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摘要：以InfoWorks CS模型为工具，利用率定后的模型对研究区域内旱季排水管道沉积状况进行预测性模拟，对影响管道沉积的因素如：坡度、管道材质、管道横截面形状、汇水区域性质等进行敏感性分析，探讨不同工况下沉积物的累积及迁移特征。
关键词：排水管道；沉积物；水力模型；旱季
0.引言
排水管道系统在维持城市正常运行中起到重要作用。由于规划、设计、施工等各方面原因，城市排水管道系统在运行时会出现诸如雨污管网混接、管道漏损、管道堵塞等一系列的问题，严重影响了管道的正常使用。
本文以英国HR Wallingford公司开发的InfoWorks CS（雨污排水系统）排水模型软件平台为研究手段，对排水管道沉积物的累积、输移过程进行仿真计算分析，为优化管网设计、指导管网养护提供参考。
1.InfoWorks CS模型构建
InfoWorks CS排水模型软件将计算机信息技术、网络技术、水环境工程及资产管理融为一体，采用了以分布式模型为对象，以数据流来定义关系的多层次、多目标、多模型的水量水质及防汛调度实时预报和决策支持系统，其主要功能是模拟旱季污水、降雨径流、水动力、水质、泥沙、沉积物的形成和运动过程。
1.1 研究区域概述
研究区域位于G市中心老城区，占地面积约2公顷；研究区域排水管道主要为钢筋混凝土管，局部地区为PVC管，管径在300mm～ 1500mm之间；研究区域内有公园、居民区、学校、商业区等城市典型功能区，无工业用地，主要采用雨污合流排水体制[1]。
借助相关部门提供的G市排水管网GIS数据，将所有排水管道、检查井纳入研究区域，并应用于模型构建，区域内包括：检查井1168个，圆管1175根，总长度15.33 km，矩形渠箱120段，总长1.5km，模型中管道、检查井的所有属性均为现场实测数据。
1.2 模型参数确定
水力模型参数设定过程：根据G市相关部门提供的资料，确定模型研究范围的人口数量，以人口数量和人均排水量的乘积作为入流量；管道粗糙系数采用模型的默认值，管道初始沉积量（即沉积物厚度与管径之比）按相关的研究成果估算[2]。模型计算时，将实测水位过程线作为模型计算边界；根据G市最新暴雨强度公式，利用芝加哥雨型对降雨过程进行不均匀分配；参考谭琼对降雨-径流模型灵敏性研究的成果[3]：不可渗透表面选择固定径流系数模型、可渗透表面选择Horton渗透模型。汇流计算方法采用水力学方法中的运动波模型来计算坡面流。
水质模型参数设定过程：借鉴国内外的相关模拟经验，将集水区域划分为不同用地类型（工业区、商业区、居民区），地表沉积物、污染物的冲刷过程模拟采用InfoWorks CS模型中的Desbordes Model，管道沉积物、污染物的累积冲刷过程采用Ackers White Model描述，InfoWorks CS给出了地表和管网中沉积物的累积率、衰减系数、污染物附着系数的建议值。
2.模拟结果分析
利用研究区域已建立并经过率定后的水质模型，通过固定影响管道沉积其它因素的方法，对该区域排水管道进行沉积趋势的单因素敏感性分析。
2.1 坡度影响分析
模型选定研究区域内长度约为1 km的DN800干管为研究对象，按下列三种工况进行模拟分析：一是根据实测坡度数据进行沉积模拟；二是参考现行规范，取设计坡度0.0015进行模拟；三是参考有关污水两相流临界流速的研究成果，设计充满度为0.75，DN800的钢筋混凝土管道，取临界坡度0.0025进行模拟。
模型模拟过程为先对研究区域先进行20天的沉积物累积模拟，再采用P=0.5的设计暴雨进行冲刷模拟。各工况计算时，仅改变研究管道坡度，其它条件不变，模拟初始设置管道沉积物固定层为60mm。
以上各工况下研究管道的沉积厚度变化过程如图1所示，从变化过程线可以看出，坡度不同，管道的沉积趋势也相差较大。按实测坡度模拟计算时，研究管道沉积现象较为严重，模拟周期结束后，管道增加了约32mm的沉积物；当管道坡度取设计值0.0015时，管道中沉积物的累积趋势明显比第一种工况要弱，模拟周期结束后，管道仅增加6mm的沉积物，与第一种工况相比，沉积厚度减少了80%；当管道坡度取0.0025时，管道基本无沉积现象。由此可见，排水管道坡度是影响管道沉积的最主要因素之一。
图1 不同坡度排水管道沉积趋势图
2.2 管材影响分析
常用排水工程的管道主要有：普通的钢筋混凝土管（n=0.013）、加强的钢筋混凝土管材（n=0.012）、合成材料管材（n=0.01）、玻璃钢夹砂管（n=0.009）等；模型计算时，采用实测坡度，其它条件与2.1节相同，仅将研究对象DN800管道分别设置不同的n（曼宁粗糙系数）值，模拟管道材质对沉积的影响。
