城市排水管网水力学模型新方法及泵站节能技术研究

'杭州电子科技大学学位论文原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品或成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。论文储虢句切同期：加f卜1月哆同指删撇：彦建中嗍扣年旧多同学位论文使用授权说明本人完全了解杭州电子科技大学关于保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属杭州电子科技大学。本人保证毕业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为杭州电子科技大学。学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。(保密论文在解密后遵守此规定)论文作者签名：指导教师签名：佰勿夕童＼中日期：聊／年／月／乡同同期：G弘I·年f月，乡同—‘‘。-·-l 技大学硕士学位论文城市排水管网水力学模型新方法及泵站节能技术研究研究生：何杨指导教师：王建中教授鲁仁全教授 Candidate：HeYangSupervisor：Prof．WangJianzhongProf．LuRenquanJanuary，2011CS 杭州电子科技大学硕士学位论文摘要城市排水管网系统是重要的城市基础设施，也是城市水污染防治和城市排渍防涝的骨干工程，对消除和减少城市道路积水、合流制管道溢流等内涝灾害发挥着重要的安全保障作用。建立城市排水管网系统模型的目的是模拟或预测系统中各部分的水流状况，以便对排水系统进行管理和控制。传统的管网汇流模型建模方法比较繁琐，耗时而且误差较大。本文提出了一个新的建模方法，在圣维南方程组的基础上获得传递函数模型。该模型以排水管网系统中的污水流量为条件，得出排水管道的水位高度变化曲线。通过阀门、泵站等控制设施对污水流量进行调节，进而使管道中的水位高度得到控制。这样就能充分发挥管道的污水承载能力，减小污水溢出。另外，由于排水泵站在实际应用中耗能极大，所以对泵站节能技术的研究具有很重要的实际意义。本文以泵站节能降耗的目标，通过调节水流和调速的方法实现节能，使排水泵站能长时间处于良性运行状态。首先，通过圣维南方程组线性化推导出传递函数的水力学模型。掌握MIKEURBAN软件仿真的基本步骤，软件仿真作为传递函数模型的比较对照。运用传递函数模型对两个节点的一段管道模型进行分析，确定输入流量和管道长度如何影响管道水位。其次，结合与道路网的相似性和图论的相关知识。通过对排水管网系统特性的分析，证明树状结构的模型适用于排水管网系统模型。在此基础上，建立四个节点三段管道的最简单的树状排水管网模型，利用传递函数对管网模型进行计算水深，分析了节点流量和阀门模型。最后，为实现泵站节能，对其运行状态进行分析。首先对水泵工况点三种情况下的工况分析，说明水泵整个运行过程中是怎样改变流量和扬程的，怎样调节水流使泵站运行在高效区。然后分析水泵调速节能的基本原理，说明了运行效率与扬程，流量即水泵转速关系。以及确定水泵转速的三种方法，结合实例确定水泵运行效率最高时的最优转速。关键词：圣维南方程组，传递函数，树状模型，污水溢出，泵站节能 Last，analyzethepumpoperationstatustoachievefurtherenergysaving．Analysethreekindssub—conditionofpumpoperatingpoint，graspshowtoregulatewaterflowSOthatpump堍stationruninhigh—performanceal"ea．Analyzethegeneralprinciplesofthepumpenergy-savingthroughregulatingtherotationalspeedofpumps．Andanalyzethreemethodsfordeterminingtherotationalspeed．Last，determinethemostsuperiorrotationalspeedofpumpswithanexample．Keywords：Saint-venantequations，Transferfunction，Treemodel，Sewageoverflow,Pumpenergy 杭州电子科技大学硕士学目录摘要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．ABSTRACT⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．第一章绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1．1研究背景⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1．1．1城市排水概述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1．1．2城市排水存在的主要问题⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1．2国内外研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1．2．1城市排水管网水力学的研究发展⋯⋯⋯⋯⋯．1．2．2泵站优化节能技术研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1．3研究的目的和意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1．4论文的主要工作与内容安排⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯第二章基础知识⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2．1引言⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2．2地表汇流计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2．3城市排水管道基本水力计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2．4圣维南方程组⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2．