芻議城市排澇調(diào)蓄計(jì)算合理性
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摘要:本文利用暴雨管理模型(SWMM)軟件對設(shè)計(jì)排水系統(tǒng)進(jìn)行徑流模擬演算,得到排澇標(biāo)準(zhǔn)下的排澇泵站流量和調(diào)蓄池容積的對應(yīng)關(guān)系。通過計(jì)算機(jī)仿真模擬和自動化設(shè)計(jì)，將成為未來城市排澇調(diào)蓄科學(xué)和合理計(jì)算的一種趨勢。
論文關(guān)鍵詞：排澇標(biāo)準(zhǔn),暴雨雨型,流量過程線,SWMM
一 暴雨過程線
城市匯水面積一般較小，暴雨強(qiáng)度的空間變化可以忽略，但時(shí)程變化則非常明顯，因而對洪峰流量及流量過程線都有顯著影響。據(jù)測定,在匯流歷時(shí)內(nèi)平均雨強(qiáng)相同的條件下，雨峰在中部或后部的三角形雨型比均勻雨型的洪峰流量大30%以上【2,3】。而常用的小流域洪水計(jì)算推理公式采用均勻雨型，與絕大多數(shù)降雨實(shí)際情況不符，因而不能正確描述雨水匯流過程線，也就不能正確計(jì)算雨水調(diào)蓄池的容積。
如何合理地確定匯水區(qū)設(shè)計(jì)暴雨雨型，是計(jì)算與抽排泵站相配套的調(diào)蓄池容積的關(guān)鍵。推求降雨過程線（暴雨雨型）方法很多，筆者認(rèn)為芝加哥流量過程線模型較其他模型簡單實(shí)用、容易操作【4】，僅需要匯水區(qū)的暴雨強(qiáng)度公式和排澇標(biāo)準(zhǔn)，便可推求降雨過程線。一般從水文手冊上查得設(shè)計(jì)澇區(qū)在某一重現(xiàn)期P下的暴雨雨量（實(shí)際觀測數(shù)據(jù)），與將該P(yáng)值代入暴雨強(qiáng)度公式計(jì)算出的相同歷時(shí)下的總雨量（理論公式推算數(shù)據(jù)）是不一樣的，往往前者比較小，后者比較大。例如從水文手冊查得湖北天門縣20年一遇一日降雨量為172.4mm【5】，而采用天門縣的暴雨強(qiáng)度公式計(jì)算，相同重現(xiàn)期相同歷時(shí)下的降雨量為266.1mm，比前者大50%多。兩者數(shù)據(jù)不統(tǒng)一的主要原因是，一日降雨指時(shí)間連續(xù)并不表示降雨連續(xù)，而公式推求則是考慮24小時(shí)連續(xù)降雨。筆者認(rèn)為可以通過重現(xiàn)期和降雨量反算出等效降雨歷時(shí)，如上述天門縣的20年一遇一日降雨量為172.4mm，代入暴雨強(qiáng)度公式算得相應(yīng)的降雨歷時(shí)約9小時(shí)。故將一日降雨量集中在9小時(shí)內(nèi)，既能符合暴雨強(qiáng)度公式，又考慮了暴雨形成徑流的最不利情況，因?yàn)閷τ诳偭恳欢ǖ拈L歷時(shí)降雨，連續(xù)降雨的機(jī)會和造成洪災(zāi)危害比斷續(xù)降雨的大。
據(jù)岑國平等研究【4】，在連續(xù)一次降雨過程中單峰雨型占大部分，雙峰或者多峰雨型很少。由于單峰降雨的雨量集中, 易引起較大洪水, 對城市排水影響較大,故應(yīng)重點(diǎn)考慮單峰雨型。
確定了重現(xiàn)期和降雨歷時(shí)后，就可以利用芝加哥流量過程線模型推求降雨過程線(設(shè)計(jì)暴雨雨型)，其推求過程如下：
我國設(shè)計(jì)暴雨強(qiáng)度公式采用下式：
（1）
