水力模型的智慧排水工程设计与应用分析

王 萌

济南市市政工程设计研究院（集团）有限责任公司，山东 济南 250000

1 水力模型的特点

城市排水管网规模较大，且纵横交错、较为复杂，不便于城市排水管理，基于此，可根据排水管网的真实数据调研，将其转化为可视化的图形和数据分析系统，即排水管网水力模型。模型将复杂的管网组成、关系及水力特性简化成管段和节点，定义其工程特性，便于日常的城市排水管理过程中对其进行计算、表达。通过排水管网水力模型对城市的实际排水性能及各种影响因素进行模拟，能够充分掌握城市的排水管网情况，通过模型掌握排水管网在不同降雨程度下的水力状态，及时调整改善城市排水管网条件，实现城市排水工程的及时、高效管理。

2 水力模型的构建过程

在构建排水管网水力模型的过程中，通过相应的建模软件可对城市的排水管网进行水力动态模拟分析，进而为城市排水系统方案的制订提供技术支持。其中，在选择建模软件时，要确保软件具备视图、编辑、流量分配、水力分析及结果查看等功能，另外还要求其能够支持与GIS平台的数据传输整合。例如对模型构件属性进行数据添加及修改功能等，方便工作人员在日常城市排水管理过程中对其进行编辑修改。

通过采集城市排水管网的各项数据，初步构建管网的水力模型，对管网的节点、测量井、泵站及CSO等进行现场数据勘察，完善管网水力模型附属构筑物的详细信息，对于缺失的模型数据信息，可以通过查询历史施工资料或雷达探测进行缺失数据补充，也可以对排水管网施工及运行使用过程中的影像资料进行重点分析，科学划分积水区域。对城市的人口数量，增长速度、土壤条件及城市污水量等数据进行调研，并详细录入水力模型中，完善人口、污废水、土地径流系数等模型数据。

构建完水力模型后，需要对其进行审核校验、水力分析，并进行具有针对性的优化调整。在晴天及不同降雨强度下测量管网中的流速、水流量和水位高度，检查水力模型是否贴合实际情况。收集城市的历史降雨管网数据，将水力模型的模拟数据与之对比，开展进一步的核查校验。以城市实际降雨情况和历史降雨数据为设计需求，完成排水管网现状和未来发展状况的模型设计，通过对城市排水管网现状的实地勘察情况，对其进行风险评估，从而针对其排水薄弱点进行改善。水力模型构建审核无误后，利用模型平台的树状视图和三维分析功能，检查管网上下游之间的连通情况是否合理，将城市管网排水系统各管段的排水负荷情况进行规划、统计，从而评估排水现状管网的运行状况，便于城市排水管理工作的开展[1]。

3 基于水力模型的智慧排水应用

3.1 智慧排水门户

将众多城市排水管理过程中的信息进行集成，构建信息发布及浏览的界面，即智慧排水门户，包括将污水处理厂、泵站、管网实时数据与水力模型结合，从而达到对城市排水系统的一体化管理。智慧排水门户以集成城市排水企业众多系统为出发点，打造综合化管理平台，防止造成信息沟通交流不便、传递不及时的问题，完成多源、多系统结合的信息数据共享平台建设。对于平台访问采用单点登录及多框架集成技术，应用统一的集成管理模式，提高风险防范能力与管理效率，降低企业的管理维护成本，提高系统的综合效益，为城市排水系统管理和企业起到增值的作用[2]。

3.2 集中化统一运行管理

智慧排水在建设投入运行之后，将对城市污水处理厂、管网、城市年降水量及城市周围河流等信息进行统一的监督管理，打造对城市关于排水一切信息的数据监视、报警功能，实时监督城市污水处理厂、泵站及管网的运行情况，体现出对实时动态信息的集成化及对材料、人员的集中管理特性，同时将城市排水管网运行过程中的风险可视化，对风险等级进行评估，优先将高风险因素进行预警和处理，完成对不同地域多污水处理厂、泵站的集成统一化管理[3]。