4．1圣维南方程组简介⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2．4．2圣维南方程组求解⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2．5泵站理论基础⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2．5．1水泵的选择⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2．5．2水泵工作类型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2．1本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯第三章应用于排水管道的传递函数模型及软件选择⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯183．1弓I言⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．183．2建立应用于排水管道的传递函数模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．183．3针对一段污水管道的具体分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．233．4MIKEURBAN软件介绍⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．233．5传递函数模型与软件仿真的比较⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．253．5．1软件仿真⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．253．5．2理论计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．273．5／j、结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．29第四章基于图的排水管网系统模型的研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯304．1图论的基本概念⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯304．1．1图和有向图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯304．1．2树和生成树⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3l4．2排水管网模型的属性⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．324．2．1管段的特征属性⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯324．2．2节点的特征属性⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯¨¨⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．324．3排水管网系统网络特性分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一33HI 杭州电子科技大学硕士学位论文4．4基于三段管道，四个节点管网模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4．4．1节点流量分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4．4．2阀门模型分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4．5模型分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4．6，J、结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．第五章泵站节能分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5．1引言⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5．2污水泵站运行工况分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5．3调速节能⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5．3．1调速节能原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5．3．2最佳转速的确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5．3．3调速方式⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5．3．4实例分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5．4本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．第六章总结与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6。1本文工作总结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6．2展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．附录⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．IV 杭州电子科技大学硕士学位论文1．1研究背景1．1．1城市排水概述第一章绪论随着全球人13急剧增长、工业化、城市化速度加快，人类对水资源的需求以惊人的速度增长。