数字排水（Digital Water）模块七：管网规划设计与模

2009年04月20日 16:36:54

2楼

1 前言
随着经济的快速发展，城市建设日新月异。城市建设，规划先行。城市排水系统是城市重要的基础设施，排水规划是城市规划中的一项重要内容，实现城市排水系统的高水平规划对于城市的健康、可持续发展有重要意义。
但是，长期以来多数城市的排水规划都落后于城市建设，传统的排水规划设计只能依靠公式化的手册或经验进行，合理程度难以保证，且设计计算过程需要反复查阅计算工具书，进行大量的人工计算，工作效率低。由于规划方案在实施过程中会发生变更，而相应的排水规划并没有及时做科学有效的调整和优化，为后续的运行管理埋下诸多隐患。为了切实提高城市排水规划的效率和水平，加强规划的指导性和可操作性，城市排水系统规划需要开辟新的途径，寻找新的技术支持手段。
利用数学模型可以实现对城市排水系统的动态仿真模拟，为排水规划提供技术和决策支持。排水系统模型涉及大量资源、环境、经济、地形、水文等不同种类和特点的数据，建模工作量大且极为繁琐，而GIS 具有强大的数据管理功能、空间分析和网络分析功能，可以为排水系统模型的构建提供技术支持。

数字排水（ DigitalWater ）平台将地理信息系统（GIS ）和专业的排水管网水力水质计算模型相结合，开发了完善的排水数据集成管理、空间数据查询与分析、动态模拟计算和模拟结果多视图展示等多种功能。在此平台上开发的城市排水规划辅助设计模块实现了“设计与模拟的一体化”。利用该模块，可以进行排水管道系统的规划布局、排水管道水力计算、管道纵断图生成、规划方案一键转换为模拟方案、规划方案的模拟评估及优化等科学分析操作，这样既能快速便捷的设计城市排水规划方案又能通过模型动态模拟和评估规划方案，可有效提高排水规划的工作效率和可靠性，降低不合理的工程费用，为城市排水规划提供强有力的技术支持。

[ 本帖最后由 jvivienned 于 2009-4-20 16:39 编辑 ]

jvivienned

2009年04月20日 16:43:17

3楼

2应用示例
2.1 规划方案设计
2.1.1 规划区域概况
新区域排水规划首先需要掌握规划区的自然概况、区域总体规划和所属流域内的排水现状。本示例中规划区域面积 15 公顷，规划性质为居住小区，规划居住人口 1 万人，新建小区所在流域内现有一座污水处理厂，处理能力约为 7 万吨 / 日。规划采用雨污分流排水体制，雨水自然排放到附近水体，本例只对新建区域的生活污水排放系统进行规划和分析。新建区域南侧沿街道布置有污水管道，管径为 D600 － D1500mm ，根据充分利用原有排水设施的原则，将规划区域内的生活污水经小区污水管网收集后接入原有城市污水处理体系。
2.1.2 污水排放系统布局

图 1 规划区管网及生成汇水区示意图

利用数字排水（ DigitalWater ）平台进行新区域规划方案的设计，首先要确定排水边界，进行管道系统的定线。在分析卫星影像图和土地利用规划图等基础资料、区域的建筑物及街道的分布情况、地形和水文地质条件的基础上，利用数字排水（ DigitalWater ）平台的方案编辑功能以区域土地利用规划图为背景（见上图）快速绘制规划区域内的检查井和管线，确定管道的平面位置和水流方向。通过平台提供的自动量算工具测得规划区规划污水管道总长约 1073 米。利用系统的汇水区自动划分功能将规划区域自动划分为 9 个子汇水区，同时实现汇水区与对应检查井和管线的关联，如上图所示。

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jvivienned

2009年04月20日 16:55:03

4楼

2.1.2 污水量计算
污水排放量是城市污水管道系统规划设计的基础数据，在管网平面布置初步确定后，需要估算规划区域的污水排放量。数字排水（ DigitalWater ）平台以给排水设计手册为指导，开发了污水量预测界面，用户只需输入少量设计系数即可完成污水量的预测和分配。根据预测依据的不同，分别开发了根据定额标准、根据设计系数、根据土地利用信息和根据人口信息的四种污水量预测方法。

图 2 污水量预测窗口

本例中采用根据人口信息的预测方法，首先根据建筑面积计算居住人口和用水总量，设定污水排放系数等参数，具体参数设定如下：规划区污水量主要由居住污水量和公建污水量组成，根据城市总体规划，到 2010 年每人每日生活用水中居住用水不超过 160L ，公共建筑用水不超过 200L ，规划污水排放系数取 0.9 ，污水集中处理率 100% 。将这些参数通过图 2 所示的界面输入到平台中，平台将依照设置的参数结合规划区域土地利用情况，自动计算该区域污水总排放量，并进行各检查井的污水量分配。
2.1.3 管道水力计算
污水量计算和分配完成后，进入图 3 所示的界面进行管道的水力计算和校验。利用辅助设计模块，所有计算和校验过程均可自动完成，即在污水量预测和分配完成后按照室外排水规范中的方法自动进行相关的水力、高程等计算，得到管道的设计参数，初步完成规划方案的设计，之后设计人员可以根据规划地区的其他情况对管径、坡度、埋深等参数进行人工干预调整，系统将自动进行调整后的设计计算，大大降低设计计算的工作量。本示例规划区域的排水规划方案中管道的设计尺寸和管径、埋深等主要计算结果如表 1 所示。

