城市排水管网非恒定流模拟技术的实用意义与应用前景
在我国传统的城市排水管网设计和管理过程中，均采用恒定流水力学理论计算管网的汇流过程。采用恒定流水力学理论进行城市排水管网水力计算的优点在于其简单，但是，也有很多实际问题难以解决。城市雨水管网中的水流和城市合流制管网降雨期间的水流是非恒定流，并具有突涨突落的特点，城市污水管网中的水流也是非恒定流，但随着排水用户的增加会趋于恒定，在需要考虑排水管网内部水流的真实流动过程时，也应按非恒定流考虑。
1 非恒定流模拟技术在城市雨水管网设计过程中的应用
我国大中城市新建和改建城市排水管网时，一般均考虑采用分流制，小城镇建设可以考虑采用合流制。目前，国外发达国家均采用非恒定流模拟计算技术进行城市雨水管网的水力计算，从而可以保证管网的设计标准和其可靠性。
1.1 设计方法
推理公式法是传统的城市雨水管网设计方法，其精髓在于采用了当流域汇水时间等于降雨历时时，出口产生最大设计流量的假设，并有与之配套的降雨和设计流量计算方法。我国设计规范规定，汇水时间包括地面集水时间t1和管内汇水时间t2，采用水力学恒定均匀流公式计算t2。在管网实际汇水过程中，当水位处于上升阶段，管段中上游水位高于下游水位，水力坡度大于管内底坡度，实际汇水时间比采用水力学恒定均匀流公式计算的t2小；在水位降落过程中，与之相反。推理公式法有两个致命的缺点，即很难保证其线性汇流条件假设和无法计算流量过程线。这对系统设计的可靠性和雨水调节池、雨水泵站的设计有很大影响。世界各国都在致力于对其进行修正和改进。
采用非恒定流模拟技术作为城市雨水管网设计水力计算的基础，是对传统的城市雨水管网设计方法的一种改进。一般包括设计降雨模型、地表径流模型、管内汇流过程计算、确定设计流量的方法和管网设计等五个部分。设计过程以流量过程线为核心，计算每一个设计过水断面的流量过程线。采用运动波模拟技术可以从上游向下游依次进行设计计算，并可以保证具有相当高的计算精度。
采用非恒定流模拟技术进行城市雨水管网设计的优点在于，在设计阶段就可以计算出每一设计断面和各个径流调节设施处的流量过程线，增加了管网设计、调节池设计和泵站设计的科学性。设计状态与管网实际运行状态较为吻合，提高了管网设计的可靠性。
1.2 校核方法
非恒定流模拟技术与传统的水力计算方法相比是更高水平的和更接近实际情况的计算方法，可以用于对传统的推理公式法设计结果进行校核。一些发达国家对于较大汇水面积，一般采用非恒定流模拟计算方法进行设计。而对于较小汇水面积的雨水管网设计，一般采用传统的推理公式法进行设计，再用非恒定流模拟技术进行校核。在我国，由于非恒定流模拟技术的应用还未普及，可以先采用推理公式法进行设计，再用非恒定流模拟技术进行校核的方法进行过渡，待积累一定经验后，再逐步推广新的设计方法。目前阶段采用传统的推理公式法进行设计，再用非恒定流模拟技术进行校核，对雨水调节设施的设计和排水泵站的设计将有很大的实际意义。
2 非恒定流模拟技术在城市排水管网运行管理中的应用
我国的城市基础设施薄弱，城市排水管网方面欠账较多。新建或改建排水管网的设计工作量与现有排水管网管理的工作量相比，管理的比重要大得多。对已建成的城市排水管网进行科学管理，使之充分发挥效益，是给水排水科技工作者和城市排水管理部门的一项艰巨的任务。根据近几年我们的研究结果，在城市排水管网系统运行管理中应用非恒定流模拟技术，可以实现管网系统真实工况模拟、查找超负荷管段和科学分析城市积水原因，从而可以为城市排水系统的管理和改造提供科学依据。
2.1 模拟管网系统真实运行工况
以实际降雨为输入，通过扣损、地表径流、管网入流、管网汇流等计算，可以计算出各个计算过水断面的流量过程线，再现降雨期间管网的真实运行工况。通过对沈阳市珠林泵站排水系统和五爱泵站排水系统真实运行工况模拟计算，其结果与实测数据非常接近。从而可以为管网的科学运行管理提供依据。
