基于GIS的农村排水管网模型快速构建.pdf

科研与管理水利规划与设计 年第 期:/基于 的农村排水管网模型快速构建王 静(华北水利水电大学 河南 郑州)摘要:为推进新农村排水设施改造工作 解决管网模型建模过程中的数据处理问题 在管网原始 图形文件的基础上 借助 平台进行 水力模型要素预处理 以新乡市某新农村示范村为例 以郑州 特大暴雨为降雨序列对模型参数进行设置 分析改造后管网运行状态 实现了管网水力模型的快速构建 为 技术和 模型的结合提供技术参考关键词:技术 排水管网 模型构建 农村中图分类号:文献标识码:文章编号:()收稿日期:作者简介:王 静(年)女 硕士研究生:暴雨洪水管理模型()是由美国环保局()开发的一款动态降雨径流模拟模型 可以根据流域降雨径流情况进行单次降雨或长期降雨的产汇流模拟、管网水流模拟以及水质模拟 在管网水力模拟方面应用广泛随着管网建设工作的不断推进和信息技术的持续发展 管网模型模拟也不局限于单一软件 具有强大的空间数据处理能力和信息储存分析能力可以实现 模型复杂数据的有效整合与存储使创建 模型更加精确快捷 由此 众多学者和相关从业人员进行了深入研究与应用近年来极端气候频发 全国各地相继出现暴雨或特大暴雨 引发一系列洪涝灾害 例如 年郑州 特大暴雨 郑州市及周边城市均造成严重洪涝灾害 极端暴雨的发生对各地排水防涝工程带来严峻考验 排水管网检修改造迫在眉睫 而对于管网改造与运行 农村地区面临更大的挑战农村管网工程缺乏科学严谨的规划方案 管网数据资料不够直观 现阶段农村普遍面临污水排放设施落后、管道老旧、破损漏水等问题 此外 改造后的管网输送无系统的分析 无法合理模拟排水管网运行情况 导致整改方案难以达到最优化 管网整改后运行问题难以及时发现 年 中共中央办公厅国务院办公厅印发乡村建设行动实施方案 强调要加强农村防汛抗旱基础设施建设 在此方案的驱动下 新乡市强力推动城镇污水处理设施建设 加快推进农村排水体系升级改造建设工作 本文以新乡市某新农村建设示范村(以下简称示范村)为例 快速构建示范村整改后的排水管道模型 并以郑州 特大暴雨数据为基础 分析验证极端暴雨波及下管网运行状态 模型构建技术路线本文以构建 管网水力模型为目标 在管网数据的整理与分析上 借助 平台进行处理 结合郑州 特大暴雨背景设置模型降雨序列及相关参数 对模型运行状态进行分析 具体的操作流程:基于原始 管网资料在 平台建立统一坐标系 对管道、检查井、泵站等数据进行矢量化 生成相应的数据库文件(文件)在 平台进行排水管网水力模型数据的预处理 包括管网属性信息的整理、子汇水区的划分以及管网、检查井、子汇水区之间的拓扑检查等 将建立好的水力模型数据库输入到 软件或将其转换为模型软件的输入文件 进行相关模型设置 运行模型 查看模型分析报告 确定管网运行状态 技术路线如图 所示 研究区概况研究案例为新乡市某新农村示范村 北离新乡 年第 期水利规划与设计科研与管理图 技术路线 南距郑州 省道 薄口公路穿村内通过 交通便利 位置优越 示范村现有各类民营企业工厂 余家 个体草编加工户 余户 村内大小商铺、酒店 余家 村南坐落一个新开发的工业园区 有数家超亿元企业落户于此 经济发展势态良好示范村总面积 耕地面积 村庄规划占地面积 全村辖 个村民小组 户居民 村庄住宅区南北长 东西宽 占地面积 村庄住宅排列整齐 地势整体平坦 地势高差可忽略不计 改造后管网沿住宅道路铺设整齐 整体为树状结构 分枝较少 排水管网为雨污分流模式 每家每户中埋设地下暗管 用于收集生活污水和盥洗用水 再由管道流入街道一侧的主干管 最终汇集到统一集水处 雨水设置单独管道 分布在主干道路一侧 与村民生活污水分开收集示范村排水管网改造后使用统一材质管网 污水管道管材多 采 用 高 密 度 聚 乙 烯 双 壁 波 纹 管()主干管管径为 管线全长 污水检查井材质为现浇钢筋混凝土 直径为 井深在 之间 共有 座 数据预处理 数据矢量化示范村原始管网设计资料为 图形文件 图形文件内管网各类信息分层存储 