基于SWMM的城市排水系統(tǒng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)

鄭劍鋒

摘? 要：為了提高城市排水管網(wǎng)課程教學(xué)效果，運(yùn)用SWMM排水模型軟件，構(gòu)建城市排水管網(wǎng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)。在教學(xué)中，應(yīng)用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)模擬不同降水條件下的城市地表產(chǎn)匯流過(guò)程，再現(xiàn)城市排水系統(tǒng)各單元的運(yùn)行流程，達(dá)到了與真實(shí)實(shí)驗(yàn)相同的教學(xué)效果。通過(guò)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，學(xué)生掌握了SWMM模型原理和軟件基本操作，加深了對(duì)復(fù)雜的排水管網(wǎng)設(shè)計(jì)、計(jì)算、運(yùn)行的理解，很大程度上激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，而且提高了學(xué)生的工程實(shí)踐能力。

關(guān)鍵詞：城市排水管網(wǎng)系統(tǒng)? 虛擬仿真? 實(shí)驗(yàn)教學(xué)? SWMM模型

中圖分類號(hào)：G642;TP242.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2021）07（b）-0167-04

Design of Virtual Simulation Experiment Teaching for Urban Drainage System Based on SWMM

ZHENG Jianfeng

（School of Environmental and Municipal Engineering， Tianjin Chengjian University， Tianjin， 300384 China）

Abstract： In order to improve the teaching effect of urban drainage network course， a virtual simulation experiment teaching system of urban drainage network is constructed by using SWMM drainage model software. In teaching， the virtual simulation experiment system is used to simulate the process of urban surface runoff and concentration under different precipitation conditions， reproduce the operation process of each unit of urban drainage system， and achieve the same teaching effect as the real experiment. Through the virtual simulation experiment， students master the principle of SWMM model and the basic operation of software， deepen their understanding of the design， calculation and operation of complex drainage pipe network， stimulate students' interest in learning to a great extent， and improve students' engineering practice ability.

Key Words： Urban sewerage system; Virtual simulation; Experiment teaching; SWMM

排水管網(wǎng)系統(tǒng)作為給排水科學(xué)與工程專業(yè)主干核心課，包括理論教學(xué)、實(shí)習(xí)和課程設(shè)計(jì)3個(gè)主要環(huán)節(jié)。目前傳統(tǒng)的“快排”城市排水模式，已逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)椤霸搭^分散控制”為主的海綿城市模式[1，2]，這拓寬了排水管網(wǎng)課程的內(nèi)容，加大了課程的教學(xué)難度，給該課程的教學(xué)提出了新要求。城市排水系統(tǒng)設(shè)施眾多、形式多樣、水力計(jì)算復(fù)雜，傳統(tǒng)的教學(xué)方法無(wú)法呈現(xiàn)完整排水過(guò)程，學(xué)生只能看到排水管道、泵站等排水設(shè)施的外觀形態(tài)，卻對(duì)完整的城市排水管網(wǎng)系統(tǒng)及其運(yùn)行的過(guò)程缺乏了解，學(xué)生難以將理論聯(lián)系到實(shí)際。通過(guò)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，模擬不具備實(shí)驗(yàn)條件或難以實(shí)現(xiàn)的真實(shí)實(shí)驗(yàn)，達(dá)到與真實(shí)實(shí)驗(yàn)相同的教學(xué)效果，且具有安全、可靠、經(jīng)濟(jì)、操作靈活等優(yōu)點(diǎn)[3]，是目前實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要組成部分及熱點(diǎn)研究方向。

