2 应用示例
排水系统的布局不仅影响着排水管网相关工程的施工量和工程成本，而且对于排水系统整体的运行状况起着决定性的作用。数字排水（DigitalWater）平台开发的管网负荷分析和布局优化模块不仅可以在排水系统规划阶段指导排水系统的布局连通，还可以对已有的管网布局进行优化调整。本例中以某区域的管网布局调整来介绍应用数字排水（DigitalWater）平台进行管网负荷分析和布局优化的基本方法。
2.1 现状管网分析
全面准确地了解城市现有排水管网的结构特征和运行状态是对排水系统进行布局优化的基础。首先，根据水文、地形、GIS图、管网数据等资料，利用数字排水（DigitalWater）平台强大的建模功能，构建现状排水管网的模拟模型。然后，利用数字排水（DigitalWater）平台的现状分析功能（详见本刊2008年第5期）进行管网的静态结构分析和动态模拟分析，评估当前管网的结构和运行状态。
对实例区域的现状管网模型进行结构分析可知，该区域内污水经过管网汇集后全部收集到位于所在排水流域西北的污水处理厂。管网主干管道为东西走向；查看管网要素属性表可知，该流域中有一泵站。
对现状管网模型进行水动力学模拟计算，查看分析模拟结果以了解现状管网的负荷分布状况。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）的平面专题渲染图、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查看管道在不同时间的运行状态，如下图所示。

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管道充满度专题图见主地图窗口，结合专题图设置可知深色显示的管道充满度均在0.7以上，图中泵站上游南侧分支管网（方框范围内）均显示为深色，说明这一部分管道充满度大，管网负荷过大，影响管网的运行效率和安全，而其他部分管网在运行高峰时刻的管道充满度大都维持在0.5以下，满足正常运行的要求且有“富余”的排水能力可以利用；通过管道纵断图分析可知，泵站上游南侧分支管道没有逆坡，但管道内水位较高，大部分时间处于满管状态；模拟结果统计显示，泵站上游有91根管道的充满度长期过大，在一典型日的模拟过程中，满管时间超过10小时；通过泵站上游节点的水深变化曲线可知，在一典型日的运行过程中，上午8点以后该节点的水深一直处于超载（重力流管渠中，雨污水处于压力流但尚未溢出地面造成洪灾的水力状态）的状态，不仅严重影响排水的效率，对下游泵站造成过大排水压力，而且突发暴雨时会发生污水管网溢流的风险，埋下安全隐患。通过以上分析可知，现状管网中管网负荷分布不均衡，含有泵站的上游分支管网负荷过大，造成局部管网排水不畅甚至有安全隐患。

2.2 管网布局优化设计
排水管道负荷过大会导致排水不畅，造成检查井积水、甚至引发溢流，对周围的生态环境造成危害。因此需要采取有效措施降低泵站上游南侧分支管网的运行负荷。利用数字排水（DigitalWater）平台的管网空间分析功能调用该分支管网的纵断图可知（见图2），该分支管网管道逆坡现象比较严重，泵站上游的污水全部依赖的污水泵站的提升进入下游。由于该区域人口密度较大，目前污水量负荷超出泵站的提升能力，导致泵站上游91根管道的充满度长期过大，管道的超负荷运行势必会导致一系列的问题。


针对这一问题，目前在实际排水管理过程中一般采取增加管径、改变管道埋深或者增加排水泵站的装机容量等措施。但由于需要改造的管道数量多达91 根，故增大管径或者改变管道埋深的措施实际实施起来工程量较大，不仅消耗大量人力物力，而且由于施工时间较长，将会对该区域居民的生产生活带来诸多不便。相对来说，增加泵站的提升功率工程量小且耗时较短，但是由于泵站上游流域面积较大，要及时将上游管网输送的污水负荷提升至下游对于泵站的提升能力有较大要求，会消耗大量的能源造成了经济上的浪费。对负荷过重的管网周围其他区域管网的充满度专题图分析可以发现，周边分支管网的运行负荷都较小，在管网运行的高峰时刻，管道充满度都不超过0.5，说明这部分管网存在可利用的排水能力。因此，没有必要采取提高能耗的方法来解决该局部区域管网负荷过大的问题。
但是管网布局连通的排水路线有多种选择，哪种路径是可行的，哪种路径最好的，布局调整后是否会对接入区域的管网负荷产生不利影响，这些问题通过传统的分析方法是无法解答的。DigitalWater集成了排水管网的各种属性信息和水力模拟结果，既可以查看管道的高程、埋深以及周围概况以确定是否适合接入，又可以对接入后的管网布局连通方案进行快速模拟分析。排水管理者可以在一个平台上方便的完成布局连通方案的生成和布局调整后的模型构建及管网水力负荷分析。在本例中，分析与泵站南侧这一分支管网临近的分支管道，通过查看管道节点的井底高程可知，这部分管网的检查井井底高程高于邻近分支管网末端检查井的井底高程，可以将这部分管网接到临近的其他管网上。本着工程量最小的原则，选用距离北侧分支管网中最近的节点作为布局调整的接入点，同时将该点的下游管道断开，连通到负荷较小的北部分支管网，具体可见下图。

