2 排水管网水力模型建立
给水排水管道系统 第四章 给水排水管网模型
第四章给水排水管网模型4.1 给水排水管网的模型化给水排水管网模型:给水排水管网是一类大规模且复杂多变的网络系统，为便于规划、设计和运行管理，应将其简化和抽象为便于用图形和数据表达和分析的系统。
简化：就是从实际系统中去掉一些比较次要的给水排水设施，使分析和计算集中于主要对象；抽象：就是忽略所分析和处理对象的一些具体恃征，而将它们视为模型中的元素，只考虑它们的拓扑关系和水力特性。
4.1.1给水排水管网的简化1. 简化原则：1)宏观等效原则；2)小误差原则。
2．管线简化的一般方法1)删除次要管线2)当管线交叉点很近时，可以将其合并为同一交叉点。
3)待全开的阀门去掉，将管线从全闭阀门处切断。
4)如管线包含不同的管材和规格，府采用水力等效原则将其等效为单一管材和规格。
5)并联的管线可以简化为单管线，其直径采用水力等效原则计算。
6)在可能的情况下，将大系统拆分为多个小系统，分别进行分析计算。
4.1.2 给水排水管网的抽象经过简化的给水排水管网需要进一步抽象，使之成为仅由管段和节点两类元素组成的管网模型。
(1)节点：分为a水源节点、b不同管径管材交接点、c两管段交点或大流量出入点，设节点数N(2)管段：两节点间的管线，设管段数M(3)环：起点和终点重合的管线，设环数L虚环：为了计算方便，将水源节点连接起来形成虚环，实际上并不存在，即将多水源化为单水源。
(4)管段和节点的属性管段和节点的特征包括构造属性、拓扑属性和水力属性三方面。
4.1.3管网模型的标识将标识的内容包括：节点与管段的命名或编号；管段方向与节点流向设定等。
(1)节点和管段编号；(2)管段方向的设定；(3)节点流星的方向设定。
4.2 管网模型的拓扑特性4.2.1管网图的基本概念(1)图的定义；(2)有向图；(3)管网图的连通性；(4)管网图的可平面图性。
4.2.2管网图的关联集与割集(1)节点的度；(2)关联集；(3)割集。
4.2.3路径与回路(1)路径；(2)回路。
给水管网水力模型的建立及应用
10 ％ ～ 20 ％；最大迭代次数 150 次；种子数 100 个；加速度 c1=1.5，加速度c2=2.5；惯性系数的最大值取1.4，最小值取0.4。 当连续25次迭代中函数的梯度之后数值仍然没有变化，则退出 迭代，终止计算。实测漏损系数值与校核值的比较如表2，从表 2可以看出最大误差为2.10%，可以满足计算要求。
表１ 算例管网参数
节点号 ２ ３ ４ ６ ７ ８ ９ １０ 水源 水池 基本流量／ （Ｌ／ｓ） １５ １５ １０ １５ ２０ １０ １０ １５ ０ ０ 地面标高／ｍ 时段 ７１０ ７００ ７００ ７００ ６９５ ７１０ ６９５ ６９０ ８００ ８５０ ０-１ １-２ ２-３ ３-４ ４-５ ５-６ 节点流量 变化系数 １．０ １．２ １．４ １．６ １．４ １．２ 管段 管径／ｍｍ １ ２ ３ ４ ５ ６ ７ ８ ９ １０ １１ １２ ８００ ４５０ ４５０ ５００ ３５０ ４００ ４００ ４００ ４００ ４００ ４００ ３５０
２ 挡土墙断面设计
由于挡土墙位于高边坡上，常规挡土墙结构形式无法满足 稳定要求，挡墙采用悬臂式钢筋混凝土+抗滑桩结构型式，顶部 宽度为85 cm，外坡比垂直，内坡比为1.00：0.05，墙高10.53 m， 底板厚2.00 m，宽4.00 m，如图1所示。
３ 基础处理
为保证挡墙基础不发生局部沉陷，便于应力扩散，在现有 开挖基础面上抗滑桩施工完毕后布置C20混凝土垫层扩大基础。
结合国内的给水管网实际情况推荐的模型校核标准如100测压点水压的实测记录值与计算值80测压点水压的实测值与计算值之50测压点水压的实测值与计算值之差对于管段流量占管网总供水量1以上的管段误差5以上的管段误差计算出的各节点水压分布情况与实测值吻合水压过低区域与实测值吻合各水源供水量供水压力与实测记录吻合
