鄭國(guó)棟

（蘇交科集團(tuán)股份有限公司，江蘇 南京210019）

關(guān)于雨水設(shè)計(jì)流量的計(jì)算方法，我國(guó)目前采用恒定均勻流推理公式，即Q=Ψ·q·F計(jì)算。恒定均勻流推理公式基于以下假設(shè)：降雨在整個(gè)匯水面積上的分布是均勻的；降雨強(qiáng)度在選定的降雨時(shí)段內(nèi)均勻不變；匯水面積隨集流時(shí)間增長(zhǎng)的速度為常數(shù)，因此推理公式適用于較小規(guī)模排水系統(tǒng)的計(jì)算，當(dāng)應(yīng)用于較大規(guī)模排水系統(tǒng)的計(jì)算時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大誤差。隨著技術(shù)的進(jìn)步、管渠直徑的放大和水泵能力的提高，排水系統(tǒng)、匯水流域面積逐步擴(kuò)大應(yīng)該修正推理公式的精確度。發(fā)達(dá)國(guó)家已采用數(shù)學(xué)模型模擬降雨過(guò)程，把排水管渠作為一個(gè)系統(tǒng)考慮，并用數(shù)學(xué)模型對(duì)管網(wǎng)進(jìn)行管理。

1 模型簡(jiǎn)介

Infoworks ICM(Integrated Catchment Manage—ment)模型，即城市綜合流域排水模型，是由Wall—ingford軟件公司開(kāi)發(fā)的，實(shí)現(xiàn)了城市排水管網(wǎng)系統(tǒng)模型與河道模型的整合，更為真實(shí)的模擬地下排水管網(wǎng)系統(tǒng)與地表受納水體之間的相互作用。它在一個(gè)獨(dú)立模擬引擎內(nèi)，完整的將城市排水管網(wǎng)及河道的一維水力模型，同城市流域二維洪澇淹沒(méi)模型結(jié)合在一起，是世界上第一款實(shí)現(xiàn)在單個(gè)模擬引擎內(nèi)組合這些模型引擎及功能的軟件。

2 排水系統(tǒng)模型構(gòu)建

通過(guò)對(duì)排水系統(tǒng)中檢查井、管道、泵站以及其他排水構(gòu)筑物的流量、水位、流速、充滿(mǎn)度以及泵的啟閉等時(shí)間序列的仿真模擬，排水模型提供的結(jié)果可為用戶(hù)分析現(xiàn)狀排水管網(wǎng)系統(tǒng)的工作狀態(tài)。借助這些分析，可了解排水管網(wǎng)是否出現(xiàn)超負(fù)荷運(yùn)行或冒溢；當(dāng)降雨量達(dá)到多大時(shí)，系統(tǒng)無(wú)法正常排澇；為了讓系統(tǒng)達(dá)到規(guī)定設(shè)計(jì)暴雨重現(xiàn)期的雨水，排水系統(tǒng)進(jìn)行改擴(kuò)建的規(guī)模是多少。

2.1 研究對(duì)象概況

模型以江蘇如東縣洋口港臨港工業(yè)區(qū)二期南北向道路東堤路為研究對(duì)象，東堤路為新建道路，連接北堤路和海堤路，總長(zhǎng)2.38km，路寬24m，雙側(cè)布置雨水管道。

東堤路西側(cè)為經(jīng)七河，東側(cè)為地塊，雨水系統(tǒng)主要收東側(cè)地塊雨水排入經(jīng)七河。經(jīng)七河為現(xiàn)狀河道，河底標(biāo)高：中心河以南為-0.69m(85高程，下同)，中心河以北為-1.19m；經(jīng)七河最高水位為2.01m，常水位1.81m。

2.2 建模所需數(shù)據(jù)（圖1）

模型建立需要的數(shù)據(jù)如下：（1）管道材料、管徑、坡度及管內(nèi)底標(biāo)高；（2）匯水面積圖；（3）道路范圍線(xiàn)以及河道范圍線(xiàn)；（4）規(guī)劃豎向或控制參數(shù)；（5）規(guī)劃徑流系數(shù)；（6）當(dāng)?shù)刈钚卤┯陱?qiáng)度公式；（7）河道水位數(shù)據(jù)等。

圖1 東堤路雨水匯水面積圖

2.3 構(gòu)建模型網(wǎng)絡(luò)

2.3.1 管道、檢查井鴻業(yè)格式的管道、檢查井?dāng)?shù)據(jù)包括設(shè)計(jì)管道編號(hào)、管徑、設(shè)計(jì)地面標(biāo)高、設(shè)計(jì)管內(nèi)底標(biāo)高、檢查井X、Y坐標(biāo)等，將這些數(shù)據(jù)處理成CSV格式，方可導(dǎo)入Infoworks ICM。