目前，InfoWorks ICM、Mike Urban等排水模型軟件已廣泛應(yīng)用于城市排水系統(tǒng)模擬仿真和設(shè)計(jì)運(yùn)行，但此類商業(yè)軟件因價(jià)格昂貴，限制了其在教學(xué)方面的應(yīng)用。SWMM模型是由美國(guó)國(guó)家環(huán)保局開(kāi)發(fā)的城市排水管理模型，該模型能夠?qū)崟r(shí)模擬降雨過(guò)程中的產(chǎn)流、匯流、管道輸送、污染物累計(jì)和沖刷過(guò)程，是目前最常用的城市降雨-徑流-水質(zhì)模型，廣泛應(yīng)用于世界各國(guó)城市排水系統(tǒng)的規(guī)劃、設(shè)計(jì)與管理[4，5]。因其具有小巧、免費(fèi)且源代碼公開(kāi)的優(yōu)點(diǎn)，非常適合應(yīng)用于城市排水系統(tǒng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)。為此，本文借助SWMM軟件實(shí)現(xiàn)城市排水管網(wǎng)系統(tǒng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，再現(xiàn)排水系統(tǒng)各單元的運(yùn)行流程，仿真不同降水條件下的城市地表產(chǎn)匯流過(guò)程，從而加深學(xué)生對(duì)城市排水系統(tǒng)工作原理、水力計(jì)算、工程設(shè)計(jì)等知識(shí)的理解，提高學(xué)生的城市排水系統(tǒng)工程實(shí)踐與管理能力。

1? 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)構(gòu)建

1.1? 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

排水管網(wǎng)系統(tǒng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的目的在于解決排水管網(wǎng)系統(tǒng)課程理論知識(shí)“碎片化”與實(shí)踐教學(xué)“表面化”兩大難點(diǎn)問(wèn)題，將課堂教學(xué)、傳統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)和虛擬仿真教學(xué)有機(jī)結(jié)合（見(jiàn)圖1），具體如下。

（1）了解城市排水管網(wǎng)系統(tǒng)虛擬仿真建模技術(shù)的基本原理與方法。

（2）通過(guò)對(duì)匯水區(qū)域劃分與排水管網(wǎng)系統(tǒng)信息化處理方法的學(xué)習(xí)與實(shí)踐，從直觀上認(rèn)識(shí)城市排水管網(wǎng)系統(tǒng)的整體構(gòu)成及運(yùn)行方式。

（3）通過(guò)模型參數(shù)率定和模型計(jì)算，進(jìn)一步掌握排水管網(wǎng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算理論和方法。

（4）通過(guò)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，掌握不同排水體制的特點(diǎn)，了解“海綿城市”的設(shè)計(jì)理念和雨水綜合利用的方式。

1.2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)構(gòu)建包括4個(gè)主要步驟，分別為數(shù)據(jù)資料整理、模型概化、模型參數(shù)選取和模型參數(shù)率定與驗(yàn)證（見(jiàn)圖2）。

1.2.1 數(shù)據(jù)資料整理

構(gòu)建模型所需包括水文、下墊面、排水系統(tǒng)和邊界條件四種類型資料，具體見(jiàn)表1。

1.2.2 模型概化

根據(jù)建模區(qū)排水管網(wǎng)資料及SWMM模型配置要求，結(jié)合地形、土地利用狀況及管道走向等情況，對(duì)建模區(qū)進(jìn)行子匯水區(qū)域劃分;根據(jù)建模區(qū)域雨水管網(wǎng)CAD圖和土地利用類型分布圖，利用GIS軟件獲取子匯水區(qū)數(shù)據(jù)，包括特征寬度、平均坡度、管長(zhǎng)、管徑及節(jié)點(diǎn)高程。

1.2.3 模型參數(shù)選取

SWMM模型中參數(shù)分為確定參數(shù)和不確定參數(shù)兩類。確定參數(shù)可利用現(xiàn)有基礎(chǔ)數(shù)據(jù)獲得，如子匯水面積、管長(zhǎng)、管徑、節(jié)點(diǎn)高程等，在建模中不需要率定;不確定參數(shù)是需要通過(guò)算法率定，或經(jīng)過(guò)查閱相關(guān)資料、研究分析或經(jīng)驗(yàn)值法來(lái)確定，如入滲模型參數(shù)、曼寧粗糙系數(shù)等。

1.2.4 模型驗(yàn)證

將輸入實(shí)際降雨數(shù)據(jù)輸入模型，計(jì)算獲得結(jié)果，通過(guò)與監(jiān)測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比，驗(yàn)證模型的可靠性，選用相對(duì)誤差作為評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)。

