓力分布情況圖，從而可較好地掌控所轄片區(qū)的排水管網(wǎng)各管道流量、壓力分布情況，完善排水管網(wǎng)綜合管理系統(tǒng)。

3 結(jié)語

城市排水管網(wǎng)系統(tǒng)的管理是一個技術(shù)復(fù)雜、投資巨大的系統(tǒng)的、長期的過程，必須以城市水體生態(tài)環(huán)境優(yōu)化為出發(fā)點和歸宿點，以城市的總體規(guī)劃和發(fā)展要求為導向，以現(xiàn)存排水體系為基礎(chǔ)，以效益和經(jīng)濟為準繩，以最大限度提高排水效率為目標，分步分階段實施。本文通過相關(guān)問題、理論和案例研究，結(jié)合西安老城區(qū)更新改造，探討基于水力模型的排水管網(wǎng)綜合管理問題。該項目完成后，希望能夠為西安市市政排水管網(wǎng)改造建設(shè)計劃提供相關(guān)科學依據(jù)，對于降低管網(wǎng)漏失率，改善排水水質(zhì)，減少常年維護搶修費用及動力費用，提高排水能力，都將提供有益的參考價值。

［1］石宏志.西安市老舊管網(wǎng)更新改造研究［D］.西安:西安建筑科技大學碩士學位論文，2009.

［2］張曉宇.給水管網(wǎng)水力模型的建立及應(yīng)用［J］.昆明學院學報，2011，33(6):45-46.

［3］嚴煦世，劉遂慶.給排水管網(wǎng)系統(tǒng)［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2002.

［4］金 溪，劉 歡.排水管網(wǎng)微觀水力模型簡化技術(shù)研究［J］.武漢理工大學學報，2010，32(3):78-79.

［5］吳建平，丁麗麗，趙春會.微觀水力模型在優(yōu)化調(diào)度預(yù)案方面的應(yīng)用研究［J］.水利科技與經(jīng)濟，2011，17(11):21-22.