2.3.2 子流域集水區(qū)

方案階段所繪制的匯水面積圖，可直接以dwg格式導(dǎo)入。

2.3.3 道路、河道匯水面積圖中所包含的道路、河道等信息同樣可直接以dwg格式導(dǎo)入Infoworks ICM。

2.3.4 規(guī)劃地形高程根據(jù)地塊豎向規(guī)劃或控制參數(shù)制作地形文件，以txt格式（包含散點(diǎn)的X、Y坐標(biāo)及高程值）導(dǎo)入Infoworks ICM。

2.4 降雨事件

由于缺少詳細(xì)的降雨觀測(cè)資料，無(wú)法建立當(dāng)?shù)氐挠晷?，故選擇目前被廣泛運(yùn)用的“芝加哥雨型”結(jié)合當(dāng)?shù)乇┯陱?qiáng)度公式，生成方案的設(shè)計(jì)雨型。方案對(duì)2年一遇常規(guī)降雨和20年一遇特大暴雨分別進(jìn)行模擬。

2年一遇降雨，降雨歷時(shí)取2小時(shí)，最大降雨強(qiáng)度為112mm/h（圖2）。

圖2 兩年一遇2h設(shè)計(jì)雨型

20年一遇降雨，降雨歷時(shí)取24小時(shí)，最大降雨強(qiáng)度為200mm/h（圖3）。

圖3 二十年一遇24h設(shè)計(jì)雨型

2.5 河道水位

河道水位來(lái)源于該地區(qū)防洪規(guī)劃。

2.5.1 常水位

應(yīng)對(duì)2年一遇短歷時(shí)降雨工況，設(shè)定水位為常水位1.81m。

2.5.2 汛期排澇水位

應(yīng)對(duì)20年一遇長(zhǎng)歷時(shí)排澇工況，設(shè)定水位如圖4所示?？刂扑?.01m，汛期之前預(yù)降至0.31m。

圖4 二十年一遇設(shè)定水位

2.6 模擬結(jié)果

本項(xiàng)目雨水流量按推理公式法計(jì)算，現(xiàn)采用Infoworks ICM模型校核，結(jié)果如圖5；可見(jiàn)發(fā)生2年降雨的情況下，雨水不會(huì)溢出地面，說(shuō)明本方案設(shè)計(jì)的雨水管道符合要求。

圖5 二年一遇雨水管縱斷面圖

對(duì)20年一遇長(zhǎng)歷時(shí)降雨的情況下采用Infoworks ICM進(jìn)行模擬，結(jié)果如圖6；可見(jiàn)雨水仍然不會(huì)溢出地面，說(shuō)明本方案設(shè)計(jì)的雨水管道滿(mǎn)足20年一遇長(zhǎng)歷時(shí)降雨的排澇要求。

圖6 二十年一遇雨水管縱斷面圖

3 結(jié)論

模型能夠計(jì)算流量過(guò)程線(xiàn)，采用非恒定流非均勻流計(jì)算，使排水情況更接近實(shí)際。

通過(guò)引入河道水位和地面高程，能夠耦合雨水管道、河道、地面積水，真實(shí)地模擬雨水管道淹沒(méi)出流和檢查井溢水地面漫流的情況。

Infoworks ICM不僅可以用于新建道路的雨水方案設(shè)計(jì)，評(píng)估管道設(shè)計(jì)的合理性，還可以用于老路改造方案設(shè)計(jì)，對(duì)現(xiàn)狀管道進(jìn)行排水能力評(píng)估并提出解決方案。另外，《室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范（2014版）》已經(jīng)明確提出當(dāng)匯水面積超過(guò)2km2時(shí)，雨水設(shè)計(jì)流量宜采用數(shù)學(xué)模型進(jìn)行確定?？梢?jiàn)，排水模型在市政道路雨水設(shè)計(jì)中的應(yīng)用必定越來(lái)越廣泛。

［1］寧?kù)o.上海市短歷時(shí)暴雨強(qiáng)度公式與設(shè)計(jì)雨型研究[D].上海:同濟(jì)大學(xué),2006.

［2］鄧培德.城市雨水溝道容量平衡法設(shè)計(jì)流量的研究[J].給水排水,2006,32(2):21-26.

［3］李建勇.Infoworks ICM在城市排水系統(tǒng)分析中的應(yīng)用[J].中國(guó)給水排水,2014,30(8):21-24.