包含房屋构筑物、道路、绿地、雨污检查井以及雨污管道的空间位置和文字标注信息对于 图形文件 检查井和管道空间位置信息可直接通过在 中加载 格式的图形文件进行导入 将 管网数据导入到 之前需要对 图层进行预处理 避免导入到 平台的数据繁琐冗杂 打开 文件的所有图层 使检查井、管道等相关设施及其属性数据所在图层处于开启状态 关闭或删除房屋、绿地等不需要的图层要素 检查各图层要素 保证每一图层只含有同一种要素信息 此外需要注意的是 模型中管道必须无缝连接 且水流方向与 管线方向一致 这就要求 原始管网图形中管道与管道之间不能有中断 管线绘制需按照水流方向进行在 中统一图层坐标系为“”投影坐标系 图形导入 平台后 根据原始图层表示为不同后缀的点(.)、线(.)、面(.)和体(.)等特征文件 其中检查井信息为 属性 属性表字段包括编号、坐标、井底高程和井深等 管道信息为 属性 属性表字段包括编号、进出水节点编号、管道长度和直径、上下游管底高程和管底埋深等 将检查井和管道的.文件分别导出数据为 文件 完成图形文件到矢量文件的转化 子汇水区划分子汇水区是降雨过程中地表产汇流的子单元是排水系统中不可或缺的一部分 目前在 平台中划分子汇水区有 种方法 见表 由于本文研究区面积较小 地形无明显起伏且原始资料只有管网分布数据 因此选用泰森多边形法进行研究区子汇水区划分 再根据实测资料进行人工调整 最终实现子汇水区科学合理划分借助 中 的邻域分析工具以检查井作为输入要素输出要素类文件表 划分子汇水区方法比较方法步骤优点局限适用范围人工划分根据实测资料和管网铺设线路手动绘制子汇水区符合实际 划分合理操作繁琐 耗时较长适用 于 管 网 简 单 的 小 型流域泰森多边形法基于检查井位置和边界条件生成泰森多边形作为子汇水区操作简单 耗时短未参考地形地貌 与实际径流情况有偏离适用 于 地 形 地 势 平 坦 的流域水文分析法基于 数据划分子汇水区操作方便 考虑了地形地貌特征不能较好的反映被人为改变地形的产汇流区域适用 于 未 经 开 发 的 自 然流域科研与管理水利规划与设计 年第 期名 完成 泰 森 多 边 形 的 创 建 并 借 助 中的提取分析工具 以研究区范围为边界对泰森多边形进行裁剪 完成研究区子汇水区的初步划分 结合示范村住宅入户管道铺设情况 将泰森多边形工具划分的子汇水区部分区域边界进行人工调整 调整后的子汇水区分布结果如图 所示本研究根据检查井划分子汇水区共 个图 子汇水区分布子汇水区划分完成后 需精确汇水区位置信息 计算各汇水区面积 利用 中“要素折点转点”工具 以子汇水区作为输入要素创建点要素图层 借助要素“添加 坐标”工具 为新图层增加点坐标字段信息 通过关联图层操作 将点坐标属性赋给子汇水区 导出数据为一个新的子汇水区.文件 为子汇水区添加位置坐标作为属性字段 在子汇水区属性表中添加一个新字段“”使用“计算几何”工具对“”字段进行操作 以“面积”作为属性栏计算结果 完成以点坐标属性为基础的子汇水区面积计算 拓扑检查拓扑可以反映空间要素或要素类之间的位置关系 管道、节点、汇水区等要素之间通过一定的拓扑关系结合成一个完整的排水管网系统 通过拓扑关联操作 可以指定管道与节点之间、节点与汇水区之间的空间关系 排查出不符合拓扑规则的要素并自动纠正 若在拓扑检查过程中出现错误 检查井或管道的空间位置发生了改变 则必须在属性表中重新计算要素的坐标信息 具有存储拓扑关系的能力 同时也提供用于查找和纠正拓扑错误的工具 在 中新建“个人地理数据库”(.格式)创建要素数据集 将检查井、管道和子汇水区作为输入要素类导入 本文根据 提供的拓扑规则选项 为检查井添加拓扑规则:“必须被其他要素的端点覆盖必须完全位于内部”为管道添加拓扑规则:“不能重叠 端点必须被其他要素覆盖”为子汇水区添加拓扑规则:“不能重叠 包含一个点”根据拓扑检查结果 检查井与管道之间、检查井与子汇水区之间以及管道与子汇水区之间均符合拓扑规则 文件转换 软件常用文件格式有输入文件(文件)、输出文件(文件)和结果文件(文件)分别用于存储模型要素、计算结果和总结报告 基于 处理的.