3.3 优化城市排水管网

对管网在排水过程中的流速和压力进行评估，并用不同的颜色区分高、中、低风险级别，通过GIS平台城市地图将其直观地展现出来，方便城市智慧排水管理运行。针对排水管网的复杂结构及管网上下游之间的联系进行分析，充分掌握管网的结构信息，进行雨水、污水管网在不同降水程度下的排水动态模拟，计算城市排水管网的最大负荷，分析城市管网的流速、压力，以及城市排水系统的薄弱环节能否完成城市的排水任务，根据城市的实际情况，对排水管网系统进行优化改进，通过水力模型结合智慧排水系统，对污水管道系统进行动态模拟，排查管网使用过程中容易发生溢流的污水节点，利用GIS城市地图，将其按不同风险程度以不同颜色进行展示、预警，进而对排水管网薄弱处实施改进措施[4]。将构建的水力模型与GIS城市地图结合，能够在设备上查询任意段管道节点的水位高低、压力大小的等情况，进行实时监控，便于在防汛过程中的预防、管理工作。另外，在不同降雨强度、城市发生火灾等用水时，能够对排水管网进行实时信息查询。智慧城市排水系统能够按照城市的实际降雨强度等情况，对排水管网进行不同情况的模拟分析，并对管网的现状和负荷情况进行评估，分析、排查排水管网在城市不同排水强度下的运行风险，进而改进优化管网系统。

3.4 合理调度泵站资源

通过分析排水管网历史运行数据及现状，根据城市的实际降水和排水情况，对管网运行状况进行预测，模拟分析不同强度下的排水情况，计算泵站的运行负荷，对单极泵站与多级泵站进行联合调度，提高城市对洪涝灾害的风险抵御能力。

3.5 水力模型模拟管理

通过软件构建水力模，与信息化平台结合，直观地展现出模型结果，加大城市排水管理工作中的决策与合理调度力度。排水公司将管网水力模型结合智慧排水系统，将其应用到实际的城市排水管理工作中，达到模型数据与管网运行结果的共享目的，利用GIS地图直观展示水力模型模拟分析结果，科学、高效地完成城市排水工作的管理。

3.6 调度方案管理

以方案管理理念作为城市排水管理工作的基础，采用方案管理模式对排水管网系统中的各时段模型实现在线、离线管理，通过模型模拟、编辑、分析、展示等功能，为用户提供更便捷的管理方案。利用方案库概念构建城市排水系统方案体系，形成一系列的方案模板，用户针对不同情况下选择合理的方案。运用水力模型技术，结合方案管理模式，完成排水系统对各类模型的构建，按照城市的实际排水需求，进行更细致、更贴合的模型调整，用最短时间得到满足实际需要的模型文件，并且能够完成针对不同强度降雨的动态模拟排水过程，将其以动画形式的播放。

3.7 防汛工作合理调度

对城市的实际降水情况、泵站运行状况、管网负荷等数据进行分析，对于部分排水薄弱点，例如城市低洼地区的雨水井，通过降雨模拟，分析计算该处在不同降雨强度下是否存在排水不及时现象，以及积水的面积和深度情况等，进而对其不同风险程度进行评估、预警。综合分析城市的整个管网排水状况，排水存在风险的区域按照不同程度进行划分，形成城市排水状况分析图，为城市防汛工作提供应急预案，在防汛过程中能够合理调动资源应对。

3.8 排水系统具备智能感知

城市指挥排水系统在实际应用中具备良好的智能感知功能，能够及时完成城市排水管网的数据、风险信息采集。在建设城市智慧排水系统过程中，采用各种检测设备，对污水处理厂、泵站、排水管网及城市周边水域、城市降水情况进行实时监测，将所有信息进行集成，以数据和视频的形式展现出来，打造统一、标准、共享的城市排水管理平台。通过数据周期管理制度与智慧排水管理系统结合，形成数据集成、共享管理平台，提高城市排水管理工作过程中的实时性与高效性，增强城市排水管理的稳定性。

3.9 移动设备指挥排水应用

城市智慧排水工程建设过程中，可以将嵌入式GIS、空间分析等技术应用到移动设备上，利用互联网和无线通信技术形成智慧排水的移动指挥终端，使其具备GIS辅助查询、实时监督、报警以及通信等功能，提高城市应急指挥过程中的信息发布、查询等功能的高效性，实现城市防汛应急管理的一体化和高效管理。

4 结束语

在现阶段城市的发展建设中，智慧排水建设与水力模型得到了越来越广泛的应用，为城市的防洪涝及城市排水管理工作提供了全新、高效的技术方法，将智慧排水与水力模型结合，并应用到城市排水建设工程中，可模拟城市排水系统的排水能力，并进行风险评估预警，提高智慧城市排水系统管理的主动性与精细化，以建立更加安全、绿色与节能的城市排水系统。