毕业设计论文城市排水系统的计算机仿真Word文档格式.docx

1、Abstract：The drainage system is indispensable infrastructure of a city, key projects of urban water pollution control and drainage, flood control. The normal operation ofa direct impact on an urban social and economic development, protection of ecological environment and peoples normal life. In the

2、urban drainage system, in order to avoid the spillover phenomenon due to the water level is too high, you must run the pumping stations at all levels of the urban drainage system reasonable dispatch. According to the similarity principle, the DC circuit model of the urban drainage system, water leve

3、l control simulation, to build the auxiliary equivalent drainage system. Which nodes the water level corresponding to the equivalent DC circuit node potential pipeline resistance coefficient corresponds to the equivalent DC circuit in the edge of the electric group, the pump head corresponds to the

4、corresponding edge of the equivalent DC circuit electromotive force. Using Kirchhoffs law to build the water balance equation. Level control of the iterative algorithm can simulate drawn between two nodes need to install the pump, or the need to install much lift pump, in order to achieve the design

5、 of low-cost, short cyclical purposes.Key words：Urban drainage systems; computer simulation; DC circuit modelII目 录摘要Abstract 目录1 绪论11.1 概述11.2 仿真背景21.2.1 城市排水管网工程建设21.2.2 城市内涝灾害21.2.3 城市排水管网系统的信息技术31.3 模拟的意义41.4 国内外发展现状61.4.1 国外排水系统发展概况61.4.2 国内排水系统发展概况71.4.3 排水系统模型的研发82 计算机仿真技术92.1 计算机仿真的概念92.2 进行计

6、算机仿真的原因92.3 适合用计算机仿真解决的问题102.4 计算机仿真的分类102.5 计算机仿真的方法112.6 计算机仿真的关键技术112.7 计算机仿真的步骤122.8 计算机仿真的发展及发展趋势122.9 计算机仿真技术应用133 排水系统及其模型153.1 水力模型的发展153.2 主要模型的介绍163.3 国内水力模型的应用183.4 排水系统模型的率定和应用方法193.5 排水系统模型应用于城市雨水水量管理203.5.1 城市雨水水量管理203.5.2 排水系统模型在城市雨水水量管理中的应用213.6 非恒定流模拟技术简介233.7 地理信息系统在排水系统中的运用234 仿真计

7、算及结果分析224.1 仿真原理254.2 用网络法设计参数254.2.1 管道阻值参数设计254.2.2 泵电动势参数设计264.3 直流电路模型计算284.3.1 直流电路284.3.2 直流电路模型284.3 直流电路模型仿真计算294.3.31 城市排水系统中控制水位的迭代算法294.3.3.2 对一个子系统的计算31第五章结论35参考文献36致谢38附录39常州大学本科生毕业设计第一章 绪论1.1 概述为了系统的排除和处置各种废水而建设的一整套工程设施称为排水系统1。排水系统是一个城市不可缺少的重要基础设施，也是城市水污染防治和排涝、防洪的骨干工程，它的正常运行直接影响到一个城市社会

8、经济的发展、生态环境的保护和人们的正常生活。然而，由于设计不合理、运行管理不善等原因常常引发暴雨期间管道系统漫溢、合流制溢流污水（CSO）大量排放等问题，导致路面及房屋淹水，受纳水体遭到严重污染，这一现象在上海、深圳、杭州等地均有发生。这些问题不但严重影响了城市的交通和居民生活、加速了城市水环境的恶化，同时也暴露了排水系统在设计、管理以及改造中存在的问题。而排水系统作为城市的基础设施往往是一个复杂、庞大的系统，其建设与完善跨越了十几年甚至几十年上百年， 设计标准不尽统一，排水现状混乱，拓扑结构复杂，这给改造和管理带来了相当的难度。另一方面，过去人们仅关心城市的快速除涝，大量的采用传统的强排水模