给水排水管网模型课件
参数敏感性分析
分析模型参数对模拟结果的影响程度，确定关键参数并进行精确 标定。
参数校准与验证
建立有效的校准和验证方法，确保模型参数的准确性和可靠性。
模型应用的拓展
跨领域应用
将给水排水管网模型应用于其他领域，如环境工程、交通工程等。
模型的应用领域
城市供水
雨水排放
用于模拟城市供水系统的运行状态， 优化调度，提高供水水质和降低运行 成本。
用于模拟城市雨水排放系统的运行状 态，预测暴雨时洪峰流量，优化调度 和控制策略，降低城市内涝风险。
污水处理
用于模拟污水处理厂的运行状态，优 化处理工艺和控制策略，提高污水处 理效率和降低能耗。
给水排水管网模型的建立
模型建立的方法和步 骤
01
02
03
04
确定建模目标
数据收集与处理
明确模型用于解决的具体问题， 如水量预测、水质模拟等。
收集给水排水管网的相关数据， 如管道长度、管径、流量等，
并进行预处理。
模型建立
根据收集的数据，选择合适的 数学模型，如线性回归模型、
神经网络模型等。
模型参数估计
利用已知数据对模型参数进行 估计。
复供水计划，降低事故影响。
给水排水管网模型的局限 性
数据获取的局限性
模型数据不完整
01
由于管网数据的采集和整理存在困难，导致模型所需的数据可
能不完整，影响模型的精度和可靠性。
数据更新不及时
02
给水排水管网数据的变化较快，但数据的更新往往滞后，导致
模型不能反映实际情况。
数据质量参差不齐
03
排水管道水力简化计算模型建立
排水管道水力简化计算模型建立随着城市化进程的加速，城市排水问题越来越受到人们的关注。
而排水管道作为城市排水系统的重要组成部分，其水力计算模型的建立对于排水工程的设计和运行至关重要。
传统的水力计算方法需要大量的手工计算和试错，工作量大、效率低、精度不高。
因此，建立一种简化计算模型是十分必要的。
基于此，本文从排水管道水力计算模型的基本原理和建模方法出发，研究了基于连通图的排水管道水力简化计算模型的建立。
一、排水管道水力计算模型基本原理在建立排水管道水力计算模型之前，先来了解一下排水管道水力计算模型的基本原理。
排水管道水力计算模型是建立在热力学定律基础上的。
这些定律包括连续性方程和能量守恒方程。
连续性方程描述了液体在管道内的流动特性，而能量守恒方程描述了液体在管道内的能量转换。
通过对两个方程的求解，可以获得管道内的液体流动参数，如速度、压力等。
二、排水管道水力计算模型建模方法1.连通图建模连通图建模是一种用图表示管道系统结构和连通关系的方法。
通过连通图可以清晰地表示出管道系统的备件、节点和运行状态，同时还能较为准确地描述管道系统的水力性能。
在连通图中，排水管道可以看作一个由节点和管道组成的有向图。
其中，节点代表了系统中的汇水点、排水点、泵站等，而管道则用有向线段表示。
为了对管道进行水力计算，需要将管道划分为不同的段，计算每段管道中的水力特性。
2.模型参数确定在管道的水力计算中，需要确定一些模型参数。
这些参数包括：管道几何参数、液体物性参数、管道摩擦系数等。
管道几何参数包括：管道长度、管道内径、横截面积等。
这些参数可以通过实际勘测或测量获得。
液体物性参数包括：液体密度、液体粘度等。
这些参数可以通过液体的化学成分来确定。
而管道摩擦系数则需要根据不同材料的管道、流速和液体物性参数来确定。
3.数值方法求解在确定模型参数之后，需要对连通图进行求解。
常用的求解方法包括迭代法、稳态方法等。
通过数值方法求解可以得到排水管道的流量、压力、速度和水头等水力参数，进而评估排水管道运行状态。
城市排水管网水力建模的研究
