HD片区排水管网模型拓扑结构构建

【摘要】本文基于Info works CS模型的通过对排水管网基础数据的分析、整理、修正理清了区域内的排水管网连接现状。完成了对区域内排水管网各类数据的整合和区域内排水管网的拓扑结构构建。为该区域排水系统数值模拟奠定了数据基础。

【关键词】排水模型；拓扑结构；数据检查

为有效的转输雨、污、废水而建设的一整套排水工程设施称为排水系统。排水管网作为整个排水系统的最主要的组成部分，占整个系统投资的70%左右。排水系统在旱天起到收集和转输居民及工业企业日常产生的污水的作用[1]，在雨天是城市防洪排涝的生命线。现有的排水管网数据管理形式多样，如：纸质图纸、CAD、PDF、SHP，JPG等各类型数据。很多情况下基础数据由各部门分开管理管理。由于缺乏统一的数据平台对数据进行管理。由于排水管线埋在地下，且管线分布复杂。由于地质条件变化、化学物质的腐蚀、地面荷载的压力、管道自身沉降导致管网内部的连接关系发生变化及破损。对于管道健康状况及连接关系存在说不清道不明的情况。从而导致在各个城市都出现在强降雨给任命的生命财产造成巨大的损失。

为有效地管理排水系统数据，针对排水现状查找出排水系统运行存在的瓶颈有必要采用更加高效的数据管理平台和更加科学合理水力计算方法――水力模型法，越来越多的成为工程设计和科学管理的选择。

一、建模区域概况

HD片区位于广州市老城区北临珠江，南到昌岗中路及南泰路，西至珠江后航道，南以江南大道为界，。总面积约为812公顷。马涌由东向西贯穿整个片区又将该片区分为南北两小个片区。HD片区以居民区和商业区为主，社会经济水平程度较高，人口密度大。建模如图1所示。

片区内排水管网类型为合流制。片区内地面高程在6.22～21.21米之间。旱天污水经由滨江西路和马涌沿岸截污管收集后经由马涌1#泵站压力输送至XL污水处理厂进行处理。雨天雨水主要经沿河涌布置的合流制溢流设施排放至受纳水体。

二、管网基础数据

排水管网系统不仅数据量大且总类繁多，基础数据的收集和分析是排水管网水力模型构建的基础，在模型构建中有着举足轻重的作用。在进行模型计算之前需要对污染源类型数据、地理空间数据、地形数据、排水管网数据、卫星图数据及社会经济数据等基础数据进行收集和整理模型系统内。从而为后续进一步完善模型构建过程中的基础数据信息、拓扑关系的检查、工程合理性检查提供数据支持。本文数据来源于2006年广州市水污染源调查工程，在此基础上开展实施的排水管网查漏补缺项目。

2.1管渠

HD片区规划排水体制为雨污合流制排水体制，但通过实际数据调查，区域内存在合流制管线和分流制管线共存，主干管为污水管线分布在河涌沿岸用以截留旱天合流管中的污水，在部分小区内部也存在内部分流外部合流现象。

管段主要包括有：圆管、明渠、暗渠，并统一分为雨水管、合流管和污水管三大类。经分属性对片区内管网进行统计，管网具体信息如表1所示：

2.2节点

节点数据主要包括：窨井、雨水口、管线点、集水池、排放口、溢流堰及污染源接驳点和溢流堰等。分类统计信息如下表2所示：

下垫面数据主要根据各类用地性质建筑的日常污水排水量及排水模式的不同分为：工业、行政事业单位、居民小区、医疗、特殊业等类型。根据在降雨时各种下垫面的的雨水产流量的不同分为：屋面、道路、水面、绿地、绿地等类型。

三、拓扑结构构建

本文选用英国沃林福特（Wallingford）―Info Works CS模型，用于对区域内排水管网模型的构建。Info Works CS在管网汇流过程采用完全求解的圣・维南方程模拟管道明渠流。能够完整地模拟回水、逆流、回流、、环状管网、等复杂的管道连接及相关辅助控制架构。且具有以GIS为基础的强大的图文、图像及数据处理功能。