9、式， 这种排水模式雨水经市政管道收集后集中由泵站提升后排入收纳水体，不但排涝模数大，管网造价高，而且容易引发下游洪灾，给下游水文过程带来一定压力。因此，在一些地势低洼、河网密布的新开发圩垸地区，因地制宜的建立符合城市可持续发展的新型排水系统模式是新时期排水系统发展的主要方向。无论是现有系统的改造和管理，还是新型可持续排水系统的设计和运行， 均是投资多、影响大的工程，由于系统组成的复杂性、影响因素的多样性以及复杂的边界条件，若按早期的以水文水力学理论和工程经验为基础的排水系统设计方法进行设计，所制定的改造管理方案以及设计的管道或构筑物是否满足设计要求往往只能在实际运行之后评价掌握。而这种“事后评

10、价无法预先评判方案的安全性和可行性，一旦产生问题，往往导致投资的浪费和负面影响的产生。排水管网水力模型的出现则为解决这一难题提供了有效的手段。由计算机技术发展而推动的排水系统模型软件的开发和应用，较好地满足排永系统的规划、设计和预测的需要。自上世纪七十年代以来发达国家累积大量工程经验，结合水文水力学理论基础，开发了计算机模型软件用于城市排水系统的数值模拟，辅助设计、评价排水系统性能和面源污染控制工程性措施的改善工作。这些模型利用已有管网信息，包括管道参数、排水区域与泵站等设施的运行资料，通过计算机技术在不同条件下对排水系统的设计、改造方案的实际运行效果进行模型试验，由此获得设计降雨情况下的系统

11、水位、流量模拟值作为性能评价的依据，用以判断方案的优劣，寻找和解决可能存在的问题。第 45 页，共 43 页利用计算祝水力模型进行模型试验具有不受实验条件限制，数据分析速度快、效率高、耗时少，具有通用性、可重复的优点。迄今，包括水力模型和水质模型在内的排水系统模型在世界范围内，尤其是发达国家已广受重视，成为排水系统改造、管理以及新的项目建设可行性评价的基础。发达国家已经实行了区域土地开发、排水系统建设项目立项，均要首先通过排水管网模型评估的建设项目管理程序。我国的世界银行贷款项目，按国外咨询公司的要求也开始执行这一程序。目前，排水系统水力模型已经在上海、深圳等地的排水行业规划建设中初步投入到实

12、际应用中。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，摊水管理的理念也铁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。本文将水力模型应用到上海市排水系统的设计和管理中，对水力模型应用于评价、诊断现状管网、优诧调度排水系统泵站群以及设计新型缓冲式排水系统进行了积极探索，对排水系统设计、管理手段的创新作了有益尝试。1.2 仿真背景城市排水逐渐成为城市规划和发展主要考虑

13、的问题之一。城市排水标准在城市防洪排涝中发挥重要作用，成为城市规划与城市排水系统设计和管理的重要依据。但随着城市规模的扩张，现有的城市排水暴露一些问题，如：城市暴雨带来的内涝、废污水和雨水排水混排以及雨污混排带来的一系列城市环境和生态问题。这些问题的产生，与现行排水标准有关，需要借鉴国外主要发达国家的城市排水先进标准，提出更为科学合理的城市排水标准，提出更为科学合理的城市排水标准发展方向。1.2.1 城市排水管网工程建设城市排水广管网工程设施是重要的城市基础设施，也是城市水污染防治和城市防涝、防洪的骨干工程，排水工程设施建设的好坏，直接影晌城市发展水平， 影响城市景观、卫生环境和投资环境，甚至

14、关系到城市的安全。目前，我国城市排水管网普及率，按服务面积计算约为70左右，排水管道总长度11万km，排水管道密度576km/km，万人占有管道长度5.5km，与工业发达国家相比差距较大，如伦敦、巴黎、莫斯科等普及率先重100，东京为97，万人占有排水管道长度为40km。排水管网建设费用相当昂贵，直径1.6米的大中型混凝土管道，每公里造价在5000元左右，而且，要维持它的正常运行，每年也需要一笔相当大的开支。我国“十一五”期间将有3000亿元左右资金投向污水处理设施建设领域，其中管网的完善占总投资的63，成为投资重点，促使相关部门更需要科学、有效地使用资金，实现投资效益的最佳化。城市的高速发展

