T/ACEF 221-2025 城镇污水管网系统数学模型构建技术指南

　　ICS 13.060.50 CCS N772

　　团 体 标

　　准

　　T/ACEF 221-2025

　　城镇污水管网系统数学模型构建技术指南

　　Technical guideline for the construction of mathematical model of urban sewage

　　network system

　　2025-09-29 发布 2025-11-01 实施

　　中 华 环 保 联 合 会 发 布

　　T/ACEF 221-2025

　　T/ACEF 221-2025

　　前 言

　　本文件按照 GB/T1.1—2020《标准化工作导则 第 1 部分：标准化文件的结构和起草规则》的规定起草。

　　请注意本文件的某些内容可能涉及专利。本文件的发布机构不承担识别专利的责任。本文件由中华环保联合会提出并归口。

　　本文件主编单位：中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司 、北京北排智慧水务有限公司、中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司。

　　本文件参编单位：中电建生态环境设计研究有限公司、齐盛鑫环境技术(山东)有限公司、重庆市水利电力建筑勘测设计研究院有限公司、林同棪国际工程咨询(中国)有限公司、绥阳县水务局、云南城建设计院股份有限公司、织金县水务局、贵州智华建设工程(集团)有限责任公司、中华环保联合会水环境治理专业委员会。

　　本文件主要起草人：张庆、潘冉、李明、黄鹏程、魏浪、朱嘉运、李国强、冉思红、朱金涛、陶光卿、姚普静、王军、王伟、杜易珊、龙爱玲、张奎、孙健、云萌雨、高翔、张志敏、李书钺、庞富强、王旗齐、冀家伟、余灿、李毅、李延孟、王永鑫、刘晓、刘杰、陈钰、罗春辉、刘愿军、李伟。

　　T/ACEF 221-2025

　　城镇污水管网系统数学模型构建技术指南

　　1 范围

　　本文件为城镇污水管网系统数学模型构建提供了指南，包括数据收集与处理、模型构建、模型率定与验证、模型维护与更新。

　　本文件适用于城镇污水管网系的数学模型构建。

　　2 规范性引用文件

　　下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文件，仅该日期对应的版本适用于本文件;不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件。

　　GB 50014

　　GB 50318

　　GB 55027

　　室外排水设计标准

　　城市排水工程规划规范

　　城乡排水工程项目规范

　　CJJ 68 城镇排水管渠与泵站运行、维护及安全技术规程

　　CJ/T 252 城镇排水水质水量在线监测系统技术要求

　　3 术语和定义

　　下列术语和定义适用于本文件。

　　3.1

　　污水管网系统数学模型 mathematical model of sewer network systems

　　用于城镇污水管网系统规划、设计、运维及评估的数学模型，包括水动力模型和水质模型等。

　　3.2

　　水动力模型 hydrodynamic model

　　模拟水流在管渠中随时间运动及演进过程的数学模型。

　　3.3

　　水质模型 water quality model

　　在水动力模型基础上，对污水管网中的化学需氧量(COD)、悬浮物(SS)、氨氮(NH3-N)等污染物的对流扩散过程进行模拟计算的数学模型。

　　T/ACEF 221-2025

　　3.4

　　校核点 calibration point

　　用于模型率定和模型验证的管网运行数据监测点位。

　　3.5

　　模型率定 model calibration

　　通过对比模拟结果和校核点的监测结果，调整计算步长、糙率、产流系数等模型计算参数，使得模拟结果尽可能地接近实际监测数据。

　　3.6

　　模型验证 model verification

　　选取独立于模型率定选用的监测数据，对比此监测结果和率定后模型计算结果的接近程度， 以判断模型计算精准度。

　　3.7

　　模型测试 model testing

　　对污水系统构成要素空间分布和连接性进行核实，及对模型计算的稳定性进行评判的过程。

　　4 基本总则

　　4. 1 根据规划、设计不同阶段和模型应用目的，城镇污水管网系统模型可分为两类：概化模型和详细模型。模型的选用宜符合下列规定：

　　a)辅助编制城市规划方案宜选用概化模型;