利用数字排水（DigitalWater）平台的编辑和管道水力计算功能可实现布局调整方案设计和模型计算参数的同步修改，即在设计的同时自动构建了布局优化后的管网模拟模型。在修改完成后直接进行模拟计算，然后查看模拟结果，分析布局优化后的区域水力负荷状况。

2.3 布局优化效果评估
通过对布局连通调整后的管网进行模拟，分析管道的充满度情况、分析优化方案是否有效降低了原来的管道负荷，是否对接入点下游造成不利影响。本例中，模拟结果见下图。


通过主地图窗口的管道充满度专题图可以看出，布局调整后，泵站南侧分支由于污水量的减少，泵站可以及时将上游污水输送到下游，泵站上游管道的充满度已降低到0.3左右；泵站上游的节点水深变化曲线说明，上游节点的水深也降低到0.2m左右，没有溢流风险。布局调整后，接入点下游的管道充满度在管网运行高峰时刻仍可保持在0.5以下；接入点下游管道纵断图显示管道内水流稳定，未对接入点下游造成过大的负荷冲击。以上分析说明在本例中将负荷较大的管网上游管道排水引入负荷较小的管网后，管网整体运行良好，管网布局优化方案达到了很好的效果。
本布局优化方案在施工过程中仅需增加三根连接管道、打断接入点与原有下游管网的连接即可，在保证较低工程量和经济成本的同时，实现了管网资源的优化调整，平衡了管网的负荷分布，而且避免了增加升级泵站运行能力的高能耗做法，所以该布局连通方案不仅在技术上可行，而且在经济上也节约了施工和运营成本。

3 技术路线
调整排水管网的布局连通是一项专业性很强的工作，往往“牵一发而动全身”。为了简化操作和方便用户，数字排水（DigitalWater）平台开发了流程化的操作模式，利用平台的建模功能、现状分析功能、管道设计计算功能和动态模拟分析功能等可以实现新区域排水规划、管网升级改造、事故处理等多种条件下的排水管网布局调整方案分析与优化。
利用数字排水（DigitalWater）平台进行管网布局优化的工作流程见下图。

图 6 污水管网布局优化技术路线图

首先根据现状排水管网数据或排水规划设计方案构建排水管网的模拟模型；然后利用数字排水（DigitalWater）平台的管网分析和计算模拟模块进行排水管网的静态结构分析和动态模拟分析以了解管网的结构和运行状况，发现目前管网中存在的问题及原因；分析区域排水状况，在技术可行和经济合理的原则下进行管网布局的调整方案设计，方案设计的同时生成布局调整后的排水管网模拟模型；数字排水（DigitalWater）平台实现了一键式的设计转模拟，通过对布局调整后的排水管网进行水动力学仿真模拟并分析管道充满度、流速、水位、节点水深等模拟结果以考察布局调整后的管网负荷情况；如果模拟结果分析显示布局调整后仍未能满足管网正常运行的要求，则重新设计管网布局调整方案，直到管网可以安全有效运行。
4 结论
随着城市化进程不断加快，城市排水管网系统的规模越来越大，排水管网管理的难度也相应增大。合理优化的排水管网的布局连通不仅可以降低管道系统的基建投资和运营管理费用，而且可以有效提高现有管网的运行效率，对于新建城区的排水管网规划设计和老城区原有排水管网的升级改造都具有十分重要的意义。
数字排水（DigitalWater）平台将GIS与专业的排水管网水力水质计算模型相结合，开发设计了管网负荷分析与布局优化模块。利用该平台不仅可以在管网负荷分析和结构分析的基础上发现管网系统布局的缺陷及原因，进而提出管网布局连通的调整方案；而且通过设计模拟一键式功能，可以对布局调整方案进行快速模拟分析以评估布局优化调整的效果，从而为排水系统布局优化分析提供科学依据和决策支持，使得流域级别的综合管理模式得以实现。

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