如果可以与自记雨量计连接，实时输入降雨资料，则可以实现城市雨水管网的实时模拟。如果可以输入相应的旱流流量资料，则可以实现城市合流制管网的实时模拟。这可以作为城市排水系统实时优化控制调度和减灾决策的基础，具有较好的应用前景。
2.2 查找超负荷运行管段
当管段的入流量超过其过水能力时，就会有一部分水被滞留，并产生回水，使受影响的管段水位升高。当水位标高超过地面标高时，即产生溢流。非恒定流模拟技术可以确定产生溢流的超负荷运行管段，并可以计算地表积水量。
2.3 为管网系统改造提供科学依据
采用非恒定流模拟技术可以科学地分析市区在暴雨期间产生积水的原因，可以为城市排水管网系统改造提供科学依据。
沈阳市的排水系统是多年来逐步建成的，有很多管道是解放前修建的，设计标准较低。在降大暴雨时，市区内经常有30多处积水，严重影响市内交通和人民群众的正常生产生活，虽然经过部分改造，但效果不大。在对市内积水区进行观测和对排水管网系统进行非恒定流模拟计算的基础上，经过对积水原因进行科学分析，提出了文艺路积水改造工程最佳改造方案。经过1999年的运行实践，证明改造方案的实施从根本上解决了路面积水的问题。
3 非恒定流模拟技术是城市排水系统水量水质模拟的基础
3.1 非恒定流模拟技术是城市排水系统水量模拟的基础
城市排水系统的水量是城市排水管网设计和运行管理的重要指标。无论是污水管网、雨水管网还是合流制管网，管网内的水流均为非恒定流。其中雨水管网的流速和流量变化最大，污水管网的流速和流量变化最小。采用恒定流的假设仅能近似地表示管网内的水流状态，而不能表示管网内水流的真实状态，更不能表示管网内水流随时间的变化过程。在城市排水管网的设计和运行管理中，很多情况需要面对管网内水流的真实状态和水流随时间的变化过程。只有采用非恒定流模拟技术才能对城市排水系统水量进行较为真实的模拟。
3.2 非恒定流模拟技术是城市排水系统水质模拟的基础
城市排水系统的污染源包括点污染源和面污染源。生活污水和工业废水属于点污染源，污染物的浓度与污染物的量和排放过程有关。随降雨径流过程进入排水系统的污染物属于面污染源，面污染源的污染物浓度与降雨过程、径流过程和城市的卫生状况等因素有关。城市排水系统中的污染物浓度与污染物量是随时间和空间变化的，只有采用非恒定流模拟技术才能对城市排水系统水质进行较真实的模拟。
3.3 城市排水系统水质水量模拟是科学运行管理的基础
对城市排水系统进行科学管理包括对水质和水量的管理。国外发达国家在这一领域的研究经历了三个阶段：第一阶段的研究目的主要是考虑城市排水对其下游水质和水量的影响；第二阶段主要研究城市排水的水质水量对城市污水处理厂的影响和面污染源进入城市排水系统及其扩散机理；第三阶段则将重点集中在合流制溢流污水的水质水量随时间空间的变化过程和合流制溢流污水的最佳处理途径的研究。在我国仅有部分城市和水域进行了水质模型研究，其他方面的研究则较少，与国外发达国家相比差距较大。
为了从根本上解决环境问题，我国将逐步提高城市污水的处理率。但是，我国大部分城市是合流制排水系统，建成城市污水处理厂后，仍有大部分雨污混合污水排入水体，对环境影响很大。对溢流污水的水质水量进行监测和模拟，了解溢流排放污水的水质水量变化过程，不断积累经验，为从根本上解决合流制溢流污水的污染问题奠定理论基础。
城市排水系统水量模拟应侧重超设计标准降雨条件下，雨水管网和合流制管网的排水过程模拟。从而可以为城市减灾和排水系统改造提供理论依据，提高排水系统的可靠性。
4 结论
根据我国国情和城市排水系统的水质水量特点，探讨了非恒定流模拟技术在城市排水系统设计和运行管理过程中推广应用的可行性和应用前景。在城市雨水管网和合流制管网设计工作中采用非恒定流模拟技术进行校核是可行的，可以提高系统的可靠性，更好地发挥其防灾和减灾作用。在城市排水管网系统运行管理中应用非恒定流模拟技术，可以实现管网系统真实工况模拟、查找超负荷管段和科学分析城市积水原因，从而可以为城市排水系统的管理和改造提供科学依据。
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