随之而来的污水排放量也急剧增加，所造成的水污染已成为人类可持续发展所必须解决的重要问题。鉴于严峻的水环境问题，利用现有的排水管网系统，通过合理的控制，减少污水的溢出，降低环境的污染，不影响人们的正常生活。因此，对城市污水流量的控制，充分发挥排水管网系统中各管道的污水承载能力，减低下游管道和污水处理厂的排水压力，从而减少污水的溢出率，这项工作具有极其重要的现实意义。在人类的生活和生产中，使用着大量的水。水在使用的过程中受到不同程度的污染，改变了原有的化学成分和物理性质，这些水称做污水或废水。污水主要包括生活污水、工业废水和降水(液态降水和固态降水)。在城市或者工业企业中，应该有组织地、及时地处理污水，否则可能污染和破坏环境，甚至形成公害，影响生活和生产，以及威胁人民健康。排水的收集、输送、处理和排放等设施以一定方式组合成的总体，称为排水系统。排水系统根据污、废水的性质，又可分为污水排水系统、雨水排水系统和合流制排水系统。又根据体制不同，分为合流制排水系统和分流制排水系统。合流制排水系统是指将生活污水、工业废水和雨水混合在同一灌渠内排除的系统。合流制排水系统又分为直排式和截流式。分流制排水系统则根据雨水排除方式的差别，分为完全分流制和不完全分流制。根据地理、人13、工业等因素，排水体制的选择对排水系统的性能有很重要的影响【¨。污水通过城市排水管网输送到城市污水处理厂进行净化，达到规定的水质标准后，再加以利用或排入水体。城市排水管网系统是由排水管网系统一般由废水收集设施、排水管网、水量调节池、提升泵站、污水处理厂和排放13等组成的构建在城市三维空间上的错综复杂的网络系统，是城市基础设施的主体，是城市赖以生存和发展的物质基础【2】。城市排水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排渍防涝、防洪的骨干工程设施，而对城市排水管网工程设施的建设和管理运行的好坏，直接影响城市的发展水平，影响城市景观、卫生环境和投资环境，甚至关系到城市的安全。城市排水管网工程设施的功能和特性决定其工程规模大，投资大和在运行管理中消耗大量的能源和资源。 杭州电子科技大学硕士学位论文1．1．2城市排水存在的主要问题随着城市的的不断发展，排水系统也随时代不断向前发展。排水系统有着悠久的历史，为了降低汛期的影响，唐代的北京就已经有了排水管道，他们主要承担雨水的排放，保护城市安全，后随着发展逐步承担排污责任。城市排水管网为水资源环境的保护、城市运营安全发挥了重要作用。城市排水系统是城市基础设施建设的重要组成部分，它由排水管网、排水泵站和污水处理厂组成。一个城市排水系统建设和管理的好与差，是现代城市文明和谐的重要标志。关系到市民的切身利益和城市的安全，关系到城市生态环境改善和可持续发展。改革开放以后，经济得到了长足的发展，城市化进程加快，城市基础设施建设日趋完善。从而使城市生态环境和气候条件得到了根本改善，对社会经济发展起了巨大的推动作用。但由于过去对排水系统的重要性认识不足导致排水系统建设历史欠账太多，再加上随着城区规模不断扩大，排水系统存在的问题逐步暴露出来，与现代化园林生态城市的发展已经不相适应。相对于污水处理厂的发展，我国排水管网现代化管理起步较晚，管网管理又十分复杂。在我国，城市普遍存在管网配套建设滞后、排水设施不完善、排水设计标准较低、管网老化严重、排放能力不够、部分地下管网未知导致不可监测等问题。随着城市建设速度的加快，城市排水也成为制约城市快速发展的瓶颈之一。城市的管网规划与整体布局是十分必要的，但由于排水设施建设工期长、投入大、费用高等问题，因此如何充分利用城市现有排水设施，如何通过综合相关信息、整体优化排水系统的运行，如何提高城市排水综合运行效率，已成为一个急需研究解决的问题。与国外先进国家的排水系统相比，我国排水系统存在很大的不足，有很多地方都需要改进和完善。在阅读大量相关文献的基础上，通过对排水系统的研究，其存在的问题归纳如下：(1)排水设计标准低。在城市排水中，设计标准通常是用排水系统所能排泄的某一暴雨所发生的频率或重现期来表示。在我国，城市排水系统的设计重现其常为0．33a"--la，一般不超过5a，特殊重要的地区也不超过lOa，与其他国家相比，总体而言比较低。(2)对排水体制的重视不够。排水体制的合理选择不仅关系到城市雨污水的收集排放、排水系统的适用性和经济效益问题，而且更重要的是能否满足水资源和环境保护的要求，能否有效实现城市点源污染和非点源污染总量的控制，以及能否符合城市生态和可持续发展的要求。我国在城市排水方面一直偏重于污水处理技术的研究，对城市排水体制方面的关注极少。我国的新建城市(区)如深圳市、上海浦东、大连开发区等都采用的是分流制排水系统，由于设计、施工和管理方面的原因，在这些新建城市(区)中，并没有真正实现完全分流制所期望的目标，也没有将服务流域内的污水全部收集到污水处理厂【4】。(3)养护维护手段单一，规范化管理系统缺失。目前国内排水管道运营监控仍主要限于人工对检查井的定期观测，只能获取当时管道的水位、流速、淤积情况等信息，事实上不同时间、不同季节对数据有很大的影响，单靠人工观测很难及时的获取所需要的数据，很难做到2 杭州电子科技大学硕士学位论文及时的控制和维护。对管网的检测与维护也是完全依靠人工的方式，缺少自动化系统进行监控。在90年代我国就制定了“排水管道维护安全技术规程”，其中明确提出在管道检查和维护中宜采用反光镜或电视检测仪、橡胶气堵、机动绞车、高压冲洗车及吸泥车等现代化装备，由于受经济实力的限制，到目前为止我国维护管理排水管道的单位的装备水平依然不高【5】。(4)排水管网规划设计不合理。随着城镇化进程的加快，城市的范围越来越大。由于缺乏统一的排水规划设计，新区管道敷设一般结合道路进行，路修至那，管道敷设到那。导致许多排水管道无出路或任意接管临时排放，给以后排水管网系统的整治利用增加了难度。另外由于国内没有很好的水力计算软件，目前大范围的排水管网规划设计大都采用经验估算方式进行设计，难以做到整个系统的优化。造成上下游管渠坡度分配不合理，水流流态不好，管渠淤积严重，泵站建设过多【6】。‘(5)存在管道老化问题。现在使用的排水管网很多都不短的使用年限，由于城市的快速发展，加上对管网的维护不到，致使有些管道出现渗漏的情况，另外部分现状管线管径不合理，雨水管径普遍偏小，过水能力不足，导致汛期常常出现溢水现象【¨。(6)泵站存在的问题。各个泵站的建设和投入运行的时间不同及采用的设备与技术不一；多数泵站采用进口排污泵，其电气控制柜中具有排水泵机组运行的基本参数如温度、湿度、浸水、缺相等的报警输出；几个末梢泵站已经安装了流量检测系统；而一些小型的泵站还采用比较简单的排水泵，基本没有检测与保护措施。