城市排水管网水力建模的研究摘要：本文首先简单介绍了排水管网水力模型的基本原理和所包含的几个模块的内容，以及建模的数据需求，然后对水力模型的应用方向和应用现状进行了介绍，最后对现阶段水力模型应用的推广存在的问题进行了简要分析，指出模型的应用是趋势所在，该领域应给与更多的重视。
关键词：排水管网；水力模型；建模一、引言我国目前大多数的排水管网规划设计仍沿用以经验公式为主的管道水力负荷计算方法，只考虑管网运行的最不利情况，而忽视了实际管网中入流水量是随着时间变化的[1]；只考虑当前设计管段，而忽略了其他相连管线运行时水流之间的影响，难以做到整个系统的优化。
造成上下游的管道坡度分配不够合理，管道内水体流态不好，管渠的淤塞现象严重。
而许多发达国家早已在管网设计中引入计算机模拟技术，通过搭建排水管网水力模型对管道的水力状况进行模拟，对校核验证管网布置的合理性具有重要意义。
本文将简要介绍排水管网水力模型的原理、构成及应用。
二、排水管网水力模型的概述2.1排水管网模型的基本原理城市排水管网系统主要由收集设施、排水管网、调蓄池、提升泵站、排放口等构成，而排水管网模型是将现实排水管网系统原型进行抽象和概化，根据管网的拓扑连接关系将各对象有机组合在一起，进而通过设置模型的边界条件进行模拟计算。
通过模拟各种工况下排水管网的运行状况，可以分析评估排水系统运行现状，找出排水系统中瓶颈管段，分析过流能力不够以及局部溢流的原因。
水力模型既可以重现排水系统过去的运行表现，也可以预测排水系统未来的运行表现。
并且在水力模型平台下制定各种改扩建方案，使整个系统在最优化状态下运行。
2.2排水管网模型的构成排水管网系统水力模型主要可分为以下四个模块：（1）降雨模型[2]降雨模拟就是描述降雨过程线的过程，可以分为两种。
第一种为数据资料较为完善的实测降雨模拟，该种情况利用实测到的降雨数据进行模拟计算；第二种是根据当地的降雨特性利用经验或者理论公式得到合成降雨曲线，利用合成降雨曲线进行模拟计算，适用于实测降雨数据缺乏的情况。
供水管网中水力稳态模型的建立与优化
供水管网中水力稳态模型的建立与优化随着城市化进程的加速和人口数量的不断增长，城市供水系统的建设日趋重要。
作为城市供水系统中的核心组成部分，供水管网扮演着极为重要的角色。
为了使供水管网的运行更加高效稳定，我们需要建立和优化供水管网中的水力稳态模型。
一、供水管网的组成供水管网包括水源、水处理、输水管道、配水管道和用户等组成部分。
其中，输水管道和配水管道的长度较长，分布范围广，是供水管网水力稳态模型建立的关键组成部分。
二、供水管网中水力稳态模型的建立重要性为了使供水系统能够高效稳定地运行，我们需要建立一套供水管网中水力稳态模型。
水力稳态模型可以模拟供水管网中的水流情况，帮助我们更好地了解供水管网的运行状况，并做出相应的调整和优化，将供水管网的运行效率提高到最优状态。
三、供水管网中水力稳态模型的建立方法及注意事项1.收集供水管网基础信息在建立供水管网的水力稳态模型前，我们需要对供水管网进行彻底的调研和了解，收集供水管网的基础信息。
包括供水管网的位于城市的哪个位置、供水管网的大小、管道的长度、截面积、径流速度等。
2.建立供水管网模型我们可以使用水力学软件建立供水管网水力稳态模型，包括流量公式、流速方程、摩擦系数的选择和计算等等。
水力模型的搭建需要基础的水力学知识，因此需要专业工程师的指导。
3.模型的优化建立水力稳态模型后，我们需要根据实际情况进行模型的优化。
例如，在考虑配水管道和输水管道时，我们可以通过调整管道的截面积和流速，来提高管道的传输效率。
四、供水管网中水力稳态模型优化的作用1.优化供水管网的设计和运行通过优化供水管网的设计和运行，我们可以实现更加高效、安全、稳定的供水服务。
