李文濤,隋 軍,牛 櫻,周建華,劉成林,譚錦欣

(廣州市市政工程設(shè)計(jì)研究院,廣東廣州 510060)

2D排水模型在排水工程中的應(yīng)用探討

李文濤,隋 軍,牛 櫻,周建華,劉成林,譚錦欣

(廣州市市政工程設(shè)計(jì)研究院,廣東廣州 510060)

利用水力模型軟件InfoWorks ICM建立廣州市FY路2D排水模型,分析評(píng)估現(xiàn)狀管道水力運(yùn)行狀況,找出內(nèi)澇的原因,制定有針對(duì)性的解決方案,并利用水力模型對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行校核,保證方案的合理性和可行性?，F(xiàn)通過(guò)實(shí)例介紹2D排水模型在城市排水工程中的應(yīng)用方法和具體流程,可為其他地區(qū)模型應(yīng)用提供參考。

排水管網(wǎng);2D模型;數(shù)據(jù)組織;設(shè)計(jì)降雨

0 前言

排水管網(wǎng)水力建模是一門集排水工程、計(jì)算機(jī)、信息為一體的新技術(shù)。管網(wǎng)設(shè)計(jì)和運(yùn)行人員可以借助水力模型在計(jì)算機(jī)平臺(tái)上仿真模擬現(xiàn)狀排水管網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài),分析評(píng)估管網(wǎng)的排水能力和過(guò)流狀態(tài),直觀準(zhǔn)確地找出現(xiàn)狀管網(wǎng)的薄弱環(huán)節(jié),并結(jié)合實(shí)際可實(shí)施性,在水力模型平臺(tái)上制定解決方案,為設(shè)計(jì)改造提供決策支持［1］。2D模型可以更加仿真模擬管道流體轉(zhuǎn)輸與地表漫流之間的交互關(guān)系,使計(jì)算結(jié)果更加準(zhǔn)確。本文通過(guò)介紹分析2D水力模型在廣州市FY路排水工程設(shè)計(jì)中的具體應(yīng)用實(shí)例,為2D水力模型的普及應(yīng)用提供參考。

1 排水管網(wǎng)水力模型概況

1.1 水力模型概述

傳統(tǒng)的排水管網(wǎng)設(shè)計(jì)方法是基于極限強(qiáng)度理論的推理公式法,每個(gè)管道設(shè)計(jì)斷面只計(jì)算極限流量,不能準(zhǔn)確反映排水系統(tǒng)真實(shí)的運(yùn)行狀態(tài)?；赟t.Venant方程［2］的排水管網(wǎng)水力模型包含降雨模塊、地表產(chǎn)匯流模塊和管道轉(zhuǎn)輸模型等,各模塊之間有機(jī)結(jié)合,是一個(gè)時(shí)間序列函數(shù)組合,可以模擬排水管網(wǎng)中真實(shí)準(zhǔn)確的水流狀況,找出排水系統(tǒng)中瓶頸管段,分析過(guò)流能力不夠,以及水浸內(nèi)澇的原因。

式中:Q——流量,m3/s;

A——過(guò)水?dāng)嗝婷娣e,m2;

v——管內(nèi)流速,m/s;

h——管內(nèi)水深,m;

t——時(shí)間,s;

x——距離,m;

Sf——摩阻坡度;

S0——底坡;

q——單位長(zhǎng)度旁側(cè)入流量,m3/s;

g——重力加速度。

2D模型除了具有1D模型管道內(nèi)一維流體線性模擬變化過(guò)程外,還可以模擬地表漫流過(guò)程,即管道內(nèi)水流溢出地面后,在地面的漫流過(guò)程,可以模擬計(jì)算出地表低洼蓄水量、地表淹沒(méi)水深、水浸影響范圍及時(shí)間等。2D模型計(jì)算引擎基于淺水流動(dòng)方程,即納維葉-斯托克斯方程的平均水深概念,假定水平方向水流在垂直方向流速可以忽略不計(jì),計(jì)算方程如下:

