数字排水（DigitalWater）模块三：管网升级改造设计与评估

2.3 管网改造方案评估

利用数字排水（DigitalWater）平台对管网改造后模型进行模拟计算，可以科学有效的分析改造后管网的运行状态，对管网改造方案进行技术评估。通过模拟结果发现，与改造前相比，改造后的管网运行状态有了较大改善。下面将分别从整个管网系统水力负荷变化和泵站的运行情况分析改造方案的效果：
（1）模拟结果统计报表显示改造后该区域内1868根管道中在典型日的模拟中有89根管道出现了满管，但满管持续时间较短，只有20根管道满管时间超过10h，较改造前144根管道长时间满管相比减少了124根，说明这一改造方案有效降低了管道的充满度，改善了整个研究区域管网的运行状态，且改造区域已消除满管和过载现象。
（2）模拟结果专题图以颜色直观地显示了管网的水力变化情况，改造后该分支管网即使在排水高峰时刻大部分管道充满度都在0.5以下（见图 4地图窗口）。通过管道纵断图和上游管道模拟结果曲线可知，改造前逆坡管道的上游管道中水位较高，一直处于满管状态，而改造后由于污水泵的提升作用使得上游管道中的污水可以顺利进入下游管道，泵站上游管道水位降低，说明改造区域内管网负荷过大的状况得到了有效改善。
（3）泵站的设置使上游污水排除畅通、负荷降低而且没有对下游管网的运行造成负面影响，模拟结果专题图显示在排水高峰时刻，泵站下游管线的充满度仍低于0.5且无溢流节点（见图 4主地图窗口）。
（4）新设泵站上游管道的流量曲线图显示，改造前由于上游管网污水的负荷冲击过大，该逆坡管道的流量变化幅度较大（见图1曲线窗口）；而改造后该逆坡管道处设置污水提升泵，可以利用污水泵的动力提升上游污水，其流量变化较小，排水状况稳定（见图 4曲线窗口）。
通过以上分析可知：对重点改造区排水管网进行改造后，通过模拟分析科学合理选择的提升泵，能达到改造的要求，可有效消除由于高程差异造成的局部管网积水；原逆坡管道上游管网内的水位和充满度明显降低，且改造方案的实施对下游管道的负荷未造成较大的冲击，整个管网系统运行正常。该设计方案可改善局部管网负荷过重的现状，并可提高整个区域管网的排水和运行效率。

图 4 管网改造后模拟结果示意图


3 管网升级改造数字化管理实现方法

管网改造方案的设计是一个复杂的、专业化的过程，为方便用户进行分析，数字排水（DigitalWater）平台开发了流程化的管网改造方案设计和评估模式（见图 5）。整个设计和评估过程分四个阶段：管网现状分析－管网缺陷分析－改造方案设计－改造方案评估。首先通过管网动态模拟分析发现现状管网中存在的问题，然后通过对管网进行结构分析寻找问题发生原因和位置；然后利用DigitalWater中的设计和计算一体化功能有针对性的进行改造方案的设计，同时自动生成改造后的管网模拟模型，最后通过与改造前的模拟结果进行对比分析，评估改造后管网的运行状态和该改造方案的可行性。并根据评估结果对改造方案进行进一步优化和调整。

图 5 污水管网系统改造方案设计与评估解决流程

4 结论
排水管网的结构稳固和功能保障是城市排水安全的重要保证，管网的维护和改造是保证管网长期、安全、稳定运行的重要措施。主动发现管网存在的缺陷并实施科学合理的管网改造方案可以有效改善管网的运行状态、降低管网发生风险的概率、提高管网的运营效率。
应用数字排水（DigitalWater）平台的管网升级改造方案设计与评估模块，可以有效的发现现状管网中存在的问题，针对现状管网存在的问题从管网结构上寻找原因并对症下药地设计升级改造方案，方案设计的同时生成改造后的管网水动力学计算模型，以对改造方案实施后的管网运行状态进行准确全面的技术评估，从而对改造方案进行改进和优化，从根本上避免管网升级改造的盲目性和局限性。在利用DigitalWater建立管网现状评估模型后，该模块可用于排水管网各级管理、设计和评价部门对管网系统升级改造方案进行制定和评估工作。
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2 应用示例