图2 不同管材排水管道沉积趋势图
图2为不同材质管道模拟周期内的沉积厚度变化趋势。从图中可以看出，水力条件好的合成材料管（UPVC、HDPE管等）、玻璃钢夹砂管的沉积现象较弱，但与其它材质管道的沉积状况差别不大，模拟周期结束后，管道沉积物厚度相差8mm左右。由此可见，管道材质对沉积的影响不是特别显著。
2.3 汇水区域性质分析
将研究区域管网的子集水区类型分别设置为老式小区、新式小区、商业区、综合区（各区域旱季水质及沉积物累积速率设置不同），其它条件与2.1节相同，进行汇水区域性质与管道沉积相关性的模拟。
从图3中可以看出，不同汇水区域污水水质不同，集水区地表环境不同，研究管道的沉积物厚度也相差较大。降雨前，管道沉积物厚度与旱季污水水质有关，商业区、综合区SS（悬浮固体）浓度较高，因而其沉积物厚度也明显高于新、老式小区；降雨冲刷浸蚀后，商业区管道沉积物受冲蚀作用最小，管道沉积物厚度约高出其它区域20mm。由此可见，汇水区域性质是影响管道沉积的主要因素之一。
图3 不同汇水区域排水管道沉积趋势图
2.4 管道横截面形状影响分析
常用排水管道横截面形状主要为圆形及矩形，不同截面排水管道的水力条件不同；在其它条件不变的情况下，对过流能力相似的DN800的圆形截面管道及长宽分别为800mm、630mm的矩形截面渠箱进行模拟分析。
图4为不同截面管道沉积趋势线，矩形渠箱的沉积现象较圆形管道明显，模拟周期结束后，沉积厚度相差12mm。由此可见，管道的横截面形状对沉积现象有一定的影响。
图4 不同截面排水管道沉积趋势图
3.结论及建议
通过水力模型对研究区域排水管道进行单因素沉积敏感性分析，结果表明：管道坡度对管道沉积的影响最大，汇水区域性质、管道横截面形状次之，管道材质的沉积影响效果相对最小。
建议今后G市的管网养护工作应有目的、有重点的开展，相同条件下，优先对存在沉积敏感因素的管道进行清疏，才能最有效的预防、控制管道沉积。
参考文献：
[1]张伟.基于InfoWorks CS模型的排水管道沉积规律研究：[学位论文].长沙：湖南大学，2012
[2]张伟，余健，李葳等.广州市排水管道沉积现状研究分析.给水排水，2012，38（7）：147～150
[3]谭琼.排水系统模型在城市雨水水量管理中的应用研究：[学位论文].上海：同济大学，2007
关键词：排水管道；沉积物；水力模型；旱季
0.引言
排水管道系统在维持城市正常运行中起到重要作用。由于规划、设计、施工等各方面原因，城市排水管道系统在运行时会出现诸如雨污管网混接、管道漏损、管道堵塞等一系列的问题，严重影响了管道的正常使用。
本文以英国HR Wallingford公司开发的InfoWorks CS（雨污排水系统）排水模型软件平台为研究手段，对排水管道沉积物的累积、输移过程进行仿真计算分析，为优化管网设计、指导管网养护提供参考。
1.InfoWorks CS模型构建
InfoWorks CS排水模型软件将计算机信息技术、网络技术、水环境工程及资产管理融为一体，采用了以分布式模型为对象，以数据流来定义关系的多层次、多目标、多模型的水量水质及防汛调度实时预报和决策支持系统，其主要功能是模拟旱季污水、降雨径流、水动力、水质、泥沙、沉积物的形成和运动过程。
1.1 研究区域概述
研究区域位于G市中心老城区，占地面积约2公顷；研究区域排水管道主要为钢筋混凝土管，局部地区为PVC管，管径在300mm～ 1500mm之间；研究区域内有公园、居民区、学校、商业区等城市典型功能区，无工业用地，主要采用雨污合流排水体制[1]。
借助相关部门提供的G市排水管网GIS数据，将所有排水管道、检查井纳入研究区域，并应用于模型构建，区域内包括：检查井1168个，圆管1175根，总长度15.33 km，矩形渠箱120段，总长1.5km，模型中管道、检查井的所有属性均为现场实测数据。
1.2 模型参数确定
水力模型参数设定过程：根据G市相关部门提供的资料，确定模型研究范围的人口数量，以人口数量和人均排水量的乘积作为入流量；管道粗糙系数采用模型的默认值，管道初始沉积量（即沉积物厚度与管径之比）按相关的研究成果估算[2]。模型计算时，将实测水位过程线作为模型计算边界；根据G市最新暴雨强度公式，利用芝加哥雨型对降雨过程进行不均匀分配；参考谭琼对降雨-径流模型灵敏性研究的成果[3]：不可渗透表面选择固定径流系数模型、可渗透表面选择Horton渗透模型。汇流计算方法采用水力学方法中的运动波模型来计算坡面流。