2.实现供水管网的智能化管理建立水力稳态模型可以为供水管网的智能化管理打下基础。
提高智能化程度可以帮助我们更好地监控管道运行状况，并及时处理可能出现的问题。
3.保障城市供水的安全与稳定优化供水管网可以增强城市供水的安全与稳定性，减少因供水管网问题引发的安全事故。
水力模型在城市排水管网改造设计中的应用
水力模型在城市排水管网改造设计中的应用摘要：近年来，城市迅猛发展，不透水地面的比例不断提高，加上极端天气的频繁出现，地表暴雨径流量急剧增加。
而城市目前的雨水管网系统设计标准较低，大部分现状雨水管网系统的设计重现期为一年到两年。
这就导致雨季时，城市排水系统不堪重负，城区水浸现象频繁出现。
关键词：水力模型；城市排水管网改造设计城市排水系统正朝着兼顾水质、水量控制为特征的雨水管理的方向发展，排水管理的理念也从最初的就近快速排放发展到目前对安全、环保、节能和可持续性综合考虑阶段，因此对排水系统的高标准和严要求势必要求我们改变传统的排水系统设计思路和方法，积极引入排水系统水力模型作为工具，发展和创新排水系统的设计、管理手段，以期降低城市排水系统的造价，提高系统的性能。
一、水力模型的发展水力学理论的提出为排水系统模型的发展奠定了基础，20世纪70年代开始，计算机模型开始开发并运用于排水系统的规划设计中。
最早应用的是城市排水管网模型中整合GIS及图形预处理和数据前处理、后处理模块，大大加强了模型的输入和输出功能，提高了人机对话功能。
这一时期，一些原有模型的改进版本得到了推广和应用。
同时，排水系统模型的发展也越来越重视对水质的模拟，根据降雨过程中污染物累积、冲刷的物理现象，将雨水水量、水质按地面径流、污染物累积、污染物冲刷和雨水在排水系统内传输的过程进行模拟。
随着Windows图形界面操作系统的出现，使得城市排水管网模型软件的人机对话界面更加友好，有利于城市水文分析方法的普及。
商业化城市排水管网模型软件相继出现，加速了城市排水管网模型的应用进程。
二、水力模型在城市排水管网改造设计中的应用1.根据对城市排水管网的实际调查，如果该城市的排水体制是截流式合流制，那么部分地方就会设有单独的雨水管，通常会出现雨污混接的情况，整个排水管网系统中大概全都是合流制。
这种情况下水力模型的建立，需要根据旱天管网和部分雨水管网的运行状态一起考虑。
给水排水管道系统给水排水管网模型
4.2 管网模型的拓扑特性
四，路径与回路 1，路径 在管网图中，从节点V0到Vk的一个节点与管段交替的有限非零序 列V0 E1 V1 E2… VkEk称为行走，如果行走不包含重复的节点，则 行走所经过的管段集称为路径。路径所包含的管段称为路径的长 度。 V0和Vk称为路径的起点和终点。 2，回路 在管网图中，起点和终点重合的路径称为回路。 3，基环 当环中不包括其他环时，称此环为基环。
hij Hi H j Sij qinj
式中
H
i
,
H
为管段两端点的水压高程；
j
hij为管段的水头损失；
Sij为管段摩阻；
qij为管段流量。
回路方程
即管网中每一个环中各管段的水头损失总和等于零。这里 采用水流顺时针方向的管段水头损失为正，逆时针的方向 为负。即：
( hij )L 0 L 1，2，3 ，N
管网静态信息
管段号
管网静态信息管段信息管管管节段段长点阻的、号力两管系端径数节、点管材、铺设年代等
节点信息节地点理埋坐深标
用户所需水头
管网动态信息
管段管网总供水量、各水厂供水量分配以及供水压力 管网动态信息监 控测 制点 阀信 门息 开启度
用户用水量
4.2 管网模型的拓扑特性
管网模型的拓扑特性：即管网模型中节点和管段的关 联关系，其分析方法采用数学的图论理论。
水厂1
监测点1
监测点2
水厂2
微观模型