单一孤立数据并不具有模拟计算的可行性，为有效地将排水系统内各个独立的排水元素整合到统一的系统，实现各元素之间能够进行自由的信息传递。需将排水系统内的雨水口，检查井等节点元素抽象为一个点。将具有将转输功能的排水管道等线元素抽象为一条线。将下垫面，污染源等面元素抽象为一个面。从而将整个排水系统搭建为一个由点、线、面组成的具有空间网络关系的拓扑结构网络[2]。

由于管网基础数据的类型和数据来源的途径众多，需利用水力模型平台将各种来源的数据转化为与模型兼容的、统一的数据格式。根据数据对象的不同模型对于该类对象需要提取的信息也存在很大差别。从数据管理和模型模拟计算的角度出发将基础数据的重要信息导入模型内。并加以数据检查最终完成管网模型的构建。Info Works CS基础数据导入界面如图2所示。管网数据属性如表4所示。

3.2基础数据检查以及修正

排水管网数据存在的问题多且复杂，排水管网水力模型的计算对数据的质量要求非常高，数据存在错误：如管网接成环等问题，将导致整个系统在进行模拟将无法进行计算。管网的基础数据导入模型后需要对排水管网系统拓扑关系进行检查，控制数据质量，保证模型能顺利的进行模拟计算[3]。

由于排水管网数据庞大在收集过程难免存在数据丢失和损坏。以及在数据测量及勘察过程中受工程人员水平及其他相关因素的影响。由于基础数据量大，部分数据存在着输入、勘测、模型导入等错误，且存在错误的类型也很多。存在着大量的数据问题主要有：上下游管段错位、无下游连接、管段逆坡、错位、大管接小管、管段底标高于低于检查井标高、管网接环及部分属性数据缺失。上述问题的存在将直接影响到排水管网的水力计算结果的可靠性和真实性。修正存在错误的数据成为管网水力建模过程中的重要部分。基于Info Works CS的可视化功能、编辑功能、强大的数据分析及处理功能对数据进行拓扑规则检查和修正。主要手段有：管网纵断面检查、上下游连接关系检查和工程合理性检查等。

（1）管段纵断面检查：通过查看管段的纵断面查找管网是否存在逆坡、错位等问题如图3。

（2）上下游关系检查：能够检查管网的拓扑结构关系，检查管段的上下游边界。判断管段下游边界、管网是否连接成环，检查井孤立等，如图4。

（3）工程合理性检查：通过设置各种符合实际现状的检查规则，用于判断管段存在的合理性，如检查管网是否存重复和管段长度能否模型计算的最小值要求等，如图5。

通过上述各种拓扑结构检查方法对数据质量进行检查与控制，对于存在问题的数据，将数据反馈给专业的数据监理单位采用现场测量的方法对数据进行修正（如管段的水流方向，埋深及管径大小等）和利用模型软件数据推断的方式等对数据进行修正。

四、结语

通过将管网各类基础数据的收集与整理，并将数据的相关属性字段导入统一的Info works CS模型平台.利用Info works CS模型的各项数据检查与修正功能保证了系统数据的完整性、可靠性和实用性。最终完成HD片区排水管网模型的拓扑结构构建，如图6所示。管网拓扑结构信息详图，以HD片区马涌两岸截污管拓扑结构信息为例，如图7所示。为下一步利用模型对区域内排水系统排水能力的评估和查找管网运行过程中存在的瓶颈提供了坚实的基础。

参考文献：

[1]郑志佳.广州市HD片区排水管网水力模型的构建与应用[D].广州：广东工业大学，2013.

[2]陈吉宁，赵东泉.城市排水管网数字化管理理论与应用[M]；中国建筑工业出版社，2010.

[3]赵冬泉，陈吉宁，佟庆远等.基于GIS的城市排水管网模型拓扑规则检查和处理[J].给水排水，2008，（5）：106-109.