（1）

式中，為實(shí)測(cè)洪峰流量;為模型計(jì)算得到的洪峰流量。

誤差允許范圍可按城市排水系統(tǒng)水力模擬應(yīng)用規(guī)范[6]規(guī)定。若相對(duì)誤差在誤差允許范圍內(nèi)，表明模型計(jì)算結(jié)果可靠，能用于虛擬仿真實(shí)驗(yàn);反之，重新調(diào)整參數(shù)，直至滿足精度要求。

2? 教學(xué)過(guò)程與考核

教學(xué)實(shí)驗(yàn)主要包括實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備、虛擬實(shí)驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)總結(jié)三大環(huán)節(jié)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行學(xué)生交互性操作設(shè)計(jì)，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)環(huán)環(huán)相扣，若其中一步設(shè)計(jì)不合理，會(huì)對(duì)整個(gè)流程的操作產(chǎn)生影響。

2.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

實(shí)驗(yàn)前期準(zhǔn)備包括熟悉水文、管網(wǎng)、地形地貌等相關(guān)資料，閱讀實(shí)驗(yàn)手冊(cè)、觀看引導(dǎo)視頻，掌握實(shí)驗(yàn)原理、方法及操作步驟等。實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)知識(shí)點(diǎn)測(cè)試滿分10分，錯(cuò)一個(gè)扣1分，成績(jī)低于6分為不合格，需重新學(xué)習(xí)，直至考核合格后方可進(jìn)入下一環(huán)節(jié)。

2.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

選取三種國(guó)內(nèi)最常見(jiàn)的排水模式作為虛擬仿真實(shí)驗(yàn)情景，分別為直排模式（模式1）、直排+調(diào)蓄池排水模式（模式2）和海綿城市排水模式（模式3），將學(xué)生分為三組，每組學(xué)生選取一個(gè)排水模式進(jìn)行虛擬仿真實(shí)驗(yàn)。進(jìn)一步進(jìn)行參數(shù)的率定，該環(huán)節(jié)是虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的重點(diǎn)。子匯水區(qū)面積、節(jié)點(diǎn)高程、管長(zhǎng)、管徑等參數(shù)不需要校準(zhǔn)調(diào)整，要求學(xué)生根據(jù)所給資料通過(guò)統(tǒng)計(jì)計(jì)算獲取。入滲模型參數(shù)、曼寧粗糙系數(shù)等，要求學(xué)生通過(guò)算法校準(zhǔn)，或是需要學(xué)生根據(jù)所學(xué)的理論知識(shí)，結(jié)合工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行選取。根據(jù)參數(shù)選取的準(zhǔn)確度計(jì)算出實(shí)驗(yàn)操作得分。

2.3 實(shí)驗(yàn)總結(jié)

給出實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備、實(shí)驗(yàn)過(guò)程2個(gè)環(huán)節(jié)成績(jī)，實(shí)驗(yàn)總結(jié)提交后由任課教師進(jìn)行評(píng)分。三部分成績(jī)總和即為實(shí)驗(yàn)課程總成績(jī)?？己讼到y(tǒng)具體考核內(nèi)容、要求及評(píng)分細(xì)則見(jiàn)表2。進(jìn)一步通過(guò)對(duì)3種模式的模擬結(jié)果分析和對(duì)比的講解，使學(xué)生深入了解實(shí)際中常見(jiàn)的3種排水模式的特點(diǎn)，掌握排水管網(wǎng)設(shè)計(jì)與運(yùn)行管理的方法。

3? 結(jié)語(yǔ)

（1）排水管網(wǎng)系統(tǒng)模擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蚰M不同降雨下地表產(chǎn)匯流情況，可視化分析管網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行情況，讓學(xué)生直觀清楚地了解城市排水系統(tǒng)運(yùn)行的完整過(guò)程;

（2）建立了城市排水系統(tǒng)運(yùn)行虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，對(duì)于城市給水、熱力等市政管網(wǎng)系統(tǒng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的建設(shè)，具有一定參考價(jià)值;

（3）應(yīng)用該實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)，不僅能使學(xué)生掌握SWMM排水模型原理和軟件基本操作，而且有利于深入透徹理解城市排水管網(wǎng)設(shè)計(jì)計(jì)算理論和方法，很大程度上提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和工程實(shí)踐能力。

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