水质模型参数设定过程：借鉴国内外的相关模拟经验，将集水区域划分为不同用地类型（工业区、商业区、居民区），地表沉积物、污染物的冲刷过程模拟采用InfoWorks CS模型中的Desbordes Model，管道沉积物、污染物的累积冲刷过程采用Ackers White Model描述，InfoWorks CS给出了地表和管网中沉积物的累积率、衰减系数、污染物附着系数的建议值。
2.模拟结果分析
利用研究区域已建立并经过率定后的水质模型，通过固定影响管道沉积其它因素的方法，对该区域排水管道进行沉积趋势的单因素敏感性分析。
2.1 坡度影响分析
模型选定研究区域内长度约为1 km的DN800干管为研究对象，按下列三种工况进行模拟分析：一是根据实测坡度数据进行沉积模拟；二是参考现行规范，取设计坡度0.0015进行模拟；三是参考有关污水两相流临界流速的研究成果，设计充满度为0.75，DN800的钢筋混凝土管道，取临界坡度0.0025进行模拟。
模型模拟过程为先对研究区域先进行20天的沉积物累积模拟，再采用P=0.5的设计暴雨进行冲刷模拟。各工况计算时，仅改变研究管道坡度，其它条件不变，模拟初始设置管道沉积物固定层为60mm。
以上各工况下研究管道的沉积厚度变化过程如图1所示，从变化过程线可以看出，坡度不同，管道的沉积趋势也相差较大。按实测坡度模拟计算时，研究管道沉积现象较为严重，模拟周期结束后，管道增加了约32mm的沉积物；当管道坡度取设计值0.0015时，管道中沉积物的累积趋势明显比第一种工况要弱，模拟周期结束后，管道仅增加6mm的沉积物，与第一种工况相比，沉积厚度减少了80%；当管道坡度取0.0025时，管道基本无沉积现象。由此可见，排水管道坡度是影响管道沉积的最主要因素之一。
图1 不同坡度排水管道沉积趋势图
2.2 管材影响分析
常用排水工程的管道主要有：普通的钢筋混凝土管（n=0.013）、加强的钢筋混凝土管材（n=0.012）、合成材料管材（n=0.01）、玻璃钢夹砂管（n=0.009）等；模型计算时，采用实测坡度，其它条件与2.1节相同，仅将研究对象DN800管道分别设置不同的n（曼宁粗糙系数）值，模拟管道材质对沉积的影响。
图2 不同管材排水管道沉积趋势图
图2为不同材质管道模拟周期内的沉积厚度变化趋势。从图中可以看出，水力条件好的合成材料管（UPVC、HDPE管等）、玻璃钢夹砂管的沉积现象较弱，但与其它材质管道的沉积状况差别不大，模拟周期结束后，管道沉积物厚度相差8mm左右。由此可见，管道材质对沉积的影响不是特别显著。
2.3 汇水区域性质分析
将研究区域管网的子集水区类型分别设置为老式小区、新式小区、商业区、综合区（各区域旱季水质及沉积物累积速率设置不同），其它条件与2.1节相同，进行汇水区域性质与管道沉积相关性的模拟。
从图3中可以看出，不同汇水区域污水水质不同，集水区地表环境不同，研究管道的沉积物厚度也相差较大。降雨前，管道沉积物厚度与旱季污水水质有关，商业区、综合区SS（悬浮固体）浓度较高，因而其沉积物厚度也明显高于新、老式小区；降雨冲刷浸蚀后，商业区管道沉积物受冲蚀作用最小，管道沉积物厚度约高出其它区域20mm。由此可见，汇水区域性质是影响管道沉积的主要因素之一。
图3 不同汇水区域排水管道沉积趋势图
2.4 管道横截面形状影响分析
常用排水管道横截面形状主要为圆形及矩形，不同截面排水管道的水力条件不同；在其它条件不变的情况下，对过流能力相似的DN800的圆形截面管道及长宽分别为800mm、630mm的矩形截面渠箱进行模拟分析。
图4为不同截面管道沉积趋势线，矩形渠箱的沉积现象较圆形管道明显，模拟周期结束后，沉积厚度相差12mm。由此可见，管道的横截面形状对沉积现象有一定的影响。
图4 不同截面排水管道沉积趋势图
3.结论及建议
通过水力模型对研究区域排水管道进行单因素沉积敏感性分析，结果表明：管道坡度对管道沉积的影响最大，汇水区域性质、管道横截面形状次之，管道材质的沉积影响效果相对最小。
建议今后G市的管网养护工作应有目的、有重点的开展，相同条件下，优先对存在沉积敏感因素的管道进行清疏，才能最有效的预防、控制管道沉积。
参考文献：
[1]张伟.基于InfoWorks CS模型的排水管道沉积规律研究：[学位论文].长沙：湖南大学，2012
[2]张伟，余健，李葳等.广州市排水管道沉积现状研究分析.给水排水，2012，38（7）：147～150
[3]谭琼.排水系统模型在城市雨水水量管理中的应用研究：[学位论文].上海：同济大学，2007