其中，q為平均暴雨強(qiáng)度（mm/min或L/s·hm2），A1為重現(xiàn)期為1年的設(shè)計(jì)降雨的雨力，C為雨力變動參數(shù)，P為設(shè)計(jì)重現(xiàn)期（a）,td為暴雨歷時(shí)（min），b、c為常數(shù)。
從式（1）可見q是一定降雨歷時(shí)內(nèi)的平均雨深。由于A1、C、b、c為地方常數(shù)，故設(shè)計(jì)重現(xiàn)期P和設(shè)計(jì)降雨歷時(shí)td確定以后，就可求得設(shè)計(jì)降雨強(qiáng)度q。
某一區(qū)域在給定重現(xiàn)期P下的暴雨強(qiáng)度可以簡化為Horner公式：
（2）
其中，iaw為平均暴雨強(qiáng)度，其定義是
（3）
其中i(t)為降雨強(qiáng)度隨時(shí)間變化的曲線。將式2和式3合并：
（4）
對上式兩邊求微分：
（5）
式（5）是降雨平均強(qiáng)度為iaw的瞬時(shí)降雨過程線。研究表明該過程線的雨峰將出現(xiàn)在暴雨的開始階段，然后逐漸減小，這與現(xiàn)實(shí)情況不相符合。為此，需要對該雨量過程線進(jìn)行修正，使之在降雨歷時(shí)的某一比例r處形成雨峰。設(shè)tb為峰前時(shí)間，ta為峰后時(shí)間，則降雨歷時(shí)為：
（6）
分別代入式（5），有
（7）
式（7）即為芝加哥暴雨過程線模型。為確定峰值系數(shù)r，一般可以根據(jù)當(dāng)?shù)亟涤赀^程資料統(tǒng)計(jì)，取多場降雨的平均值：
（8）
其中tj是峰前歷時(shí)；Tj是降雨總歷時(shí)；m是所統(tǒng)計(jì)降雨場數(shù)。國內(nèi)外大量資料表明,大部分地區(qū)的r= 0.3～0.5, 因此缺乏資料時(shí)可近似取r=0.4。
以天門縣20年一遇一日降雨為例，利用芝加哥暴雨模型進(jìn)行降雨過程模擬。查得天門縣暴雨強(qiáng)度公式為：
（9）
其中P=20，t=9小時(shí)，峰值系數(shù)r=0.4，以15分鐘為單位時(shí)間間隔，模擬降雨過程線如圖1。
圖1 天門縣20年一遇一日降雨過程線模擬
(等效為9小時(shí)連續(xù)、非均勻降雨)
傳統(tǒng)推理法是假設(shè)降雨歷時(shí)的各時(shí)刻是等雨強(qiáng)的，其降雨過程線將是平均降雨強(qiáng)度為19.15mm/h的水平線�？梢妶D1的峰值雨強(qiáng)（299mm/h）是平均雨強(qiáng)的15.65倍，這就是造成相同降雨總量、相同降雨歷時(shí)卻不同洪峰流量的主要原因（另有匯流、調(diào)蓄等其它因素的影響）。
二 徑流模型
我國現(xiàn)行的推理公式算法在推導(dǎo)地面雨水產(chǎn)匯流過程線時(shí)，有不少簡化的假定都與實(shí)際情況相差較大，例如恒定降雨（均勻雨強(qiáng)）假設(shè)，將流域按等流時(shí)線劃分的假設(shè)，匯水面積隨著降雨歷時(shí)的增加而線性增加的假設(shè)，降雨歷時(shí)等于或者大于匯水面積最遠(yuǎn)點(diǎn)的雨水到達(dá)設(shè)計(jì)斷面的集水時(shí)間的假設(shè)，水流狀態(tài)為恒定均勻流的假設(shè)，徑流系數(shù)采用綜合值等。