数据文件需转化为储存模 型 要 素 数 据 的 格 式 文 件 才 能 被 软件读取 的 文件是 码文件 可以通过记事本或同类型的文本编辑器进行建立和修改 文件存储的要素内容由若干个模块组成 每个模块以一个关键词为标题 由一对中括号“”包裹 双分号“”注释每个模块的参数 参数内容以列展示 列与列之间由空格符隔开 文件主要有 个模块 本文将根据检查井信息、管道信息和子汇水区信息分别按模块录入 文件 各模块参数见表 表 文件要素模块参数 年第 期水利规划与设计科研与管理表中“”和“”模块记录检查井属性数据“”和“”模块记录排水管道属性数据“”、“”和“”模块记录子汇水区属性数据 将整理好的 文件导入到 模型中 初步生成示范村管网模型如图 所示图 示范村管网模型 模型建立 模型原理 采用圣维南方程方程组描述管网水流运动状态 由以下两个方程构成:连续方程:()动量方程:(/)()式中 流量/距离 过水断面面积 时间 重力加速度 /水深 摩阻坡度由曼宁公式求得:/()()式中 转换常数 管道曼宁系数 管道水力半径 流速/绝对值表示摩擦阻力方向与水流方向相反通过将圣维南方程组不同程度地简化 形成了 种管网汇流的演算方法 分别是恒定流()、运动波()和动力波()其中恒定流演算法假定在每一个计算步长内的流动状态都是稳定的 不考虑管渠蓄变、回水等内容 只适用于分支管网、树状管网 不适用于环状管网 运动波演算法假定水流重力在流动方向上的分力与摩阻力相平衡 可模拟管渠中水流的时空变化 但不能考虑出口损失、逆流和有压流等内容 同恒定流演算法一样只适用于分支管网 动力波演算法求解完整的圣维南方程组 是最复杂但也最准确的计算方法 对于管渠的蓄变、回水、入口及出口损失、逆流和有压流动均可进行计算 适用于任何常见形式的管网系统 但计算时要求较小的时间步长 为精确模拟示范村管网运行状态 结合以上 种方法的特点 本研究选用动力波法作为管道内水流计算方法 模型模拟降雨序列是 模型顺利运行的必要条件本研究从中国气象数据网获取新乡市 年 月 日 时至 年 月 日 时的时段降雨数据 完整包含郑州 特大暴雨事件的降雨全过程 验求极端暴雨情况下示范村改造后排水管网的荷载运行状态在 模型中添加郑州 暴雨期间新乡市时段降雨序列 设置模型演算方法为动力波()选择霍顿()下渗模式 模型允许溢流()基于动力波演算原理 设置模型演算时间步长为 其他参数根据示范村实际情况进行设置运行模型如图 所示 运行状态框显示地表径流连续性误差为 流量演算连续性误差为 两者均小于正常误差值 表明运行结果具有合理性图 模型运行状态框 结果与分析模型运行成功后 点击菜单栏选项查看模型运行状态报告 如图 所示 状态报告包含了关于模科研与管理水利规划与设计 年第 期拟执行质量信息 包括降雨、下渗、蒸发、径流和输送系统的进流量/出流量的质量平衡等 由状态报告可知 示范村 年 月 日 时至 年 月 日 时降雨累计达 入流总计达 最终蓄水 图 模型运行状态报告模型运行后的模拟结果可以在地图中进行动态演示 主要有三大主题:子汇水区、节点和管段 子汇水区主题包含面积、宽度、降水、蒸发、下渗、径流等要素 节点主题包含深度、水位、总入流量、流速等要素 管段主题包含流量、深度、流速、体积等要素 可在主题中选择不同的要素进行动画展示 如图 所示为示范村分别为子汇水区降水、节点总入流量和管段深度某时刻动画展示图 模型某时刻动态展示 管网模型运行可以生成剖面线图 显示沿节点和管段次序连接路径的水深变化 如图 所示 选择时间点为 年 月 日:以起始节点 到管网出口 全过程水深进行展示 此时降雨强度为特大暴雨状态 排水管道均处于满流状态 部分节点出现溢流图 管网剖面图 结论()通过提取 原始图形资料 基于 平台进行模型数据预处理 完成示范村排水管网、检查井节点的矢量化 并利用 平台提供的分析工具对示范村研究区域进行子汇水区的划分和几何计算 验证了管网、节点以及子汇水区之间的拓扑关系 表明基于 可实现 模型要素的快速处理()引入郑州 特大暴雨期间新乡市时段降雨数据 对新乡市某新农村示范村进行水力模型构建 基于动力波演算法和霍顿下渗原理 成功运行改造后排水管网模型 证明了基于 预处理的排水管网模型模拟的准确性 后续可根据不同重现期验求改造后管网运行合理性参考文献 黄棚兰 庞晶津 陈茗 等.