按管网实际情况，包括管网所有元素(管段、阀门、水 泵等)，不做任何简化所建立的模型，相对于宏观模型 来水，称为微观模型。其最明显的优点是直接应用完整 详细的管网信息数据库的资料，包括管网的全部信息建 模。对其求解可得所有节点和管段的全部信息，缺点是 计算工作量大，计算时间较长，占用计算机内存多。
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2.排水管网水力模型建立 • 2.1 建模基础数据 2.1.1节点图元属性数据： – 铰点：内底标高、最大深度、 超载深度、积水面积
A
2.排水管网水力模型建立 • 2.1 建模基础数据 2.1.1节点图元属性数据： – 排放口：井底标高、受纳水体水位类型、是否有拍门 受纳水体水位类型：自由出流、 正常水深、固定水位、潮汐水位、 时间序列水位
日期 6/20/2015 6/20/2015 6/20/2015 6/20/2015 6/20/2015 6/20/2015 时段 0:00 1:00 2:00 3:00 4:00 5:00
水位(m) 20 21 20.5 20.4 20.3 20.2
2.排水管网水力模型建立 • 2.1 建模基础数据 2.1.1节点图元属性数据： – 调蓄池：内底标高、最大深度、积水面积、 蓄水曲线 方程式：Area=A · DepthB+C 蓄水曲线： 深度-面积曲线
120
50年重现期
50.00
0
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 长历时降雨历时/小时
250.00
2.排水管网水力模型建立 • 2.1 建模基础数据 2.1.4其它数据：（2）曲线、时间序列、时间模式
确定水泵或者流量调节器的控制设置变化 将分流器节点分流的出流量与总进流量相关 将通过出水口管段的流量与通过出水口的 水头差相关
2.排水管网水力模型建立 • 2.1 建模基础数据 2.1.4其它数据：（2）曲线、时间序列、时间模式
•每月： 一年内每月一个乘子 •每日： 一周内每日一个乘子 •每小时： 从凌晨零点到晚上11 点每一 小时一个乘子 •周末： 周末的每小时乘子
2.排水管网水力模型建立 • 2.1 建模基础数据 2.1.4其它数据：
2.排水管网水力模型建立 • 2.1 建模基础数据 2.1.4其它数据：
（3）模拟选项： 文件
2.排水管网水力模型建立 • 2.2 建模实例 2.2.1 利用软件工具条建模：
2.排水管网水力模型建立 • 2.2 建模实例 2.2.1 利用编写数据块的方式建模：
2.排水管网水力模型建立 • 2.2 建模实例 2.2.1 利用编写数据块的方式建模：
[TITLE] [OPTIONS] [REPORT] [FILES] [RAINGAGES] [HYDROGRAPHS] [EVAPORATION] [TEMPERATURE] [SUBCATCHMENTS] [SUBAREAS] [INFILTRATION] [LID_CONTROLS] [LID_USAGE] [JUNCTIONS] [OUTFALLS] [DIVIDERS] [STORAGE] [CONDUITS] [PUMPS] [ORIFICES] [WEIRS] [OUTLETS] [AQUIFERS] [GROUNDWATER] [SNOWPACKS] [XSECTIONS] [TRANSECTS] [LOSSES] [CONTROLS] [POLLUTANTS] [LANDUSES] [COVERAGES] [BUILDUP] [WASHOFF] [TREATMENT] [INFLOWS] [DWF] [PATTERNS] [RDII] [LOADINGS] [CURVES] [TIMESERIES] [COORDINATES] [VERTICES]