　　b)辅助编制详细设计方案、识别旱季和雨季污水系统运行风险区域、合流制溢流污染控制策略、污染扩散与风险评估方案宜选用详细模型。

　　4.2 概化模型至少包含污水系统内(污水系统运营GIS 数据库)的主要调水设施、提升泵站、闸门、主要污水干线等。

　　4.3 详细模型宜保留污水系统内全部(污水系统运营GIS 数据库)的调水设施、提升泵站、闸门、污水管线、截流设施及截流上游管线等。

　　4.4 模型范围不小于污水排水系统服务区域。

　　4.5 模型建设前，需明确模型建设目标(构建概化模型或详细模型)、应用场景(场景分类见附录 A)和精度要求，根据应用需求选择合适的算力配置和软件配置。

　　4.6 污水系统数学模型构建基本流程宜包括建模类型选择(水动力模型或水质模型)、建模范围确定、基础数据收集与处理、模型构建、模型率定与模型结果展示(见图 1)。

　　T/ACEF 221-2025

　　图 1 流程图

　　5 数据收集与处理

　　5.1 一般规定

　　5. 1. 1 模型基础数据资料宜包括地理数据资料、污水排水设施资料和监测资料。

　　5. 1.2 数据采集方法及主要收集内容见表 1。

　　表1 数据采集方法及主要收集内容

　　5.2 地理数据

　　5.2. 1 地理数据包含影像资料、土壤数据、地形数据和其他资料等，内容见表 2。

　　表2 地理数据采集内容

　　T/ACEF 221-2025

　　5.3 设施数据

　　5.3. 1 收集污水排水设施设计竣工资料，宜优先利用污水排水设施管网物探资料，必要时开展现场探测，获取各类设施空间数据和属性数据。

　　5.3.2 收集污水排水设施类型，包括但不限于检查井、管道、闸门、堰、泵站和排水口等，建模所需污水排水设施数据内容与要求见表 3。

　　表3 设施数据采集内容

　　5.3.3 在模型构建前，对模型数据进行标准化处理并检查，包括检查设施属性和拓扑关系与实际是否一致。常见问题及具体处理方法见表 4。

　　表4 常见问题类型及具体处理方法

　　T/ACEF 221-2025

　　5.3.4 对于管道内部异物横穿、局部遮挡、槽式截流和水厂溢流口等非常规情形，模型内宜做等效处理，确保设置的等效物模拟过流情况与实际过流情况近似。

　　5.3.5 宜收集污水排水设施的生产运行方案、闸门和泵站的调度细则等运行管理数据，用于辅助制定模型中相关设施的调度规则。

　　5.4 监测数据

　　5.4. 1 利用监测数据开展模型率定和验证，宜收集降雨、流量、水(液)位、水质等时间序列监测数据。

　　5.4.2 雨量监测数据，宜满足：

　　T/ACEF 221-2025

　　a)实测降雨测量时间间隔不宜大于 5min。

　　b)考虑降雨空间分布，宜采用多个雨量计的实测雨量。

　　c)为保证液位、流量等具有较明显的变化幅度，场次降雨的总雨量宜大于 10mm ，最大 5min 的降雨强度宜超过 0. 1mm/min。

　　d)采用的降雨数据时间步长相同。

　　5.4.3 流量或液位监测，宜满足：

　　a)监测点位宜布设在流域干线、次干线和管网排口、截流设施、关键调水设施、跨境断面等重要位置;

　　b)雨水管道监测周期宜满足有效降雨不少于 3 场;

　　c)污水管道宜根据不同研究目标确定监测周期，该监测周期宜能反映区域日变化、周变化、季节变化或重大事件影响等特征;

　　d)监测频率旱季不低于 15min/次，雨季不低于 5min/次;

　　e)流量和水位监测数据成果使用前，宜进行数据质量评估和问题数据甄别。对于局部出现异常数据，进行一致化处理。

　　5.4.4 水质检测，宜满足：

　　a)水质检测分为人工取样和在线监测。

　　b)在线监测见 CJ/T252。

　　c)人工采样需根据区域日变化、周变化、季节变化或重大事件影响等特征，制定取样频次。

　　5.4.5 调查多源监测预报数据格式以及时间、空间尺度，宜保留预报降雨数据的原始时空精度，在计算前对多源数据进行接口转换和数据处理，满足实时模型计算时效和质量控制要求。

　　6 模型构建

　　6.1 总则

　　6. 1. 1 模型构建过程包括数据导入、水动力模型构建、水质模型构建、实时模型构建和模型测试。

　　6. 1.2 水动力模型主要用于模拟水流状态，主要用于污水排水系统规划设计、管网运行评估、管网优化调度等领域;水质模型主要用于模拟污染物的传输和扩散过程，主要用于水质预测、污水处理厂运行管理、水质污染事故应急响应、水环境质量评估等领域;实时模型