污水管网外水流量与入流位置的模型估算.中国给水排水 ():.张健.基于子汇水区精细划分方法的 数据建模及管网优化改造方案研究.华中科技大学.张士官 吕谋 焦春蛟 等.基于 模型的雨水管网改造方案优化研究.水电能源科学 ():.王磊 李洪伟 张智宇 等.基于 和 的平原自排地区雨水排水管网智能规划技术研究.给水排水 ():.闫俊江.基于 与 技术的西北某校区的低影响开发.兰州理工大学.张弛.基于 与 的城市雨水管线承载力评价与优化.西安建筑科技大学.孟超 杨昆.模型与 集成技术研究.安徽农业科学 ():.赵冬泉 陈吉宁 佟庆远 等.基于 构建 城市排水管网模型.中国给水排水():.中办国办.印发乡村建设行动实施方案.人民日报 年第 期水利规划与设计科研与管理().何国富 张善发 彭海琴 等.基于 的排水管网 数据转换到 数据的探讨.给水排水 ():.宁国法 禹化强 潘欣 等.工业管网总图 数据到 数据转换方法的研究.北京测绘 ():.王瑞.基于 模型对合肥市淝河片区排水管网模型的构建与模拟.安徽建筑大学.郭军 杨涛 陈宝玉 等.基于 预处理的市政雨水管网系统 快速构建方法.给水排水 ():.周煜欣.基于 的西安市北郊漕运明渠汇水区排涝模拟研究.长安大学.(上接第 页)杜俊平 陈年来 叶得明.干旱区水资源与区域经济协调发展时空特征研究:以河西走廊为例.中国农业资源与区划():.甘肃省水文水资源局.甘肃省省级河流“一河一策”方案编制研究与应用.():.查木哈 翟继武 陈蕾蕾.赤峰市水环境承载力综合评价.科技创新与应用 ():.白洁 王欢欢 刘世存 等.流域水环境承载力评价:以白洋淀流域为例.农业环境科学学报 ():.武兰珍 赵霞 成艺 等.黄河流域甘肃段水资源承载力与水资源安 全评价 .排灌 机 械 工 程 学 报 ():.胡可可 何建村 赵健 等.气候变化背景下尼雅河流域生态基流研究.干旱区地理 ():.:.:.宇文塔曼.灰色关联汉服综合评价体系研究.丝绸():.:.():.郭嘉嘉 李占斌 李鹏 等.基于 模型的陕西省水安全评价及障碍因子诊断.水土保持研究 ():.蔚静雯 宋锟 王赟.“河长制”在水环境治理中的效用探究.工程技术研究 ():.吴丹 曹思奇 康雪 等.我国水治理现状评估与展望.水利水电科技进展 ():.(上接第 页)主管部门确有必要公布简易计税程序给市场参考建设单位应根据自身实际情况在投资策划阶段确定计税方法 并在招标文件及合同中具体明确税务方案 以免在实施阶段引起争议参考文献 刘纳兵 张扬 赵兵丽 等.营改增后水电工程简易计税项目税金计算研究.建筑经济():.胡玉强 陈振.水利工程“营改增”解析.水利规划与设计():.王艳华 李萌 胡国君.水利建筑服务“甲供工程”结算审计涉税业务辨析.水利发展研究():.林超雄.建设单位对工程造价计税方法的适用筹划.工程造价管理():.张奕.建筑业“营改增”后甲供材模式计税方法的选择.中国农业会计():.李博.营改增对水电工程造价的影响及应对措施.黑龙江科学():.周小溪.殷许生.营改增后水电工程主材供应方式及工程计税模式的选择策略.电力勘测设计():.冯均州.建筑业“营改增”工程计价方式应用策略研究.工程造价管理():.(上接第 页)邰恩利.浅谈水利水电工程施工合同的变更及索赔.河南水利与南水北调():.朱健康 蔡蓉蓉.水利水电工程变更管理办法探讨.水利技术监督():.李树森.水利工程变更与施工索赔的探讨.水利规划与设计():.戴秋萍 陈健 韦姝.关于水利工程项目设计变更管理的思考.水利发展研究():.赵佳欣.水利工程建设超概算原因及对策.黑龙江科技信息():.丁正冉.水利工程建设中变更处理的工作思路.河北水利():.赵洋 赵珍 王春娟 等.水利工程建设过程中变更管理思考.水利技术监督():.