15、，对排水系统的要求也越来越高，全国各大城市的市政设施建设非常频繁，尤其是城市排水管网的新建、现有排水系统的改扩建速度快、规模大，任务相当繁重。并且现有排水管网是近期排水的主要设施，对现有排 水管网管理的工作量与新建或改扩建排水管网的设计工作量相比，对排水管网 系统的管理工作的比重也越来越大。怎样充分利用有限的资金，建好工程，科 学管理好城市排水管网系统，成为研究的重要课题。1.2.2 城市内涝灾害随着城市化进程的加快，一方面，由于屋顶和硬质地面等不渗透面积的大幅增加，出现地表入渗水量变少、地表粗糙系数变小、洪水总量增多、洪峰流量加大、洪水汇流时间缩短、地表径流量增大、汇流速度变快、洪峰出现时间

16、提前等，使得城市内涝的排蓄条件加剧恶化，更易产生涝灾；另一方面，我国许多城市的排水管网系统超期服役，暴雨期间不能迅速有效地排除雨水，使得市区严重积水，不仅造成环境污染和资源浪费，也给城市交通及市民生活带来极大不便。近年来，许多城市相继频繁出现道路积水问题，严重阻挠了城市交通，干扰社会生活秩序等城市内涝灾害的报道。比如，2010年7月北京城区骤降一场大雨，导致部分路段严重积水，市区交通严重受阻，几近瘫痪；2005年8月初上海市遭受台风“麦莎”的侵袭，市区内84条道路积水成患，给市民出行带来极大不便；2009年7月，受暴雨影响，南京市街道出现大面积积水，当日早晨的一场大暴雨使江苏无锡市巾心多处路段

17、积水，汽车开过好似飞艇。我国城市困前普遍存在道路积水的问题，城市暴雨灾害已发展成为城市的内涝灾害。排水管网系统的大力建设，是解决城市内涝问题的重要手段之一，所以，近年来，排水系统建设越来越受到重视，如2008年南京市投入1900万元改造排水管网，保障各类排水设施完好，增强抗御台风、暴雨等恶劣天气的能力；武汉将投入3亿元资金使武汉三镇20个逢雨必渍的“重灾区”在年内摆脱渍水，提高相关路段的排雨能力。排水管网系统作为主要的城市排水设施，对减轻和防止这类城市型水灾害起着举足轻重的作用。然而排水管网在解决这类问题的时候已经不局限于工程方法，还需充分利用现代信息技术，通过雨水径流量的实时监控和建设城市洪

18、水预测与预警系统等非工程方式，与工程措施相结合，齐头并进，共同防治现代城市的内涝灾害。1.2.3 城市排水管网系统的信息技术计算机科学作为当今新技术的带头学科和先导技术，强有力地推动世界各行业的信息化发展。计算机在城市排水管网系统领域的应用，处在不断探索发展的时期，GIS（地理信息系统）、MIS（管理信息系统）、EIS（专家信息系统）、CHM（计算机水力模型）等信息技术的开发和利用，为计算机在城市排水管网系统专业领域的应用开拓了广阔的前景。排水管网模型是城市排水管网系统信息化技术的核心。目前，城市排水管网系统的信息化技术主要包括排水GIS、排水SCADA系统和城市排水管网模型三个部分，其关系如

19、下图所示。图：排水管网信息化关系图排水GIS明确城市排水管网系统的存在形式，排水SCADA系统显示城市排水管网系统的运行情况，而排水管网模型则可以预测城市排水管网系统可能发生什么情况，排水GIS和排水SCADA系统是排水管网模型的基础，提供布局、数据等基础信息；排水管网模型可以重现历史和现实的排水管网运行状态，也可以预测排水管网系统在未来时期内的运行状态，通过对建模结果进行分析处理， 为规划设计和管理决策提供科学的参考依据。另外，由于城市排水过程和管理的复杂性，为了实现排水管网系统的管理， 对雨水径流、管道污水汇流的复杂过程有清晰的认识，必须借助现代信息方法和技术手段对该过程进行准确模拟和预测