总之，大部分泵站还没有完整的自动化系统对排水泵机组的运行进行监控，对排水泵的控制还停留在单纯的开停和故障报警等基本功能。1．2国内外研究现状1．2．1城市排水管网水力学的研究发展对于城市排水管网的水力学模型的研究可以追述到19世纪中叶，1851年爱尔兰人莫尔凡尼(Mulvaney)提出了推理公式法。19世纪末至20世纪60年代，一系列重要水力学模型相继面世，这些数学模型包括圣维南方程组(1871年)、曼宁公式(1889年)、泰森多边形法(1911年)、等流时线法(1922年)、皮尔逊III型曲线选配频率曲线(1924年)、单位线法(1932年)、Muskingum法(1935年)、综合单位线(1938年)、洛杉矶过程线模型(1944年)、指数方程表达的暴雨强度公式(1950年)、瞬时单位线法(1957年)、进水口过程线方法(1958年)、芝加哥过程线模型(1960年)、TRRL法计算程序(1963年)、Muskingum．Cunge法(1969年)等【8’9"lOl。自20世纪60年代开始，一些基于计算机开发水力学模型陆续推出。最早应用于水资源领域的是Linsley和Crawford开发的斯坦福模型(StanfordWatershedModel，SWM)。而真正标志着城市排水管网计算机建模开端的是1969．1971年由美国EPA资助，梅特卡夫一埃迪三I 杭州电子科技大学硕士学位论文公司(M&E)、美国水资源公司(眦)和佛罗里达大学(UOF)等联合开发的SWMM模型。随后，伊利诺斯城市排水区域模拟模型(ILLUDAS)、STORM等模型也相继问世。此后，国外研究者还开发了许多城市雨洪过程线模型和城市雨洪模拟模型，有伊利诺斯雨水管道系统模拟模型(ISS)、水文计算模型(HSP)、DR3M．QUAL(美国)、LAVRENSON(澳大利亚)、CAREPAS(法国)、QQS(德国)、RATIONAL(俄罗斯)和WFP(英国)等。该时期的城市排水管网水力学模型的研究热潮对后来的城市排水管网水力学模型软件的开发奠定了理论基础【11,12J。20世纪70年代和80年代，SWMM模型经过的升级换代迅速发展成为城市雨水管理的前沿技术。由EPA主办的SWMM用户群论文集中包括许多SWMM实际应用和理论研究的论文，表明SWMM在当时的应用已经很普遍【l31。20世纪90年代，城市排水管网水力学模型软件中开始整合GIS(GeographyInformationSystem，地理信息系统)及图形预处理和后加工模块，大大加强了模型的输入和输出功能。建模手段的进步并不影响模型的精度或理论基础，却提高了模型的使用效率。随着Windows图形界面操作系统的出现，使得城市排水管网模型软件的用户界面更加友好。此间，商业化运作的城市排水管网模型软件也相继出现，加速了城市排水管网模型的应用进程。目前，国外许多城市排水管网模型软件的开发与运作己经走上商业化发展的道路，其中开始进军中国市场的有英国沃林福特(Wallingford)软件公司InfoworksCS软件，丹麦水利研究院(DHI)的MOUSE(最新版包含在MIKEURBAN中)以及美国Bentley的stormCAD和sewerCAD脑号}o关于城市排水管网动态水力学模型及相关方面的研究，1994年，美国华盛顿大学的Gelormino和Ricker等人对西雅图市的排水管网系统长期存在的合流制管道污水溢出问题进行了深入研究并建立管网的预测模型，使用DMC(dynamicmatrixcontrol，动态矩阵控制)优化算法成功地将污水的溢出量降低了26％(相比常规的控制策略)113】。2004年，Ccmbrano和Quevedo等人分析研究了长期困扰西班牙巴塞罗那地区排水管网系统的城市洪水和CSO(CombinedSewerOverflow，合流制管道污水溢出)问题，建立动态水力学模型，并用优化控制算法进行实时控制，取得了不错的效果【14】。近年来，由圣维南方程组推倒出传递函数水利学模型的研究在国外已取得丰富的研究成果。其中最主要的研究者包括印度的P．Sre画a&KapilGupta[15,161和法国的XavierLitrieo&VincentFromionll7,1810他们的研究主要集中在河道领域，较少涉及城市排水系统。虽然我国的排水管网模型研究起步较晚，但在消化吸收国外研究成果的基础之上，近年来也有一些结合我国国情的试验性研究成果出现。1993年，岑国平和詹道江等人建立了我国第一个完整的雨水管道径流计算和设计模型一一城市雨水管道计算模型(SSCM)。该模型在回水影响不严重、精度要求不高的情况下，管渠中的流量演算采用简单的流量过程线滞后叠加法；当精度要求较高时，采用明渠非恒定流计算方法(扩散波法)¨刿。1997年，刘俊建立的用于城市化地区水文水力计算和模拟的城市4 杭州电子科技大学硕士学位论文排水管网模型在天津试验区使用效果良好[201。1998年，周玉文建立的城市排水管网非恒定流模拟模型(CSPSM)将非恒定流模拟技术应用于我国城市排水系统的规划设计和运行管理中，为后续的排水系统动态模拟奠定了基础，2001年，周玉文又初步研制了城市排水系统非恒定流模拟模型软件【211。2001年赵雅娟【捌等将SWMM模型用于深圳罗湖小区排水系统动态模拟模型。2002年，中国水利水电科学研究院防灾所等开发的天津市暴雨沥涝仿真系统以二维非恒定水力学模型为基础，采用无结构不规则网格。模型可与气象部门的雨量监测和预报信息相结合，直接利用降雨信息进行城区沥涝仿真模拟，并实现了城市暴雨内涝的地面积水与管道水体相结合的模拟【231。2004年，王喜冬【24】分别应用HydroWorks建立香港岛南区市政雨水管网系统模型，并应用MIKEl1建立郊区排洪沟系统模型，此外，还应用了InfoWorks3．0对香港岛污水管网系统总体规划进行了研究。2004年，高林峰【25]应用InfoWorks水力模型软件建立了上海市污水治理二期工程中大型污水输送系统的水力模拟模型。2006年，董欣【26】等应用SWMM对深圳河湾地区排水系统规划进行研究，以典型降雨年的排污状况作为参考，应用SWMM分析、评价了深圳“布局规划方案’’在近期的环境影响。2006年，丛翔宇F堀8】等以SWMM为基础，选取北京市典型小区，计算不同暴雨频率下小区排水效果以及积水、道路坡面流等情况，并进行不同情境下的暴雨洪水模拟及评价其影响。1．2．2泵站优化节能技术研究现状目前国内泵站装机是按最不利条件下的最大时流量和所需扬程配置的，但在实际运行中，排水泵的流量和扬程在绝大部分时间里远低于所设计的流量和扬程。因此，泵站的运行工况点大部分时间都偏离高效工作区，流量变化越大，偏离程度也就越大。