　　T/ACEF 221-2025

　　数据实时采集、动态更新，广泛应用于泵站闸门运行调度、污水应急响应等领域。

　　6. 1.3 模型种类的选择根据具体应用场景、基础资料情况及系统功能需求等因素合理确定。

　　6.2 数据导入

　　6.2. 1 数据导入包括设施数据、地理数据和监测数据。

　　6.2.2 数据导入时对不同数据来源进行标注，数据来源包括：测绘、台账、调研、文献和推断等。

　　6.3 水动力模型构建

　　6.3.1 产汇流模型

　　模型考虑污水排水系统各类水量的来源，根据地区实际情况按表 5 的规定选取，模型构建参数设置符合下列规定：

　　表 5 污水排水系统各类水量的来源

　　注:“√”表示包含的水量,“ ○”表示经评估影响较大时宜选择包含的水量。

　　a)生活污水量和工业废水量可根据基础数据条件，采用供水量折算、污水节点流量输入方式，或基于子汇水区的用地性质、人口、污水定额、排水户废水量与时间变化曲线相组合的方式进行设置;

　　b)转输边界外水量可采用边界外模型计算结果，或使用节点流量输入方式;

　　c)地下水渗入量可采用子汇水区、管道或节点入流方式，或专用入渗模块进行设置;

　　d)初雨截流量和雨污混接量可采用污水节点流量输入的方式，或构建区域内完整的雨水模型;

　　e)河(湖)水倒灌量可采用节点流量输入、河道水位边界等设置方式;

　　f)临时排水量可采用节点流量输入等方式。

　　6.3.2 管网模型构建及参数设置符合下列规定：

　　a)管渠内的水流运动模拟采用基于一维圣维南方程组的数值模拟计算。

　　b)管渠粗糙系数依据实测数据确定，缺乏资料时可按表 6 选取。

　　T/ACEF 221-2025

　　表 6 排水管渠粗糙系数

　　6.3.3 泵站模型构建根据现场调查、图纸和流程图等资料设置集水池、水泵、格栅等尺寸，并根据泵站运行规则设置变频泵、泵抽升能力和抽升规则等。做规划模型时，泵站构筑物尺寸和运行规则宜符合下列规定：

　　a)污水泵站集水池的容积不小于最大一台水泵 5min 的出水量，水泵机组为自动控制时，每小时开动水泵不宜超过 6 次;

　　b)合流污水泵站集水池的容积不小于最大一台水泵 30s 的出水量。

　　6.4 水质模型构建

　　6.4. 1 根据研究的目的，水质模型宜能模拟污水管网中特定污染物的迁移转化、预测水质变化趋势或评估污水处理设施的效果等。

　　6.4.2 搭建水质模型宜先搭建水动力模型，采用水动力学与水质耦合模型，水质过程显著地受复杂的水动力过程影响。

　　6.4.3 复杂管网系统宜采用分段建模策略，从污水处理厂逆向追溯至污染源，分阶段完成拓扑结构构建与验证。

　　6.4.4 分析污水来源及成分，利用化学需氧量(COD)、悬浮物(SS)、氨氮等主要污染物浓度数据进行污染物水质变化模拟，模拟污水在管网传输过程中的水质变化情况。

　　6.4.5 在污水管网发生泄漏或溢流等事故工况下，宜根据模型模拟污染物在土壤和地下水中的扩散路径和范围，进行污染物扩散模拟，并预测对周边环境的潜在影响，为采取有效的污染控制和修复措施提供科学依据。

　　6.4.6 水质参数设置包含点源水质参数设置和非点源水质参数设置。

　　6.4.7 点源水质参数包含污水排水户水质参数，污水排水户包括居民、商业、学校和医院等。

　　T/ACEF 221-2025

　　6.4.8 非点源水质参数包含地表径流水质参数，还可以根据项目情况适当增加农田、地下水等水质参数设置。

　　6.5 实时模型

　　6.5. 1 实时模型包含经率定的污水排水模型、与实时监测/预报数据的输入接口以及与展示平台相连接的数据输出接口。

　　6.5.2 模型实时数据读取频率、计算频率、计算时长、输出参数的设置宜兼顾性能与时效，实现模型的滚动计算。

　　6.5.3 宜在大型小区等规模排水户接入井、泵站上下游、调蓄设施上游、主干管、次干管、合流系统排河口等位置建设实时监测点位,监测水位、流量等关键参数，参与实时模型计算或验证预报结果。

　　6.5.4 实时模型预报点位宜包含区域建设的实时监测点位，并与点位实时监测数据进行对照。

　　6.6 模型测试

　　6.6. 1 在模型应用前，对模型中污水排水系统构成要素空间分布和连接情况进行核实，可采用异常值检查和拓扑关系抽查方法，并通过现场勘察、人工经验判断方式对发现的问题进行处理。