式中:h——水深,m;

u——x方向流速,m/s;

v——y方向流速,m/s;

S0，x，Sf，y——x，y方向的坡度;

q1D——單位面積上的水量,m3/㎡;

q1d，v1d——流量在x，y方向的流速組成。

1.2 建模技術(shù)路線

2D排水管網(wǎng)水力模型的建立及應(yīng)用,首先需要建模基礎(chǔ)數(shù)據(jù)收集、整理進(jìn)入模型數(shù)據(jù)庫(kù),獲得連接關(guān)系、高程數(shù)據(jù)正確的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。利用降雨數(shù)據(jù)、關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的流量、水位等動(dòng)態(tài)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行計(jì)算校核。校核準(zhǔn)確的模型可輔助城市排水管網(wǎng)設(shè)計(jì)及運(yùn)行,圖1所示是城市排水管網(wǎng)水力建模技術(shù)路線。

圖1 城市2D排水管網(wǎng)水力建模技術(shù)路線圖

2 實(shí)例片區(qū)簡(jiǎn)介

廣州市FY路是花都新華舊城區(qū)主要的東西向道路,東西全長(zhǎng)約397 m,路寬15～18 m,連接?xùn)|側(cè)的花城北路與西側(cè)的建設(shè)北路兩條主干道,是周邊區(qū)域出行的必經(jīng)之路。北側(cè)DN500合流管接至建設(shè)北路DN1000排水管,DN300合流管接至花城北路DN600排水管,南側(cè)自東向西DN300～500合流管接至建設(shè)北路DN1000排水管,完全合流制排水體制,總集水面積4.5 hm2。

FY路是一條商業(yè)集中的重要道路,兩側(cè)分布有麗翠苑、金頤居、美閣花園等重要居民小區(qū),銀行、藥店、美容中心等重要商業(yè)機(jī)構(gòu)。近年來(lái)暴雨時(shí)水浸嚴(yán)重,最大水浸深度達(dá)0.5 m,嚴(yán)重影響FY路周邊居民交通出行、生活生產(chǎn)秩序。排水管道管徑偏小,雨水口收水能力不足,是造成暴雨水浸的主要原因。實(shí)施該項(xiàng)雨水管道改造工程顯得十分迫切。現(xiàn)狀排水管渠連接關(guān)系如圖2所示。

圖2 區(qū)域現(xiàn)狀排水管渠連接關(guān)系示意圖

3 水力模型建立

該項(xiàng)工程利用英國(guó)InfoWorks ICM商業(yè)建模軟件建立起FY路排水管網(wǎng)2D水力模型,利用設(shè)計(jì)降雨數(shù)據(jù)輸入進(jìn)行模擬計(jì)算,并用歷史水浸信息對(duì)模型進(jìn)行初步校核。利用校核的模型對(duì)現(xiàn)狀排水管道進(jìn)行分析,評(píng)估現(xiàn)狀排水標(biāo)準(zhǔn),找出系統(tǒng)薄弱點(diǎn)和瓶頸管段。結(jié)合現(xiàn)狀實(shí)際條件提出改造設(shè)計(jì)方案,利用水力模型平臺(tái)校核設(shè)計(jì)方案,保證方案的合理性和可行性。

3.1 水力模型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)建立

利用勘察測(cè)繪的管線數(shù)據(jù)作為模型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)輸入數(shù)據(jù),基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包括排水管渠、檢查井、雨水口等。1D建模所需的管網(wǎng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)信息如表1所列。

表1 建模管網(wǎng)數(shù)量表

數(shù)據(jù)通過(guò)CAD數(shù)據(jù)分層整理后,導(dǎo)入模型軟件,經(jīng)過(guò)拓?fù)潢P(guān)系檢查,獲得模型的空間屬性數(shù)據(jù)。同時(shí)根據(jù)周邊道路、房屋、高程信息劃定高程集水范圍(集水面積4.5 hm2)。利用工程范圍內(nèi)1∶500高程點(diǎn)數(shù)據(jù),局部低洼易澇點(diǎn)進(jìn)行高程點(diǎn)加密處理,得到高程點(diǎn)x-y-z字段文本文件,導(dǎo)入模型得到地表DEM數(shù)字高程模型,基于地表高程模型進(jìn)行網(wǎng)格化處理(最小三角網(wǎng)格面積2 m2),建立工程范圍內(nèi)2D排水模型(見(jiàn)圖3～圖5)。