雨量计、出水口、面积、宽度、 坡度(%)、不透水性、 不渗透性粗糙系数N值、 渗透性粗糙系数N值、 不渗透性洼地蓄水、 渗透性洼地蓄水、 无洼地蓄水不渗透性(%)
2.排水管网水力模型建立 • 2.1 建模基础数据 2.1.3子汇水面积图元属性数据：
宽度
2.排水管网水力模型建立 • 2.1 建模基础数据 2.1.3子汇水面积图元属性数据：
（3）模拟选项： 常用
2.排水管网水力模型建立 • 2.1 建模基础数据 2.1.4其它数据：
（3）模拟选项： 日期
2.排水管网水力模型建立 • 2.1 建模基础数据 2.1.4其它数据：
（3）模拟选项： 时间步长
2.排水管网水力模型建立 • 2.1 建模基础数据 2.1.4其它数据：
（3）模拟选项： 动态波
– 水泵：水泵曲线、开启深度、关闭深度
2.排水管网水力模型建立 • 2.1 建模基础数据 2.1.2管段图元属性数据：
– 水泵：水泵曲线、开启深度、关闭深度
2.排水管网水力模型建立 • 2.1 建模基础数据 2.1.2管段图元属性数据：
– 水泵：水泵曲线、开启深度、关闭深度
2.排水管网水力模型建立 • 2.1 建模基础数据 2.1.3子汇水面积图元属性数据：
标高 标高
下游节点标 高偏移量
上游节点标 高偏移量
2.排水管网水力模型建立 • 2.1 建模基础数据 2.1.2管段图元属性数据：
– 水泵：水泵曲线、开启深度、关闭深度
2.排水管网水力模型建立 • 2.1 建模基础数据 2.1.2管段图元属性数据：
– 水泵：水泵曲线、开启深度、关闭深度
2.排水管网水力模型建立 • 2.1 建模基础数据 2.1.2管段图元属性数据：
子面积演算
2.排水管网水力模型建立 • 2.1 建模基础数据 2.1.3子汇水面积图元属性数据：
渗入
i ic (i0 ic )e
kt
2.排水管网水力模型建立 • 2.1 建模基础数据 2.1.3子汇水面积图元属性数据：
2.排水管网水力模型建立 • 2.1 建模基础数据 2.1.4其它数据： （1）降雨数据
短历时降雨历时/分钟 105 115 125 135 145 155 165 15 25 35 45 55 65 75 85 95 175 0.00 140 长历时降雨强度/(mm/h) 20年重现期 100 80 60 40 20 10年重现期 5年重现期 3年重现期 1年重现期 200.00 150.00 100.00 短历时降雨强度/(mm/h) 5
Depth C
2.排水管网水力模型建立 • 2.1 建模基础数据 2.1.2管段图元属性数据：
– 管渠：横断面类型、深度、长度、n值、上游节点标 高偏移量、下游节点标高偏移量
2.排水管网水力模型建立 • 2.1 建模基础数据 2.1.2管段图元属性数据：
– 管渠：横断面类型、深度、长度、n值、 上游节点标高偏移量、下游节点标高偏移量 偏移：深度（DEPTH） 偏移：标高（ELEVATION）
描述定制断面形状的宽度怎样随管渠管段的 高度变化
2.排水管网水力模型建立 • 2.1 建模基础数据 2.1.4其它数据：（2）曲线、时间序列、时间模式
• 温度数据 • 蒸发数据 • 降雨数据 • 排放口节点的阶段 • 排水系统节点的外部进流水文过程线 • 排水系统节点的外部进流污染过程线 • 水泵和流量调节器的控制设置
SWMM建模与应用
武汉理工大学 土木工程与建筑学院 金溪 jinxi@
内容安排
• • • • • • • •
1.SWMM软件的功能与特点 2.排水管网水力模型建立 3.水力模拟结果的分析与应用 4.排水管网水质模型建立 5.水质模拟结果的分析与应用 6.低影响开发功能的分析与应用 7.SWMM二次开发功能 8.辅助课程