即使在变频驱动泵站也仅仅采用恒压变流量的控制方式——实时切换并联水泵、调节水泵转速，使水压恒定。这种控制方式存在两点不足：无视水泵低效率运行问题；恒压控制方式在流量需求减少的时候会加剧管网压力损失。上个世纪70年代以来，国内外研究者积极开展了优化泵站系统运行的研究。目前国内外的研究重点主要集中在管网优化及恒速水泵并联运行优化上，求解方法主要为枚举法和非线性规划方法，并且已经在这一研究领域取得了一些成果f29,30,3¨。变速泵站的效率优化控制是一个相对较新的课题，也是一个比较困难和复杂的问题，现有的文献尚未给出解决这一问题的简便、有效的方法。Cohne曾指出，由于泵站的优化控制中的连续变量(变速比)与离散变量(开泵组合)的综合作用，使得泵站效率优化控制建模及优化求解都相当棘手【3引。浙江大学的汪雄海教授多年来一直致力于污水泵站系统节能技术的研刭驺】，建立泵站的以节能为目标污水溢出最小为约束的动态模型，采用进水池目标水位下跟踪流量变化的优化控制策略，取得很多学术成果。泵站优化控制建模常见的方法有轴功率法和流量方差法【34筇州。对于轴功率法，通常取5 杭州电子科技大学硕士学位论文目标函数为水泵的轴功率，同时以给水指标和水泵高效工作区作为约束条件，使能耗最低。但是在实际中，轴功率的测量比较麻烦，其测量精度受到仪器的限制，目前人们沿用的最小流量方差建模方法是Cohne于1982年提出的，该方法取满足扬程指标时的实际流量与参考流量之差的平方作为目标函数，并通过约束水泵运行在高效区建模，虽然约束条件少，求解简便，但与实际并联工况差别较大【3”。为此，另外张承慧，李洪斌提出了几种物理意义明确且符合实际工况的改进优化模型，大量的对比实验证明了这些改进模型的实用性和有效性【3邸9】。目前国内外学者主要集中在对泵站各种优化调度算法的改进和发展上，即提高理论上的完善性，而很少顾及工程中的实现问题，这在很大程度上导致了这些控制和调度方法难以得到推广应用。1．3研究的目的和意义城市排水工程是城市基础设施建设的重要组成部分，与人民的生活息息相关。一个城市排水工程设施完善与否，关系到这个城市的经济发展和人民生活质量，完好的排水设施，为城市高效率、高质量运转创造条件。因此，加强城市排水工程规划、建设和管理，合理经济地排除和处理城市污、废水意义重大而深远。良好的基础设施和完善的城市功能所形成的良好的投资环境，是加快经济发展，加速现代化进程的保障。因此，必须实现城市排水管网系统现代化管理和控制，而建立准确和功能强大的城市排水管网水力学模型，应用先进的优化控制技术解决目前国内排水泵站系统中普遍存在的高能耗问题和一些节点容易污水溢出造成区域环境污染问题是之中的重点和难点。城市排水系统中的每座污水处理厂、泵站的管网处理、排放污水能力是有限的，但输入的污水和雨水却具有不确定性、非线性等特点，污水的流量、水位等受到人为排放、降雨及管道的纳容、回流等诸多不确定因素的影响。同时区域泵站管网间还有链级制约影响，这些问题如用常规方法，即使在枯水期也会造成局部污水溢出而造成污染或污水未经处理直接排放，而形成转移性污染。城市环保和节能降耗一直以来都倍受世界各国关注，特别是城市排水管网系统这样一些具有非线性、不确定性、滞后性等特征的复杂系统，由于控制不当造成的城市环境问题迫切需要人类去解决和系统本身存在的巨大节能潜力亟待人类去开发。建立的水力学模型能解决传统的以恒定流水力学理论为基础，经验公式、理论计算和图表分析为手段的水力计算方法无法解决的城市排水管网系统存在的问题。模型对设计的排水管网系统进行校核，不仅提高管网设计的可靠性，也对雨水调节设施和排水泵站的设计具有指导意义。模型在城市排水管网系统运行管理中的作用将更为突出，不仅可以重现系统过去的运行情况，还可以预测系统未来的运行情况，实现排水管网系统的动态模拟，为城市排水管网系统的管理和改造提供科学依据。城市排水管网系统模型的研究和应用是我国城市排水行业实现自动化和信息化的关键内容之一，也是当前我国城市排水事业所面临的新挑战。6 杭州电子科技大学硕士学位论文1．4论文的主要工作与内容安排城市排水系统中的每座污水处理厂、泵站的管网处理、排放污水能力是有限的，但输入的污水和雨水却具有不确定性、非线性等特点，污水的流量、水位等受到人为排放、降雨及管道的纳容、回流等诸多不确定因素的影响。同时区域泵站管网间还有链级制约影响，这些问题如用常规方法，即使在枯水期也会造成局部污水溢出而造成污染或污水未经处理直接排放，而形成转移性污染。此外，泵站是城市排水系统中的耗能大户，一直处于简易的人工值守和不合理的工作方式下的泵站系统蕴藏着巨大的节能潜力。综上所述，本文重点对流入污水厂的城市排水管网水流进行建模、控制和节能分析。主要完成以下工作：(1)首先对MIKEURBAN软件的城市排水管网静态水利学建模原理进行分析，掌握软件的建模的方法，以软件的仿真结果作为参考，与基于圣维南方程组的传递函数模型的计算值进行比较。(2)建立排水管网系统基于圣维南方程组的传递函数模型，然后针对一段污水管道模型，对流量，水位高度等数据进行分析，把传递函数模型应用于该管道，得到随时间变化的水位高度值。(3)通过对图论知识的掌握，在此基础上对排水管网系统进行分析，证明树状模型适用于排水系统。建立最简单的四个节点，三段污水管道的排水管网的树状模型，运用传递函数模型进行分析。依此作为建立复杂排水管网系统模型的基础。(4)掌握污水泵站的一般节能理论。然后通过泵站的运行工况情况和泵站变速节能技术进行分析，并在此基础上确定水泵的最佳转速，提高了泵站的运行效率，实现了节能的目的。完成上述四项主要工作，论文共分六章，组织安排如下：第一章，绪论。概述城市排水管网系统，提出目前国内城市排水管网系统中存在的一些主要问题；通过查阅文献总结了国内外学者在城市排水管网水力学建模和泵站优化控制技术方砸研究所作的贡献，并指出了研究的重点和难点；阐述了本文研究工作的目的和意义；最后提出论文的主要目的为建立城市排水管道的传递函数模型，将其运用到～段管道和三段管道的模型，并对泵站系统进行优化控制。第二章，基础知识。介绍城市排水管网水力学建模和泵站优化控制方面的基础知识，包括城市地表径流计算以及城市排水管网基本水力计算方法；重点介绍圣维南方程组及其求解方法。第三章，城市排水管网静态水力学模型研究与建立。重点是基于圣维南方程组，对方程组进行线性化，推导出应用于排水管道的一般的传递函数模型；然后，对两节点的一段排水管道进进行分析，利用软件仿真条件基于上面的模型进行计算管道随时间变化的水位。第四章，基于图的排水管网系统模型的研究。首先介绍图论的基本知识，然后分析排水7 杭州电子科技大学硕士学位论文管网系统的网络特性，证明树状结构网络特性能够较好的吻合城市排水管网系统系统。