图 3污水管道水力计算

[ 本帖最后由 jvivienned 于 2009-4-20 16:56 编辑 ]

jvivienned

2009年04月20日 17:03:38

5楼

2.2
方案评估
方案设计完成后，平台可通过一键操作将规划方案转换为规划情景下的排水管网模拟方案，实现规划数据到模拟分析数据的无缝衔接。然后设定相应的排水情景（如每个区域的排水日变化曲线、排水量的进一步校正等），通过情景模拟功能对规划方案进行模拟分析，获取规划情景下排水系统的运行状态的模拟结果数据。为了方便用户分析模拟结果，平台设计了多窗口的显示模式，各种结果 ( 流速、水深、流量、充满度等 ) 的专题渲染图、管道纵断图、横断面图、模拟结果曲线和三维视图等均可于同一界面显示，并可通过对时间轴的控制实时查看管道在不同时间的运行状态，如图 4 所示。

图 4 规划方案评估结果分析界面

通过对设定情景下规划区域内排水管道充满度的分析（见图 5 ）发现：在管道流量低峰时刻（ 2 ： 00AM ），管道充满度较低，均在 0.4 以下；但当管道流量达到高峰的时刻（ 7 ： 00PM ），管道充满度达到了 0.6 以上，个别管道甚至超过了 0.9 。管道充满度过大，将导致管道流速降低，易造成管段淤积，且管道压力过大，影响管网系统的安全运行。因此该规划区域管道设计方案存在缺陷，需要对设计方案进行调整、优化。

图 5 初步设计方案中低峰和高峰时刻管道充满度专题图

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jvivienned

2009年04月20日 17:16:02

6楼

2.3 方案优化
通过对规划方案中管道设计参数的综合分析可得出以下结论：管道尺寸较小是造成管道充满度过大的主要原因。利用数字排水（ DigitalWater ）平台中的管道属性编辑功能，对充满度过大的部分下游管道的管径尺寸进行调整，具体调整方案见下图。将调整后的方案利用平台进行模拟，通过对比规划方案优化前后模拟结果专题图可知，规划方案优化后，管道的充满度降低，如图 6 示，管道的最大充满度不超过 0.7 ，管网系统可以安全稳定的运行，优化后的规划设计方案是更加科学可行、符合实际情况的方案。

图 6 设计方案优化前后管道充满度（高峰时刻）

[ 本帖最后由 jvivienned 于 2009-4-20 17:18 编辑 ]

jvivienned

2009年04月20日 17:17:17

7楼

3 技术路线
排水系统建模和应用是一项复杂的工作，要求使用者既了解 GIS 技术、模型技术，又具有丰富的城市排水系统设计和管理经验。基于简化操作和方便用户的目的，数字排水（ DigitalWater ）平台为管网规划设计与模拟开发了流程化的操作模式，并通过平台中的排水管网建模功能、污水量预测模块、管道设计计算功能和动态模拟分析功能等来实现的。

图 7 规划方案设计工作流程

工作流程 ( 见图 7) 是根据城市排水系统建模标准流程和室外排水工程设计规范要求综合进行设计，结合丰富、专业、直观的结果显示功能，使建模技术和排水管网规划方案有机结合在一起。首先根据 GIS 图和土地利用规划图等进行管道的定线，然后进行污水量的估算和分配进行管道的水力计算，由于数字排水 (DigitalWater) 平台实现了设计和模拟的一体化，方案设计完成后平台将自动构建规划情景下的管网模拟模型。通过设定规划情景参数，进行模拟并通过模拟结果中的管道充满度、水位、流速等参数分析管网运行的负荷情况，若管网负荷过大则需要进行设计方案的调整和优化，直到设计方案满足管网正常运行的要求。
4 结论
城市排水系统是城市重要的基础设施，排水规划方案从根本上决定了排水管网的结构和运行状况，实现城市排水系统的高水平规划对于城市的健康、可持续发展有重要意义。数字排水（ DigitalWater ）平台实现了城市排水工程规划与排水管网建模的“一体化”，不仅可以进行规划方案管道参数的自动计算和模拟模型的快速构建；而且利用管网模型的水动力学模拟和多模式的结果分析功能实现对排水规划方案进行直观、科学的评估与优化调整。该平台可以为城市排水管道系统规划的设计、制图、计算、模拟、评估和优化提供强有力的技术支持，有效提高了排水规划设计和管理的效率和水平。
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咨询电话： 400-686-6901
E-mail: support@digitalwater.cn
网站 : http://digitalwater.cn

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