美國環(huán)境保護(hù)局的雨洪管理模型（SWMM）是一個(gè)綜合性的數(shù)學(xué)模型, 可以模擬完整的城市降雨徑流過程, 包括地面徑流和排水系統(tǒng)中的水流和雨洪調(diào)蓄過程，可以顯示系統(tǒng)內(nèi)和受納水體中各點(diǎn)的水流和水質(zhì)狀況。通過計(jì)算機(jī)模擬，可以對水動力學(xué)進(jìn)行修正，考慮連續(xù)性的影響，考慮暴雨強(qiáng)度變化對流域匯水時(shí)間的影響，考慮非恒定非均勻流態(tài)，考慮匯流地域透水區(qū)和不透水區(qū)情況，考慮排水管網(wǎng)不同組件之間以及管網(wǎng)水流與受納水體之間的交互作用。對模擬對象進(jìn)行時(shí)序上連續(xù)性模擬，可以得到更加符合實(shí)際的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行性能的優(yōu)化管理控制【6,7】。
SWMM徑流模擬軟件由5個(gè)模塊組成。4個(gè)計(jì)算模塊分別為徑流模塊 ( Runoff )，輸送模塊(Transport)，擴(kuò)充輸送模塊(Extran)和儲存/處理(Storage/ Treatment)，可以對地面徑流、排水管網(wǎng)及污水處理單元等的水量水質(zhì)進(jìn)行動態(tài)模擬。1個(gè)服務(wù)模塊的主要功能是進(jìn)行一些計(jì)算后的處理，如統(tǒng)計(jì)、繪圖等。軟件操作界面如圖2所示。
圖2 EPA SWMM5.0徑流模擬軟件界面
使用 SWMM進(jìn)行模擬的基礎(chǔ)工作包括輸入降雨時(shí)間序列、管網(wǎng)概化、提取各個(gè)子流域的土地利用信息和模型參數(shù)確定等四個(gè)部分。
降雨時(shí)間序列輸入模擬的降雨過程；管網(wǎng)概化過程提取城市雨污水管網(wǎng)的空間分布特征和管道的長度、流向、管徑等屬性數(shù)據(jù)，為Transport模塊提供計(jì)算依據(jù)；各子流域的土地利用信息的提取可為Runoff模塊提供計(jì)算依據(jù)；而模型參數(shù)的確定是模擬結(jié)果真實(shí)有效的必需步驟。將各個(gè)模塊的參數(shù)和數(shù)據(jù)輸入完畢后，即可對其進(jìn)行模擬計(jì)算。
例如，對天門縣某一匯水區(qū)域20年一遇的一日降雨進(jìn)行排澇模擬計(jì)算，已知該匯水區(qū)域總匯水面積為445.2ha，枯水季節(jié)雨水自流排入南干渠，洪水季節(jié)由于外河水位高于澇區(qū)路面，只能通過泵站提排入南干渠）。匯水區(qū)域和雨水管網(wǎng)如圖2所示。
SWMM模型軟件人機(jī)界面友好，可操作性強(qiáng)。通過輸入降雨過程線、流域地面參數(shù)和排水管道系統(tǒng)布置圖，可分別得到圖1芝加哥模型非均勻雨強(qiáng)降雨過程模擬的和推流公式均勻雨強(qiáng)降雨過程模擬的出口斷面的流量過程線，如圖3、圖4所示。
圖3 芝加哥模型非均勻雨強(qiáng)出口流量過程線
圖4 推流公式均勻雨強(qiáng)出口流量過程線
三 調(diào)蓄容積
采用圩區(qū)排澇計(jì)算公式計(jì)算各排澇歷時(shí)下排澇模數(shù)，然后利用SWMM模擬的出口流量過程線計(jì)算得出相應(yīng)的調(diào)蓄池容積，如表1，表2。由于抽排泵站抽排量是一定的，且其值等于該澇區(qū)的排澇模數(shù)與澇區(qū)面積乘積，我們只需將澇區(qū)平均抽排流量算出后，從出口流量過程曲線上得到曲線值大于該抽排流量部分的面積，換算成容積單位即是所需要調(diào)蓄容積。
表1 天門縣某一匯水區(qū)域20年一遇一日降雨一日排完調(diào)蓄容積
降雨模型
排澇模數(shù)（m3/s·km2）
調(diào)蓄容積（m3）
芝加哥過程線法
2.01
186480
均勻雨強(qiáng)過程線