介绍了排水管网模型的属性，建立三段管道，四个节点的最简单树状结构排水管网模型，然后利用传递函数模型对该管网模型进行计算，分析阀门对管网水位的影响。第五章，通过水泵固定的特性曲线，分别对三种情况下的工况分析，说明水泵整个运行过程中是怎样改变流量和扬程的，尽可能使泵站机组运行在高效区。通过调速节能原理的分析和调速的三种方法的基础上，确定水泵的最佳转速，进而提高泵站的运行效率，起到节能的效果。第六章，总结与展望。论文最后对主要研究工作进行了总结，提出了尚未解决的问题，并就未来相关方面研究方向进行展望。 杭州电子科技大学硕士学位论文2．1引言第二章基础知识本章研究的城市排水管网水力学模型(包括静态水力学模型和动态水力学模型)和泵站的优化控制技术需要的数学模型、水力学、水文学等方面知识的支撑。本章将重点介绍地表汇流计算、管网汇流计算、圣维南方程组及其求解方法和泵站理论等方面的基础理论知识，为后续章节作好理论准备。2．2地表汇流计算m，41阀地表汇流计算是城市排水管网静态水力学模型建立过程中水文过程模拟的核心部分，分水力学建模方法和水文学建模方法。水力学建模方法建立在连续性方程和动量方程的基础上，直接求解圣维南方程组，来模拟坡面的汇流过程，主要有非线性运动波法：水文学建模方法采用系统分析的方法，把集水区当作一个黑箱或灰箱系统，建立输入与输出的关系，来模拟坡面的汇流过程，主要包括等流时线法、非线性水库法和瞬时单位线法。(1)非线性运动波法大多数地表漫流都假设水力坡降S，和底坡so平行，即Sr=So=S。该式来自运动波方程，故由此得到地表漫流的方法称为运动波法。地表漫流的运动波法能模拟集水区水深逐渐增加的过程，并考虑了暴雨强度对集水区汇水时间的影响，这些是其他如等流时线法不能达到的。由地表漫流单宽流量表示的运动波方程：fq=Zy”{咖却．(2．1)瞌+。Ox刮c式(2．1)中，‘一净雨强度；Y一水深；Z、刀一系数；g一流量；x一长度。(2)等流时线法等流时线法把集水区划分为有限个等流时面积，每块面积AF上△f时段内的降雨可以同时到达出水口断面，它是径流成因公式的一种简化形式。根据城市雨水口流域的特点，假设雨水口流域为线性汇流系统，&时段内的净雨强度均匀，每个雨水口能接纳该雨水口流域产生的全部径流量，而且雨水管网的入流过程线即为雨水口流域的出流过程线。等流时线数值计算模型为：9 杭州电子科技大学硕士学位论文Q(ti)：譬羔叠∥At(2．2)式(2．2)中，Q(ti)一ff时刻的流量；It,一_，一‘一，时刻的净雨强度(当f一_，≤0时，取ff-，=O)；F一雨水口流域汇水面积；0【一单位换算系数(当Q，，，F和t分别以L／s，mm／min，m2和rain计时，0【=1／60)。(3)非线性水库法将地表汇流过程视为非线性水库的调蓄过程，计算出口流量：I‘(f)一Q(f)=矾／魂{一2(2．3)ISw(t)=KQ(t)3式(2．3)中，乞一入流量(净雨强度，ram／s)；Q(f)一出流量(m3／s)：瓯一滞留水量(m3／s)；K一库容系数。该方程组是非线性方程，无解析解，可采用有限差分法求其数值解。(4)瞬时单位线法特定流域上单位时间段内均匀分布的单位净雨量所形成流域出口的地面径流过程线称作单位线，当净雨历时趋向无限小时所求得的单位线称瞬时单位线。通常用u(O，t)表示：印力=志(∥e{亿4，式(2．4)中，r(Ⅳ)一伽马函数；N一统计参数，相当于线性水库数或者调节次数，一般取l；k一统计参数，相当于流域汇流时间参数，一般可取10min。2．3城市排水管道基本水力计算1231城市排水管网基本水力学计算是管网汇流模拟的基础。(1)管道几何参数方程城市排水管网的水流一般为非恒定流，达到设计流量前为无压流，非满流时的过水断面几何参数公式如下：Q=Av爿=iD2(巾一sine)曰蛾in(争亿5’足=争半，式(2．5)中，Q一流量(m3／S)；9一流速(n以)；D一管径(m)；B一水面宽(m)；耷lO 子科技大学硕士学位论文～管道内水面中心角(rad)；A一管道断面面积(m2)：R一管道底坡；当满流时，B=0，巾=0。(2)阻力坡度非恒定流的阻力坡度一般采用恒定均匀流阻力坡度公式进行计算，在计算非恒定流时，国际上通用的曼宁公式如下：S，=订2v2R3=力2Q2A。2R3(2．6)式(2．6)中，栉一曼宁粗糙系数。(3)管网水力初始条件和边界条件一般城市排水系统的污水管道和合流制管道长期接收着城市的生活污水和生产废水，以旱季流量为初始条件。雨水管道只有在雨季，管道内才有水，所以无论是设计还是模拟，在f=0时，各管段的入口和出口的流量都是零。一段排水管道有两个边界条件，在管段上游称为入流条件，即上游边界条件；在管段下游称为出流条件，即下游边界条件。两个人孔之间管段的水流，在急流条件下，水流受上游入孔边界条件限制而与下游人孔边界条件无关；在缓流条件下，水流同时受上、下游边界条件的影响。一般情况下，排水管网中的水流均为缓流，所以必须考虑下流回水影响。上游边界条件即为入流过程线：Qx=o2Q(f)‘(2．n入流过程线主要为雨水口的流量过程线，也可以是大用户流入过程线，下游管段的入流条件应考虑上一管段的出流过程线与该段雨水口的流量过程线或大用户流入过程显的叠加。(4)连接条件排水管网由设计管段(无侧向入流的管道)组成，两个人孔之间坡度、管径一致，人孔即为管网的连接点，从水力学角度来看，人孔的水力条件通常用连续方程表示，人孔在城市排水管网系统的作用包括提供管网中～个蓄水空间，消耗连接管道的水流动能和对连接的上游管段施加回水影晌等三个方面。人孔可以分为节点型人孔和水库型人孔两类：1)节点型入孔当人孔的蓄水能力可以忽略不计，且流入、流出管段的均为重力流时，该人孔可视作节点型人孔，其连续性方程和能量方程可以表示为：。r一{∑i=1Q+9～(2．8)1、‘·o，【岛+毛=h0+z0式(2．8)中，Q，一第／个人孔直接流入、流出的流量；Q一来自该人孔第f个连续管段的流量，流入为正，流出则负；鸟一第i个连续管段水深，zi一管段内底高程；鬼一孔水深，气一人孔底部高程；刀一连接管段个数。 杭州电子科技大学硕士学位论文2)水库型人孔当人孔和流量相比较，有相当的蓄水能力或管道处于压力流状态时，可视作水库型人孔。其蓄水能力和蓄水影响不能被忽略，应考虑能量损失，如入口、出121损失等，其连续性方程为：喜Q+g=鲁(2．9)式中，s一人孔蓄水量。(5)排水管道压力流当排水管道中的水流量超过设计流量时，管网内可能形成压力流。压力流的水头为上下游水头之差，水力坡度是水头和管长的比，与管道坡度无关。在压力流条件下，过水断面恒等于管道断面面积，有连续性方程和能量方程可以表示为：lQ=4V∞g0t卫0x睁g墨r卜QJ∞l一——+一lL一+』l=J，IJ在未发生溢流时，沿x方向积分有：刁一墨丢=乞+磋+￡卜；l瓦Ov)仁Ⅲ式中，4一管道断面面积；zl，z2一上下游人孔的水位标高：墨，K一入、出121的损失系数。