2.1 管网现状分析

现状管网运行状态和管网结构的分析是管网更新改造的基础，只有全面的掌握管网的运行现状和结构特征，才能发现管网中目前存在的问题和导致问题的原因，并缩小和锁定导致管网出现问题的区域范围，以制定更加有针对性更加经济有效的管网改造方案。数字排水（DigitalWater）平台的多窗口模拟结果分析功能，可在动态模拟计算的基础上，同时显示模拟结果的专题图、曲线图及三维视图，是科学有效的管网现状分析工具，具体如何有效的进行管网现状分析和评估参见本期“数字排水（DigitalWater）模块二：污水管网结构分析与现状评估”中的相关内容。本例中，对一片服务面积约为30平方公里的污水管网排除系统进行管网现状分析，发现管网缺陷位置，并进行相应升级改造方案的设计和评估。首先，通过模拟计算获取该管网系统的现状计算结果并进行可视化显示，如下图所示：

图 1 现状管网模拟结果
城市排水管道负荷过大会导致排水不畅，造成上游检查井积水、甚至引发溢流对周围的生态环境造成危害。管道充满度是描述管网中各段管道排水负荷的一个重要参数，正常情况下，污水管道的充满度应小于或等于最大设计充满度。因此，通过对模拟结果中管道充满度的分析可发现负荷过大的管道个数、位置及充满度过大的时间段，从而为发现管网系统的薄弱环节所在位置提供决策支持。本例中，模拟后统计报表显示该研究区内1868根管道中共有163根充满度过大，其中144根满管时间过长（>10h），这种现象就是过载（重力流管道中，污水处于压力流但尚未溢出地面影响地表环境的水力状况）。当突然遇到大暴雨或遇到排污高峰时将很有可能造成溢流危害，发达国家的设计规范都认为过载易造成城市排水安全隐患，应当避免。所以需对该区域管网进行改造。通过充满度的专题图分析发现，本例中长时间满管的管道空间位置分布较为集中，而且主要集中在一个区域，其余大部分区域管道负荷正常，只有个别管道充满度过大。上图中主界面显示的是满管流情况最为最严重的区域，通过对该区域最下游检查井的上游管道进行网络查询分析发现，该检查井（编号910）上游共有199根管道，总长度6506.06米，其中长时间满管（>10h）的管道124根，总长度3987.51米，是本例中管网改造的重点。

2.2 管网改造方案设计

在实际管网系统中，管道设计管径过小、管道逆坡和管道堵塞等都可能造成本段管道或上游管道充满度过大，增加溢流风险。在本例中，通过纵断面分析图和局部管网的三维视图可以发现管道满流最严重区域的下游与检查井910连接的管道逆坡，使得上游污水无法顺畅排入下游管道，而且该点下游连接的6根管道管径为400mm，远小于上游管道的管径1200mm，这两个因素是造成图 1所示区域排水不畅的主要原因。
综合现行的各种管网改造措施，主要有以下几类：结构改造、设施改造、布局改造和BMPs（最佳管理实践）措施等。进行管网改造方案设计时可根据改造目的结合施工难度、施工造价和运行成本等方面综合考虑选择改造方案。
在本例中，首先考虑选择调整下游管道的管底高程来改变逆坡状况。但管网纵断图分析发现，检查井910上游管道管底高程大部分都低于游检查井910的管底高程，若采用改变管底高程这一方法，需要调整的管道数量较多，且须考虑地下其他设施的影响，工程施工难度太大。若考虑采用新建管道的方案，在原线位旁侧2~3m处按标高要求新建，改造后将上游的排水管接入，拆除现有的导致逆坡的管道，则工程造价太高。而污水泵是污水管网中常见的附属构筑物，设置污水提升泵站可以将局部污水管网由重力流改为动力流，利用泵站的提升动力使污水从低处流向高处。因此，基于充分利用原有管网的原则，在检查井910处设置中途泵站来提升上游污水。利用数字排水（DigitalWater）平台中的模拟分析计算结果，通过分析检查井910的水深与流量变化曲线，选择合适的污水泵，并将所选泵的工作特性曲线输入DigitalWater平台用于改造方案的评估（见图 2）。另外对于下游管道管径远小于上游管道管径的情况，将原来下游6根管道管径由400mm调整为1200mm（见图 3）。

图 2利用模拟结果确定污水提升泵工作曲线

图 3 管径改造示意图
综上，初步确定该区域的管道改造方案为：（1）在逆坡管道处设置污水提升泵；（2）并将泵站下游6根管道加粗，管径由原来的400mm调整为1200mm。利用数字排水（DigitalWater）平台的编辑功能可实现改造方案的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改造后的管网模拟模型，用于对该设计方案进行评估计算。

[ 本帖最后由 jvivienned 于 2009-3-5 09:56 编辑 ]