　　6.6.2 在模型应用前，对模型稳定性与模拟水量误差进行测试和修正，修正后模型宜符合下列规定：

　　a)模型计算能够正常收敛，计算过程基本稳定;

　　b)节点水量连续性相对误差不宜大于 10%;

　　c)系统总水量连续性相对误差不宜大于 5%;

　　d)当模型中存在泵站、水闸、堰等附属构筑物时，其运行调度方式宜符合实际情况或设计工况。

　　7 模型率定与验证

　　7.1 总则

　　7. 1. 1 模型率定和模型验证采用各自独立的多组实测数据，并符合下列规定：

　　a)对现状监测点及数据质量进行评估，数据完整可靠的监测点可作为模型校核点;对有疑问的监测数据进行现场核实，并在现状监测点基础上补充完善校核点布点方案。

　　b)根据污水系统运行场景特征，分别对旱天、雨天开展率定。

　　T/ACEF 221-2025

　　c)用于率定验证的雨天数据宜包含 3 场以上有效降雨,宜包含不同降雨强度与历时特性。

　　d)用于率定验证的旱天数据宜包含工作日、非工作日，考虑不同季节情况下的波动。

　　e)水质模型的率定和验证，在水力模型达到规范精度(见 6.6.2 b 和c)的基础上。利用在线监测点或人工采样点实测的水质数据，通过调整水质模型的模型计算参数，水质指标模拟值和水质监测值达到要求的精度。

　　7. 1.2 选取率定与验证点位，并符合：

　　a)泵站数据采集与监视控制(SCADA)系统、污水厂进出水等关键节点监测站点宜纳入率定验证点位。

　　b)有条件时,率定验证点位可按表 7 选取,验证点位置宜包含主干管和部分次干管。可在现有监测点位基础上补充临时监测点位,并开展流量、水位、流速率定。

　　表 7 模型率定验证点位选取

　　T/ACEF 221-2025

　　7. 1.3 水质降解系数率定，主要采用三种方法：

　　a)类比法。根据计算区域水力特性、污染状况及地理、气象条件，采用相似地区已有污染物综合降解系数值类比得到。

　　b)室内实验室率定法。在静水(或动水、或考虑水生生物的影响)条件下，根据不同水体特点进行野外采样及室内水质分析，求解污染物综合降解系数。

　　c)原位水文水质同步监测率定法。对计算区域污染源、水量、水质进行同步监测，构建计算区域水环境数学模型，对计算区域的模型参数进行同步验证，当计算值与实测值误差满足要求时可求得计算区域的水动力参数及污染物综合降解系数值。

　　7. 1.4 率定时根据实测与模拟结果的差异，对模型参数进行调整以满足精度目标。必要时，宜对模型参数开展灵敏度分析。可在参考相关标准和资料推荐值基础上，结合优化算法与人工校核开展率定。

　　7.2 精度目标

　　7.2. 1 模型建设单位宜按模型建设目标、需求、数据情况和管道功能，分区分级确定模型精度目标：

　　a)用于调度控制的点位精度要求宜高于非控制点位的精度要求。

　　b)主管、干管的精度要求宜高于支管的精度要求。

　　c)溢流点、变径点等重点关注区域的精度要求宜高于一般区域的精度要求。

　　7.2.2 模型精度评定的项目包含峰值流量(水位)、峰现时间、流量总量、流量过程和水质过程。模拟误差可采用以下三类指标：

　　a)绝对误差。模拟值减去实测值为绝对误差。

　　b)相对误差。绝对误差除以实测值为相对误差, 以百分数表示。

　　c)纳什效率系数 NSEC ，模拟过程与实测过程之间的吻合程度，按公式(1)计算。

　　公式(1)

　　T/ACEF 221-2025

　　式中:n——序列过程的数据个数;

　　ys——模拟值;

　　yo——实测值;