圖3 FY路現(xiàn)狀排水管網(wǎng)1D模型

圖4 劃分后的子集水區(qū)示意圖

圖5 利用高程點(diǎn)數(shù)據(jù)生成該區(qū)域DEM示意圖

3.2 降雨數(shù)據(jù)輸入

強(qiáng)度設(shè)計(jì)降雨作為水力模型計(jì)算分析必要的雨量輸入邊界條件,降雨強(qiáng)度及降雨過(guò)程線是影響強(qiáng)度設(shè)計(jì)降雨的重要因素。降雨強(qiáng)度是由當(dāng)?shù)乇┯陱?qiáng)度公式計(jì)算得到,降雨過(guò)程線采用國(guó)內(nèi)外廣泛使用的Keifer & Chu雨型(芝加哥雨型),根據(jù)某一特定的重現(xiàn)期下降雨強(qiáng)度和降雨歷時(shí)的關(guān)系式,即由暴雨強(qiáng)度公式推得而來(lái)的一種不均勻的雨量過(guò)程線。Keifer & Chu雨型由于受歷時(shí)的限制,一般小于2 h。

采用工程范圍內(nèi)的暴雨公式計(jì)算,由于該項(xiàng)工程設(shè)計(jì)重現(xiàn)期標(biāo)準(zhǔn)為5 a,因此按照5 a重現(xiàn)期的單一重現(xiàn)期暴雨強(qiáng)度公式進(jìn)行計(jì)算,具體為:

式中:q——暴雨強(qiáng)度,L/(s·hm2)。

芝加哥雨型只有雨峰位置一個(gè)參數(shù),估算r的方法,是對(duì)一組各種歷時(shí)的次暴雨計(jì)算最大強(qiáng)度時(shí)間與暴雨歷時(shí)之間的比值,按照各次降雨歷時(shí)加權(quán)平均后,這個(gè)比值的均值作為r的值。根據(jù)近52 a降雨資料,對(duì)采集到的120 min雨峰位置系數(shù)的基本情況見(jiàn)表2所列,從表2可以看出,雨峰位置的統(tǒng)計(jì)平均值為0.479,近似取r= 0.48。采用5 a一遇120 min降雨(總降雨量95 mm)進(jìn)行模擬計(jì)算(見(jiàn)圖6)。

3.3 模型參數(shù)設(shè)置

地表產(chǎn)流模型:由于該項(xiàng)工程位于城區(qū),集水范圍小,地表坡度小,常年多降雨,選用Horton模型,最大入滲率、最小滲透率和入滲遞減率分別取為76 mm/h、2.5 mm/h和2 mm/h。

地表匯流模型:地表匯流模型采用SWMM非線性水庫(kù)模型,子集水區(qū)坡度取0.001,坡面曼寧系數(shù)取0.015。

表2 雨峰位置統(tǒng)計(jì)表

圖6 5 a一遇120 min降雨過(guò)程線柱狀圖

管道粗糙系數(shù):管段沿程水頭損失系數(shù)(KS)分為管道頂部損失系數(shù)和底部損失系數(shù),均取0.013進(jìn)行初始化設(shè)置。