2.01
116640
表2 天門縣某一匯水區(qū)域20年一遇一日降雨半日排完調(diào)蓄容積
降雨模型
排澇模數(shù)（m3/s·km2）
調(diào)蓄容積（m3）
芝加哥過程線法
4.02
44784
均勻雨強(qiáng)過程線
4.02
0
由表中數(shù)據(jù)可知，不同的雨型對于調(diào)蓄池容積大小的影響是很大的，主要是因?yàn)榉逯盗髁康拇笮『统^排澇泵站的抽排量的澇水持續(xù)時(shí)間的長短不一樣，該案例中在降雨一日排完情況下，兩者相差7000個(gè)立方米。對于在降雨半日排完的情況下，抽排泵站的裝機(jī)容量對均勻雨強(qiáng)是滿足排澇要求的，但在實(shí)際情況下可能還需要增設(shè)44784 m3的雨水調(diào)蓄池才能滿足排澇要求。
五，結(jié)論和展望
�。�1）在確定設(shè)計(jì)雨型時(shí)，當(dāng)設(shè)計(jì)澇區(qū)有足夠的暴雨過程資料時(shí)，可以利用頻率法進(jìn)行同倍比縮放得到典型的該地區(qū)的暴雨過程線；當(dāng)無資料時(shí)，可以利用水文手冊的澇區(qū)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)下的總降雨量，結(jié)合澇區(qū)暴雨強(qiáng)度公式，反算出等效的降雨歷時(shí)，然后利用芝加哥過程線法對其進(jìn)行降雨時(shí)程分配，模擬出設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)下的降雨過程線。
�。�2）利用SWMM模型模擬澇區(qū)出口流量過程線，不僅可以校核雨水管道是否滿足水力要求，而且還可以合理地確定設(shè)計(jì)排澇標(biāo)準(zhǔn)下配套的調(diào)蓄池容積，文中只考慮了雨水需要全部抽排的情況，但其他情況也可作同樣處理。
（3）實(shí)際雨水徑流情況是復(fù)雜的，傳統(tǒng)推理算法將其簡化，沒有考慮降雨的時(shí)程分配、雨型、雨峰等對地面徑流的影響，造成較大的計(jì)算偏差。而利用計(jì)算機(jī)模擬，可以考慮更多實(shí)際因素，如下墊面情況、地下水參與徑流、滲透、回水、倒灌、壓力流、甚至雨水蒸發(fā)等的影響，這無疑將更合理高效地為工程設(shè)計(jì)提供更可靠更準(zhǔn)確的依據(jù)，確保設(shè)計(jì)的安全性。而且運(yùn)用計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算，可以在提高工作效率和滿足設(shè)計(jì)合理性兩個(gè)方面都取得良好效果。
參考文獻(xiàn)
1《灌溉與排水工程設(shè)計(jì)規(guī)范 》(GB50288—99)
2 王永,燕少平.《城市排水與排澇計(jì)算研究》.江淮水利科技.2006年第3期
3 吳彰春,岑國平等.坡面匯流的試驗(yàn)研究[J].水利學(xué)報(bào).1995,(7):84～89
4 岑國平,沈晉,范榮生.城市設(shè)計(jì)暴雨雨型研究[J].水科學(xué)進(jìn)展. 1998年第1期:41～46
5 湖北省水文手冊.水利電力局.1970年：372
6 叢翔宇，倪廣恒等.基于SWMM的北京市典型城區(qū)暴雨洪水模擬分析[J].水利水電技術(shù). 2006年第4期：64～67
7 董欣,陳吉寧,趙冬泉.SWMM模型在城市排水系統(tǒng)規(guī)劃中的應(yīng)用[J].給水排水.2006年第32期：106～109