20、。因此，涌现出了上百种城市排水管网动态模拟模型，用于雨水管网、合流制管网和污水管网的规划、设计以及运行管理，重点集中在限制雨水和合流制系统溢流次数和流量及研究溢流污水的最佳处理途径，消除城市内涝积水，以达到减少溢流量，减少管道超载和地面淹水，减少溢流的污染负荷，降低暴雨造成的城市危害，合理利用水资源等多重目标。如今，计算机模拟在科学研究中扮演着越来越重要的角色，它是计算机技术和各个具体工程科学技术的结合，甚至有人将21世纪称作是模拟技术的世纪。采用计算机技术对排水管网进行优化设计，改进传统设计方法，提高其设计标准和可靠性；对已建成的城市排水管网进行科学的信息化管理，使之充分发挥效益，是一项艰巨

21、的任务。1.3 模拟的意义城市排水管网系统是重要的城市基础设施，其任务是收集和与输送城市污水和城市降雨、融雪产生的径流，它具有保护环境和城市减灾双重功能。随着城市建设步伐的加快，市政排水事业也得到了迅速的发展。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

22、虑。非恒定流模拟技术在城市雨水管网设计、运行管理以及排水系统水量水质模拟等方面有着重要的辅助作用。国外许多发达国家都把非恒定流模拟作为管网设计、运行管理的基础和依据。我国在该方面技术的研究起步较晚，应该借鉴吸收国外先进的技术经验，为国内的市政排水事业的发展添砖加瓦。然而，市政排水系统只是城市水循环圈的一部分，直接与排水系统相连的有 降雨径流系统和城市河道或水渠等。排水管网系统收集降雨所产生的地表径流并排入收纳水体一河道或水渠等。因此对城市水文，降雨径流 、城市排水系统和城市河网系统综合管理是维护水循环健康的重要保障，同事也是城市防洪减灾工作必备基础。随着计算机软件、硬件技术、信息科学以及数值计

23、算技术的飞速发展，大 量的商业水环境系统模拟软件纷纷问世，城市水环境工作者有了有利的工具来 模拟水循环的各个过程行为。合理的计算机模型为管理者提供坚实的科学依据。然而，传统的计算机模型是比较单一的模块性质的模型，比如城市水文降雨径 流模型单纯模拟降雨径流模块，河网水力模型单纯模拟河网动态，城市排水系 统，地下水模型等等都是单一模块。但是实事上这些模型组成了一个有机的城 市水环境系统，而且各个模块自己都有着密切的联系与动态的相互作用。单一 的模型可以做，到局部的最优化，但是局部的最优化并不等于全局的最优化。 必然的趋势是把各个模块有机的统一起来，这样的模型系统会大大的加强科技 工作者付出行之有效

24、的综合水环境系统管理。在上个世纪八十年代，国外就有 研究学者把综合水域管理模型的概念付之实际科研并开发了相应的计算机模型 软件把不同模块的计算机模型有机的整合在一起。目前，国内在排水系统的设计及改造中采用推理公式法计算管道参数， 并根据地形条件、道路状况、施工条件等因素来确定设计与改造的方案，因此， 管道没计是否合理、方案选择是否最优存在着较大的主观性和随意性，这就为 管道漫溢的发生埋下了隐患。而国外在排水系统的设计，尤其是大型排水系统 的没计与改造中，已广泛采用计算机水力模型进行辅助并在计算机水力模型的 基础上，建立了排水系统性能评价体系，对未建排水系统进行校核计算，对已 建排水系统进行性能