2．4圣维南方程组阳触45l2．4．1圣维南方程组简介圣维南方程组(Saint-venantequations)是描述城市排水管网非恒定流运动的基本方程，由法国科学家Saint．Venant于1871年提出，是基于三个基本假设的一维模型：流速沿坐标轴方向并在横断面内均匀分布；水压力沿水深服从静压分布；无垂直速度与加速度。圣维南方程组由连续性方程和能量方程组成：0,4OQ——+‘=口暑a窘二an(2．12)Oh去詈+罢昙曙，+磊一c蜀一_，=。卜。式(2．12)中，Q一流量；x一水流方向的距离；A一垂直于x方向的过水断面砸积；q一旁测流入流量；f一时间；g·重力加速度；h一断面水深；so一地面坡度；墨一摩阻坡12 杭州电子科技大学硕士学位论文度。2．4．2圣维南方程组求解求解圣维南方程组，得到其全解为动力波法。它包括了非恒定明渠流动力影响的所有项，考虑了上边界条件的水流状况，所以能够较好地模拟排水管网回水对上游水流的影响，管中逆向流、压力流、渗入渗出损失和洪峰在管道传播中的衰减。该方法动态模拟的精度高且适用范围广。若有明确的初始条件和边界条件按照子流域的概化(一般概化成矩形)和一定算法，可得到数值解。但是，实际中的初始和边界条件很复杂，有时甚至不确定，且难以测定各项参数。因此根据不同的实际需要，对能量方程进行简化，有三种圣维南方程组的简化形式：准恒定动力波法(Quasi．steadydynamicwave)、扩散波法(Diffusionwave)和运动波法(Kinematicwave)。0,4aD魂叙1去署+芸丢c争+瓦Oh一(．So-S!：)=o，t2m，式中，a一动力波法；b一准恒定动力波法；c一扩散波法；d一运动波法。如式(2．13)，扩散波法不考虑本地加速度项和对流加速度项，要求水流在时间、空间上逐渐变化，可以准确模拟管内水流状况，包括回水、逆向流等情况，在形势上比准恒定波简单，但是对于城市排水管网，扩散波法模拟更准确。运动波法只考虑摩阻坡度项，忽略所有水流动力影响，不能模拟回水，该计算方法只适合于坡度大、下游回水小的管道。对城市排水管道水流进行动态模拟实质上就是对圣维南方程组进行求解的过程。圣维南方程组属于一阶拟线性双曲型偏微分方程组。给定其初始条件和边界条件，求解方程组就可计算出管道内非恒定水流的流速和水深(或其它因变量)随流程和时间的变化。一般很难求得圣维南方程组的解析解，只能通过数值计算获得近似解，主要数值计算方法有以下三种：‘(1)有限差分法’。将计算水体按照一定的网格划分，每个网格点处的圣维南方程组用某种形式的差分方程组来逼近，边界条件也写成差分形式，然后逐时段地求解差分方程组，得出各网格点(如断面)处的水深及流速(或其它因变量)。(2)特征线法把圣维南方程组变换为在所谓“特征"上成立的常微分方程组，通常称为特征方程组。 杭州电子科技大学硕士学位论文对于一维空间，“特征"的几何表示称为特征线，对于二维空间则为特征面。非恒定水流中的波动和干扰是沿“特征”传播的。用有限差分法联立求解表达“特征’’几何位置的方程和特征方程组，即可求得所需的数值解。(3)有限元法把水体划分成几何形状简单的单元(如一维的直线段、二维的矩形、直边或曲边三角形等)，在每一单元内，求解采用内插函数逼近。将圣维南方程组应用于每个单元，变换为积分形式，并根据某种准则(如逼近的残差最小)来确定内插函数中的待定系数便可得解。常用的有伽辽金半离散有限单元法。另外，用水文学的方法把运动方程简化为计算时段内河段蓄水量与出流量之间的关系式，如马斯京根(Muskingum)法。2．5泵站理论基础【躺朋水泵是一种转换能量的水力机械。它把原动能(如电能)的机械能转换为液体的动能和势能，达到输送和提高液体的目的。水泵站中的核心设备是水泵，所以泵站的作用即是：给水增加能量，达到输送水的目的。并且为了保证水泵平稳工作，水泵站往往都设有一定容积的蓄水池，所以泵站还有调节水量的工作。2．5．1水泵的选择选泵的主要依据为所需的流量、扬程以及在运行中流量和扬程的变化规律。(1)水泵的设计流量城市的用水量是不均匀的，因而排入管网的污水流量也是不均匀的。因此，排水泵站的设计流量一般是按最高日最大时污水流量决定。(2)泵站扬程的确定泵站的扬程H可按下式计算。H=H。。+H3d+∑h。+∑hd+Hc(2．14)式中，H。——吸水地形高度，是集水池最低水位与水泵轴线的高程差；H蚰——压水地形高度，是水泵轴线与输水最高点的高程差；∑h。，∑h。——污水通过吸水管路和压水管路总的压力损失；Hr——安全压力。由于污水泵站扬程较低，局部损失占总损失比重较大，一般不可忽略不计。考虑到污水泵在使用过程中因效率下降或管道中因阻力增加而增加的能量损失，在确定水泵扬程时，可增加l～2m的安全扬程。(3)水泵型号与台数的选择．14 杭州电子科技大学硕士学位论文根据污水性质来确定相应污水泵或杂质泵等水泵的性质。当排除酸性或腐蚀性废水时，应选择耐腐蚀泵；当排除污泥时，应选用污水泵。由于污水泵站扬程一般较低，可选用离心泵、轴流泵、潜力污水泵等。对于小型泵站，水泵台数可按2～3台(2用l备)配置；对于大中型泵站，可按3"--4台配置。应尽可能选择同型号的水泵，方便施工和维护。也可用大、小泵搭配的方式，以适应流量的变化。在选择水泵时，尽可能选择性能好、效率高的，使泵站工作长期处于高效区。2．5．2水泵工作类型在一定的转速下各类排水泵有其固有的特性曲线，它反映了排水泵本身的潜在工作能力。但排水泵运行的具体位置除了水泵本身的能力外，还取决于管路系统。如一个很大的水泵，但安装在一个管路很细的管路系统中，那么就根本不能发挥出它的工作能力。水泵扬程曲线和管路系统特性曲线的交点为水泵的工况点，是能量供给与消耗平衡的结果，符合能量守恒定律。如图2．1所示，当水泵运行在0点，水泵提供的扬程H。刚好供给管路系统需要和水所获得的净扬程，此时水泵功耗损失达到最小。扬程HOQo流量Q图2．1水泵工况点不恿图水泵工作类型主要可分成三类：变流变压系统、恒压变流系统和恒流变压系统，他们的节电原理就是最大限度减少机泵管路闸阀的耗能。分析如下。(1)变流变压系统交流变压系统的阀门控制与调速变流控制的关系，如图2—2所示。当减少阀门开启度来实现节流时，管路阻力曲线如图由Ll变为L，，水泵工作点由a点移到b点。若采用调速方法，降低速度，工作曲线由L，移到L。，管路阻力曲线不变仍旧为L。，工作点移到c点。如图2—2 杭州电子科技大学硕士学位论文所示，图中阴影部分即为调速变流比阀门控制节省的功率。扬程H0流量Q图2．