管道沉積物厚度:現(xiàn)狀管道沉積物厚度根據(jù)管養(yǎng)信息,設(shè)置100 mm～300 mm。

4 模型計(jì)算分析

4.1 管網(wǎng)運(yùn)行分析評(píng)估

基于搭建的2D模型模擬計(jì)算1 a一遇降雨條件下,FY路出現(xiàn)水浸,水浸深度0.2 m以上影響區(qū)域188 m2,現(xiàn)狀排水管渠不滿足1 a一遇排水標(biāo)準(zhǔn)。5 a一遇大暴雨條件下,FY路水浸深度0.2 m以上影響區(qū)域348 m2,嚴(yán)重影響周邊車輛行人通行。計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查信息基本一致,證明模型計(jì)算結(jié)果可信。造成水浸的主要原因是:(1)FY路地勢(shì)較低,平均地面標(biāo)高約9.8～9.9 m,較周圍地塊地面標(biāo)高低0.2～0.3 m,暴雨時(shí)周邊雨水坡面匯流至FY路;(2)現(xiàn)狀DN300～DN500管徑偏小,且坡度較小,最大過(guò)流能力僅120 L/s,過(guò)流能力嚴(yán)重不足;(3)雨水口偏少,都是平入式單篦,加之淤塞嚴(yán)重,暴雨時(shí)地面徑流收集能力不足,造成地面積水(見(jiàn)圖7、圖8及表3)。

圖7 FY路1 a一遇降雨過(guò)程內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)圖

圖8 FY路5 a一遇降雨過(guò)程內(nèi)澇水浸風(fēng)險(xiǎn)圖

表3 FY路排水現(xiàn)狀計(jì)算水浸影響面積統(tǒng)計(jì)表

4.2 設(shè)計(jì)方案校核

針對(duì)FY路排水管渠管徑偏小,排水標(biāo)準(zhǔn)偏低,地面雨水口偏少,收水能力不足導(dǎo)致暴雨水浸,該項(xiàng)工程擬沿FY路自東向西新建排水管道d800,L=230 m;d1350,L=277 m,接至建設(shè)北路已建BXH=2.0×1.2排水渠箱,并增設(shè)地面雨水口,擬將FY路排水標(biāo)準(zhǔn)提高至5 a一遇。利用水力模型對(duì)工程方案進(jìn)行模擬分析,該項(xiàng)工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)是5 a一遇排水標(biāo)準(zhǔn)。圖9、圖10是工程實(shí)施后排水管渠在5 a-120 min降雨條件下運(yùn)行狀態(tài)平面圖,整條管道運(yùn)行狀況良好,FY路沒(méi)有發(fā)生水浸內(nèi)澇,設(shè)計(jì)方案滿足排水標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖9 FY路排水管方案示意圖

圖10 方案實(shí)施后FY路5 a一遇降雨過(guò)程內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)圖

5 結(jié)語(yǔ)

本文利用InfoWorks ICM水力建模軟件搭建廣州市FY路2D排水模型,利用設(shè)計(jì)降雨數(shù)據(jù)模擬分析現(xiàn)狀排水管渠水力運(yùn)行狀態(tài),現(xiàn)狀排水標(biāo)準(zhǔn)不足1 a一遇,結(jié)合模擬結(jié)果分析水浸的原因,并針對(duì)水浸原因提出沿FY路自東向西新建排水管道d800～d1350,接至建設(shè)北路已建BXH=2.0×1.2排水渠箱,并增設(shè)地面雨水口。利用水力模型對(duì)FY路新建雨水管道方案進(jìn)行模擬分析,整條管道運(yùn)行狀況良好,FY路沒(méi)有發(fā)生水浸內(nèi)澇,設(shè)計(jì)方案滿足5 a一遇排水標(biāo)準(zhǔn)。

水力模型技術(shù)為設(shè)計(jì)改造提供決策支持,在實(shí)際應(yīng)用中收到了很好的效果。本文的應(yīng)用方法及流程具有通用性,可以為其他地區(qū)的模型應(yīng)用提供參考。

［1］ 周建華,李文濤.水力模型在城市排水管網(wǎng)改造設(shè)計(jì)中的應(yīng)用［J］.給水排水，2013,5(39):106-109.

［2］ HuberWC， HeaneyJP.Stormwater management model User's manual (VersionIII)［M］.U.S.:Environmental Protection Agency，1987.

TU992

B

1009-7716(2015)03-097-04

2014-11-28

李文濤(1984-),男,安徽明光人,碩士,工程師,從事給排水工程設(shè)計(jì)與管網(wǎng)建模工作。