25、诊断，以定量地掌握未建或已建排水系统的水力特性及性能值，并根据系统水力特性及整体性能合理的优化和选择、设计、改造方案， 以保证设计与改造方案的安全性和合理性。因此，排水系统性能评价体系的建立不但可以定量的评价没计、改造方案的合理性，而且也为排水系统调度控制和维护管理提供了定量的标准。同时在能源及化工系统仿真的计算中，普遍地遇到流动问题的仿真计算， 其精确计算需同时考虑多种平衡条件，故一般来说是一个高度非线性的问题， 而在仿真中，所关心的是系统的宏观特征。工程中的许多流动系统具有类似于电网络的特性，这时可用网络法分析其宏观特征。人们提出了用实验和理论分析方法得到网络各支路的阻力特性曲线的基本型式

26、，但在有关待定阻力参数的确定方面，研究尚不够充分。为此，提出根据测试样本构造以待定阻力参数为自变量的误差函数，以它为优化目标函数，进而使用一种基于最陡下降法的快速变步长迭代算法来求其最小值点。这样，为上述流动问题提供了一种有效模拟系统机理的快速计算方法。此种方法正好也可应用于城市排水系统的计算机仿真中。为排水系统的设计、施工提供参考，可节约时间和经济成本。所以， 用计算机仿真手段研究城市排水系统的运行过程具有成本轻、周短的优点。1.4 国内外发展现状1.4.1 国外排水系统发展概况近代城市排水系统的产生及发展与工业化及城市化的进程密不可分,其发展进程大致可分为三个相对独立又相互交错的阶段2。第

27、一阶段是早期阶段。19 世纪中期西方国家的工业和城市迅速发展,为了对付水污染所传播的疾病,人们先后发展了现代城市的给水排水系统。早期的排水系统只是建造管渠工程,以收集、输送污废水及雨水,且未作处理就直排水体, 逐渐导致城市河流等水体被污染。于是,在本世纪初人们不得不在污染严重的地区修建污水处理厂。第二阶段是点源治理阶段。60 年代开始,西方国家经济的快速发展对环境造成的严重危害明显的暴露出来。为了生存和发展,西方各国不得不投入大量财力铺设污水管道、建设处理厂、站,强化污水处理,提高污水的收集率和处理率; 并对工业污水、污水厂尾水的排放作了严格的控制第三阶段是暴雨雨水的管理阶段。实践证明,点源治

28、理有它的局限性。为了进一步改善城市水体的水质,70 年代起西方国家便将暴雨雨水的管理,又称“非点源”治理,提到日程上来,直到今天都在致力于此项工作。对暴雨雨水的 管理是基于观念的转变。因为“尽快地将雨、污水收集、输送、排放”的老做 法已经难以应付当今城市化带来的径流量增加和水体污染的新问题。非点源治 理的作法可以分为两部分。第一是所谓“源控制”。它是在排水系统的上游各 子流域内,将雨水或就地渗入地下,或延长其排放时间,或暂时蓄存,以收到削峰、减流、净化雨水径流、补充地下径流之效果。其工程设施有渗塘、地下渗渠、 地表透水铺面、屋面或庭院或停车场的受控雨水排放口、以及各种“干”或“湿”的池塘或小型

29、水库等。第二是所谓“下游控制”。首先,它是对一般污染地区的雨水或混合污水的水量调节及附带处理。在排水系统的中下游沿线适当 地点,将雨水径流或雨污混合污水蓄于天然或人工的调节池、塘,地下隧洞等,以减少合流污水的溢流次数和水量、去除某些污染物以改善出流水质;暴雨过后, 被蓄存的混合污水靠重力或泵提升经管渠送污水厂处理后再排放。“下游控制” 要求,溢流的合流雨污水对水体的影响应控制在一定的水质目标之内。为了实现对暴雨雨水的管理,必须对雨水径流过程有更深入的认识、准确的预测和模拟。这方面的进展集中体现在当今众多的、可在计算机上运行的城市污水、暴雨雨水模型、程序和计算方法。当前西方最著名的成果有4: 英国环境部及全国水资源委员会的沃林福特程序（wallingford