2变流变压系统阀门控制与调速变流控制关系图(2)恒压变流系统恒压变流系统的阀门控制与调速变流控制关系，如图2-3所示。当减小流量时，主阀开启度减小，旁通阀开启度加大，即可抵消系统中扬程的增加，并维持压力不变，管路阻力曲线如图由LI变为L：，工作点在a点，此时机泵的输出是规定流量与旁通流量的总和。若采用调速方法，降低速度，工作曲线由L，移到L。，点，机泵在规定流量点运行。如图2-2所示，节省的功率。而管路阻力曲线不变仍旧为L，，工作点移到b图中阴影部分即为调速变流比改变旁通阀控制图2．3恒压变流系统阀门控制与调速变流控制关系图16Q 杭州电子科技大学硕士学位论文(3)恒流变压系统恒流变压系统的阀门控制与调速变流控制关系，如图2．4所示。在恒流变压系统中，以给定流量Q。为参变量，即流量不变，Ll、L：重合；再调节泵的速度，使其沿恒流控制线上下移动，如图所示，由L3移到L。，运行点由a移到b点。如图2—4所示，其中阴影部分即为调速变流比阀门控制节省的功率。扬程H2．1本章小结0图2．4恒流变压系统阀门控制与调速变流控制关系图Q本章对论文研究工作所需理论知识作了准备，主要涉及水文、水力学以及圣维南方程组，以及泵站理论基础等相关方面的基础理论。所引用的研究成果绝大部分建立在前人的研究基础之上，对引用部分，本章都作了仔细的标注。17 杭州电子科技大学硕士学位论文3．1引言第三章应用于排水管道的传递函数模型及软件选择圣维南方程组(Saint—venantequations)是描述城市排水管网非恒定流运动的基本方程。其主要采用数值求解的方法。本章主要研究城市排水系统管网水流的建模问题，以水力学圣维南方程组为基础，推导出传递函数模型。3．2建立应用于排水管道的传递函数模型【1s，44]釜维南方程组(Saint—venantequations)是描述城市排水管网非恒定流运动的基本方程，由法国科学家Saint．Yenant于1871年提出，这两个方程基于经典的质量守恒定律和动量守恒定律。可得如下的两个方程。简化后的质量守恒方程如下：址at』T陪f)(3．1)—o=一一I—二+fI，气l、I缸J、7简化后的动量守恒方程如下：纠掣+鲥(知+s)1n2，al瓠。I缸”川r一7s：万V2n2(3．3)其中Y表示在管道中的污水的高度(搠)，g表示污水流量(掰3知)，x表示水流方向的距离(掰)；A表示垂直于x方向的管道的横截面积(所2)。瓯表示地面坡度；S表示摩阻坡度，由式(3．3)获得，y表示流体的统一速度(叫s)，以表示曼林粗糙系数．下面详细讨论圣维南方程组，非线性双曲型偏微分方程的解。为了简化求解和快速的得到结果，通过线性化圣维南方程组【48’491进而得到传递函数模型，在排水管道的入口处(x=O)的水流流速％和水位高度％作为初始条件。等式(3．1)和(3．2)线性化后表示如下：to(x)詈+塞=o(3．4) 杭州电子科技大学硕士学位论文其中：鲁+2Zo(工)塞一屁(工)g+(Co(x)2一％(x)2)毛(x)罢一to(x)y=。(3．5)眦卜器和‰(x)=％2(工，iaTo+gro(kSo+s)其中：七了7碡4A3，，下n线(3．6)(3．7)(3．8)拉普拉斯变换如下：sto(x)只(x)+掣=。(3．9)其中s是拉普拉斯变量，只(x)和吼(x)分别是y(x)和q(x)的拉普拉斯变换变量。望垒三圣堕：一sto(x)儿(x)(3．10)式(3．5)被重写为：1,gq。2to(x)却(c『o(x)2一圪(工)2)磊(x)魂’(c：(x)2一zo(工)2)五(工)缸(3．11)一i云_i翻g+塞一i苫_i赫y。。·。。式(3．10)进行拉普拉斯变换如下：一1沁哕一掣一限埘丽‰“小掣一丽‰删_o一 杭州电子科技大学硕士学位论文(3．13)进一步转化为：掣一耐案赫∞，+秽端粥儿@∽式(3．10)和(3．14)表示为矩阵如下：df，qs(x)1瓦L咒(x)j20-Sro(X)(一s+属(x))(co(x)2一Vo(x)2)不(工)该矩阵重写为如下形式：其中：2vo(x)s蠢(x)+‰(x)(co(x)2一％(工)2)瓦(工)掣：4(x)y(工)罐X‘’’。吣，=嘲卜4(习=0哪磊(习(q+属(力)(G(习2一％(习2)磊(习2vo(习s石(习+％(习(G(习2一％(砷2)磊(习嘲)B均(3．16)在均匀流条件下的解是通过转移矩阵获得，它是一个非奇异矩阵≯(f)，满足如下的矩阵微分方程闭1。。掣：As(石)≯(，)傲’‘。(3．17)其中≯(x)是转移矩阵。式(3．17)所示的微分方程的解可以通过Picard迭代计算‘511，PicardY_代是一个结构性的步骤，确定式(3．17)的微分方程的解存在。其中，I是单位矩阵。掣=4(工)痧(x)和痧(刎)=，(3．18)嚣Ⅲ堡妒∥一(虬一，II一，．r～乍丽一砖0一％嚣卜一卜力_一卜“忑砖掣 (S乙’￡)(p乙。e)(zz。￡)(zz’￡)(IZ。￡)鲨掣=(譬)Vm1104--，：(s)V：审嚣唔半邓胁罚=节哔邓)II口F踊廿：i蟑节瞠1杪要辩专=(F)。砀瞠专=(F)‘切。【列掣狲咄骡密驹举章吊葛托狮相‘种鳟伯台；}协疑繇狲椠赣酣裂骚捌爵爨#‰等斗严‘艄邛严蠕孝邓户移·蠕者却P移：审嚣蚓撒；戳黯瞄翔I(譬‘o)6j【(譬)。‘护(F)¨护JI(s‘o)正J(V—1)蜥a7一。矿V(7一V)s2(≈一丫)(r矿一竹a)YV(Y—V)(1a—x，a)譬2竹aV一卿aV=卜，(。孑a。二a)，=幻a=cz，≯举锈摹2t_甲p)≯捌彰键钵‘臼朝爵粤鞑妙一壬挺‘嬖粕巢礤航国陵㈢铂m。聃臼审洋‘翔彭粤牲妙一罾臼‘捌鸢朝科爵菩咧亚辨甲謦，‘哥珥璐吾7哇v申髯‘现粤牲p)钞捌爵礴益鐾罩‘坍髟裂藓‘(61‘￡)擎姆攀上椠(6I‘￡)荆节q∥2(x)妒：一嘶￥钲戳掷(三I。￡)￥茸砚珥蒜千班蒜￥瓣性壬印肝兽 (哥￡‘￡)(￡￡’￡)(乙￡。e)(I￡。￡)(o￡‘￡)(6Z‘￡)节r(啦1)专f，，S"X)、b、1L(譬‘o)西／(啦I)专。矿，=嘲：生蹲藤辫璩豳取封碉桑舄平擗士茸县专(啦t)专(蜘t)专专黼渤警：节哇哇当廿嘲朝桑删悻当擎7-掣=2哇掣咄中并(F。一I)专=(F)％(F2一I)专=(譬)。切：擎红i蹲椠耀摹舄‘蛐獾朝班羽掣渤荡‘拦智螓酶媳辈茸瞠窜驻盟丁矿专=(s)％护专=(譬)％‘蛐缮鲷刨期壬甲哲暂(8Z+￡)(LZ。￡)(9Z‘￡)‘￥醉瑁掣露平驹靖臼串聚舄哇口Y瓤舄与(譬)。砀哇(s)‘切中嚣况y一=量≮三兰三；；兰兰：(s)tz口Fm04--；1t。：-y一矿一：量垫兰；三坦：(F)z钒m0．6-}’I：z矿：翼毕朝讨胖骚蕻o：(譬)7踊：∽≈茸璎珥嘉千班杀￥辑性士印*辫 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