　　y-0 ——实测值的均值。

　　7.2.3 点位的精度目标根据表 8 的规定确定,其中本文件 7.2. 1 规定精度要求高的取 A 级，一般的取 B 级。

　　表 8 模型精度目标

　　8 模型维护与更新

　　8.1 总则

　　8. 1. 1 根据管网拓扑结构和运行工况现状，建立模型更新维护工作机制。

　　8. 1.2 模型维护内容包括：拓扑关系与基础数据更新、运行方案更新、模型校核与验证、模型成果更新与汇总。

　　8. 1.3 模型更新维护分为日常更新维护、定期校核与更新维护，宜根据污水排水系统与业务应用情况建立相应的模型更新维护机制。

　　8.2 模型维护

　　8.2. 1 随着新接收、新竣工以及日常设施管理、生产运行对数据的补充完善，模型数据需要进行动态维护，确保模型的现实性，对模型局部进行调整。

　　8.2.2 模型日常维护内容包括基础设施数据变更、模型下垫面数据变更、汇水区重新划分、监测数据分析、数据审查和模型精度异常分析等。

　　T/ACEF 221-2025

　　8.2.3 定期校核与更新维护内容包括：监测数据整理、监测点评估、参数率定、模型验证、模型维护报告撰写、污水排水能力评估、积水原因分析和治理方案技术经济比选等。

　　8.2.4 模型备份采用本地备份，有条件的可采用本地异地双备份。备份方式根据业务应用进行全备份和增量备份。备份内容包括模型基础数据库、监测数据、校核参数、方案库和边界条件等。

　　8.3 更新机制

　　8.3. 1 建立模型数据与管网设施数据同步更新机制。对于管网设施数据发生变更，宜触发模型管理人员对模型数据进行日常更新和维护，保证相关数据更新的及时性。

　　8.3.2 对于模型维护过程中发现的异常数据，宜触发数据管理人员对管网设施数据进行日常更新和维护，保证相关数据的准确性。

　　8.3.3 模型宜不低于 1 次/yr 对管网基础设施数据定期更新和维护，保证模型精度，梳理管网设施状态变化与管网运行情况。

　　8.4 模型版本

　　8.4. 1 宜在模型版本迭代过程中，明确规定版本号代码，确保更新后版本模型精度不低于更新前。不同版本模型进行迭代后，宜提供相关说明，标明模型文件修改或更新的内容。

　　8.4.2 全尺度流域模型每年更新频率宜大于等于 1 次，用于该年度各个场景的模型应用工作。

　　8.4.3 模型软件的转换宜检查现有模型暗含的模型简化和假定条件，使用的模型软件理论背景相同或相似，转化后模型精度不低于现有模型。

　　T/ACEF 221-2025

　　附录 A (资料性)模型应用

　　A.1 概述

　　A. 1. 1 污水设施的规划、设计和运行等工作宜采用排水数学模型作为定量计算工具。

　　A. 1.2 根据模型应用场景划分为以下三类，具体分类和应用内容参见表 A. 1。

　　表 A.1 模型应用场景分类

　　A.2 服务内容

　　A.2. 1 污水排水系统能力评估包含以下内容：

　　a)污水排水系统规划设计：模拟管网中水流的流动状态，包括流量、流速、水压等关键参数，可用于评估不同工况下的管网运行情况，从而优化管网布局和管径等参数设计。

　　b)旱季污水排水系统流速评估：模拟污水排水系统的旱季流速分布情况，形成不同时段流速变化过程曲线，评估流速风险分布区域。

　　c)雨季污水排水系统液位评估：模拟雨季预报降雨和历史降雨下管道液位情况，分析污水排水系统最大充满度，评估系统超载风险分布区域。

　　A.2.2 水环境治理包含以下内容：

　　a)溢流污染控制方案及截流改造方案评估：模拟历史降雨和设计降雨，评估河道排口溢流污染风险，考虑污水系统能力提出系统化削减方案(包括污水排水系统截流改造等)。

　　b)初期雨水污染控制方案评估：模拟历史降雨和设计降雨，评估河道排口的初期雨水

　　T/ACEF 221-2025

　　污染水量，提出系统化解决方案(包括源头控制方案、过程控制方案或末端调蓄方案等)。

　　c)污水排水系统污染扩散与风险评估：模拟污水在管网中的流动特性(如流速、流量)，预测污染物传输路径，分析污染物浓度随时间、空间的变化规律(如 COD、氮磷、重金属)，评估污染物扩散风险。

　　A.2.3 运营效率优化包含但不仅限于以下内容：

　　a)厂网河一体化调度方案评估：模拟旱季、设计降雨和历史降雨情景，结合各个污水厂间处理能力和经济运行指标，对流域内、流域间污水厂水量合理调配方案进行优化，辅助制定管网和污水厂突发事件应急处置方案。

　　b)污水检查井盖顶托及治理方案评估：对检查井盖顶托上下游设施现状复核，模拟雨季污水系统检查井盖顶托降雨临界值，分析原因，提出治理方案，并进行技术经济比选。

　　c)污水泵站运行规则优化：对污水泵站现状进行复核(上游污水排水设施、收水范围和泵站运行方案等)，评估现状污水排水能力，优化泵站运行方案。