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排水管网是城市重要的市政基础设施，也是日益重要的环境保护设施。随着城市化进程的加快以及环境保护意识的增强，城市污水处理厂的规划和建设工作正在全面展开，与污水处理厂配套的排水管网规划设计、建设施工以及运行管理的任务日益繁重。城市排水管网事业面临着良好的发展机遇，也经受着严峻的挑战。排水管网规划设计以及运行管理的优化理论是排水工程研究的重要领域。近年来，随着计算机技术的发展和数学模型方法的引入，排水管网建模的应用研究开始为业界所关注。在过去的10余年里，我国雨水管网建模研究取得了许多有价值的成果，但污水管网建模研究在国内尚未开展。污水管网建模与雨水管网建模的不同主要在于管网节点流量输入的差异，雨水管网入流是路面雨水口接收的地表径流，而污水管网入流是上游排水器具的脉冲波或化粪池的出流过程线。针对污水管网节点流量输入的特殊性，本文提出了污水管网节点流量建模的课题，旨在解决污水管网模拟模型的流量输入问题，并以此为线索，开展污水管网建模的基本理论研究(北京市教委科技发展计划项目资助，编号为05004790200201)，为城市污水管网的规划设计和运行管理服务。
首先，从总体上阐述了污水管网节点流量建模理论的概念和内涵，然后分别进行了污水管网节点流量确定性建模、随机性建模、混沌性建模(分形分析)以及微观模拟的研究。分述如下：
(1)利用较容易获得的用水量调查数据作为估算依据，提出了污水管网模拟模型中节点平均流量估算的间接方法，为估算未实测污水流量节点的日平均流量提供了一个新的途径。同时，为了获得污水管网模拟模型中未实测流量节点的流量过程线，在节点平均流量估算的基础上，进一步研究了无因次节点流量变化模式估算的区域属性模糊聚类方法。根据获得的动态聚类图，用户可灵活选择实测流量的节点及其个数，然后将实测节点的流量变化模式推广到同类的其它节点，从而解决了未实测流量节点的流量变化模式问题。最后，综合节点平均流量和无因次节点流量变化模式，就可以估算未实测流量节点的流量过程线，从而满足污水管网动态模拟的需要。
(2)为了全面分析、评价污水管网内部的水流工况以及管网的服务能力，需要考虑各个节点流量的随机性变化。为此，对污水管网节点流量进行随机模拟研究。借助所建立的随机模拟模型，采用蒙特卡罗计算机模拟方法，可获得节点的一组流量过程线，从而解决污水管网分析中节点流量随机变化的问题。对多次模拟结果进行统计分析，可获得各个水力要素的统计特性，为污水管网水力状况分析和评价提供了一个新的途径。
为此，笔者提出了非平稳流量序列建模的加法模型和齐次马氏链模型方法。特别是齐次马氏链模型首先对流量序列的随机性进行建模，并辅以关联分析进行确定性建模，改变了传统时序分析方法先进行确定性建模，然后进行随机性建模的研究思路，不需要数据预处理，从而简化了建模流程，具有较强的可操作性。(3)目前，污水流量实测的采样间隔一般为1d或1h，难以满足污水管网模拟时间步长的精度要求。为了减小入流过程线的时间尺度，应用分形理论研究不同时间尺度流量序列之间的关系，将长时间尺度(如1d，1h等)的流量变化特性移植到短时间尺度(如1min，1s等)内，从而提高污水管网非恒定流模拟的时间步长精度。为此，对北京两个污水厂的日进厂流量记录进行分析，计算其关联维数和盒维数，分析结果初步表明该污水流量序列存在分形特征。
(4)从器具层次上对污水管网节点流量微观模拟进行了研究。通过类比，并借鉴供水管网流量的微观模拟，将描述电话网中信号流量的排队模型引入到污水管网节点流量微观模拟领域，建立其概率框架，可获得节点流量的统计特性(均值、方差和累积概率分布)；并对排队模型和FLUSH模型的特点进行了比较。
其次，各个节点流量在进入污水管网之后，还会继续向下游演进，并与下游的节点流量汇集。为了描述节点流量在污水管网内部的演变规律，作为节点流量建模的延续，进一步研究了污水管网管段流量建模理论，即水力模拟计算理论。根据化粪池中水流变化的连续性方程以及化粪池的出流方程，建立了污水管网化粪池的水力模拟模型，特别是圆形断面出水口化粪池的水力模拟模型，给出了模型的有限差分解法，并对模型结果进行了定性验证，结果表明该模型能够反映化粪池水流演进的重要特性。
最后，对污水管网建模的支持平台进行了研究，主要包括：(1)为了便于污水管网非恒定流模拟技术的应用，研究了面向结构图的污水管网可视化动态建模方法，在Matlab/Simulink平台上应用M文件S函数接口建立了污水管网各动态环节的仿真结构图，包括管流模块、集水池模块、化粪池模块等以及两种污水流量发生器：污水流量随机模拟器(用于现状分析)和污水流量在线预测自适应滤波器(用于管网调度)。此外，进行了实例研究。
(2)地理信息系统(GIS)技术为污水管网建模(包括污水管网流量建模)提供了新的操作平台。为此，在分析GIS与污水管网建模关系的基础上，应用面向对象编程语言VB.NET和ESRIMapObjects组件对污水管网地理信息系统的设计和开发进行了研究。