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SWMM在山区城市排水规划中的应用研究_论文格式模板

时间:2011-05-21 11:32:29  作者:秩名

论文导读::而要想充分发挥SWMM对排水规划的指导作用。但通常山区城市因经济发展较为落后、排水管理水平不高。并在此基础上设计排水规划方案、指导排水系统建设。
关键词:SWMM,山区城市,排水规划

  SWMM(Storm WaterManagement Model)是一款用于暴雨洪水模拟的软件,可用于山区城市排水规划以便指导确定排水系统管线走向、断面尺寸及设计排涝应急方案,通过雨洪模拟可获取检查井溢流和淹没的全过程情景,使这些反映排水效果的关键环节得以准确量化[1]。而要想充分发挥SWMM对排水规划的指导作用,前提就是建立一个较精确的现状排水系统模型,但通常山区城市因经济发展较为落后、排水管理水平不高,导致相关资料收集非常困难,因此在资料匮乏的情况下,如何建立一个可满足规划要求的山洪暴雨排水模型,并在此基础上设计排水规划方案、指导排水系统建设,就成为山区城市排水规划编制过程中的一个重要课题,本文就SWMM应用于山区城市排水规划的资料收集、模型建立、分析运用等过程中的一系列问题,结合其资料匮乏的特殊性进行研究探讨。
  1 SWMM建模方法
  1.1 资料收集
  SWMM的排水模型通常由汇水子流域(subcatchment)、排水管渠系统(包括节点node、管渠conduit)、排出口(outfall)、降雨(rain)等要素组成,建模前需要收集获取各要素的若干属性值论文格式模板,对于山区城市资料匮乏的难题,可采用一些间接措施、通过各种途径尽可能地收集较为完整的资料。下面根据笔者建立山区城市排水规划模型的工程经验,具体论述一些技巧方法。
  绘制汇水子流域可根据地形图高程点分布划分,但一般二维地形图不够直观,直接划分存在一定的难度,因此可借助Google Earth 工具观察山脊线等分水岭以及道路网分布,以辅助判断汇水子流域的划分界线;当然若资料较齐全、有GIS地形图时,也可借助GIS工具自动划分汇水线,再进行人工划分补充即可。
  汇水子流域内的特征宽度(width)和地形坡度(slope)亦属难获取的资料。特征宽度可利用SWMM软件自带的标尺工具(ruler)进行粗略测量,但要以SWMM交互式界面长度与实际长度一致为前提,这可通过按比例加载背景图后以自动长度方式绘制排水系统拓扑关系来保证,见“1.2信息输入”;而对地形坡度,若有较详细的地形图(如1:500),则可从图中直接量算,但较高精度的地形图一般未必能够被收集到,同时排水规划模型所需基础数据也未必需要如此高的精度,因此可借助Google Earth 工具查找汇水流域内的地形标高及长度,由此可估算出地形坡度,当然若有当地的GIS地形图,也可直接从GIS地形图上量出所需要坡度信息。
  排水管渠系统的排水断面信息也需收集,但在实际的排水工程现状图纸中排水渠道断面往往是多变的,在SWMM中用一段condiut表征的渠道实际可能有不同大小的过水断面,因此需确定一个平均过水断面,严格而言应取以各断面的长度为权重的各断面加权平均值,但为简化建模过程,可直接采用该段渠道中的最小断面值,以保证在规划设计时安全及时地排除雨水和洪水。
  节点一般表征检查井,井底的标高信息可从实际工程的设计、施工、竣工等图纸中获取,但一些山区的旧城区排水渠多设置为明渠或者盖板渠形式(相当于明渠加盖)论文格式模板,且其简图信息往往不全,这种情况下可利用地面高程、渠道深度以及检查井底低于渠道底的尺寸进行估算。
  节点和汇水子流域的关联关系也是收集资料的一个重要组成,亦可按道路网、山谷线等确定节点和汇水子流域的关联关系,在关联过程中可能还需进一步修改初次划分的汇水子流域,故该过程应结合汇水子流域划分交互进行。
  降雨为瞬时变化的要素,一般需要年最大日降雨量过程线信息,因此需有当地水文统计部门提供资料,若该资料缺失无法获取,但知道降雨重现期,则可用暴雨强度公式合成设计降雨雨量过程线,参看相关研究文献[2]~[5]
  对地表产流的模型参数,如霍顿公式中的最大入渗率、最小入渗率、衰减系数等,以及地面汇流模型中的不透水区洼蓄量、地表曼宁粗糙系数与不透水区相应值,若无当地统计试验资料,亦可参照相关文献设置[3]~[5]
  1.2 信息输入
  对SWMM而言,一般情况下汇水子流域、排水管渠等拓扑关系需先绘制在其交互式界面上,为保证精确性,需有参照底图。多数情况下实际工程图纸均以AutoCad等绘图工具形成dwg、dxf等格式文件,均可用AutoCad输出功能转化成为wmf、bmp等图像格式,从而能被SWMM作为参照底图加载。加载要注意比例关系,以保证在SWMM界面中按自动长度方式绘制的长度和面积的准确性,若比例不一致,可在AutoCad中按比例缩放后再输出为图像格式。准确加载背景图,充分利用自动长度方式绘制拓扑关系,可略去输入排水管渠长度及汇水子流域面积的这一极易出错、比较繁琐的工作步骤。
  1.3 运行调试
  将模型运行后的模拟情景中地面淹没、检查井溢流等情况与实际进行比较,检验模型的可靠性,若与事实差别较大,则应有针对性地检查模型的拓扑关系、要素属性、模型参数等,进行不断的率定、调试以完善排水规划模型。
  1.4结果分析
  SWMM的模拟结果可从检查井溢流、管渠超负荷、内涝严重片、冲刷严重段等几个方面分析。检查井溢流是内涝最直接的表现论文格式模板,通过分析不同时刻随降雨过程的进行检查井溢流个数的变化情况,反映内涝的严重程度。管渠超负荷则反映重力流的管渠在某段时间内变成压力流的情况,常通过分析超负荷管渠数量占总管渠数量的百分比、各管渠超负荷时间长短等反映排水管渠的非正常运行情况。内涝严重片则由检查井溢流时间长、管渠超负荷时间长的区域来反映,这类区域一般存在排水瓶颈与障碍,需有针对性地加强改造建设。冲刷严重段指流速超过管渠材料所允许的最大流速(冲刷流速)的渠段,这可能由管渠坡度过陡或管渠承担排水负荷过重所致。
  1.5方案设计
  现状排水系统模型最终调试完成后,即可将规划方案中的管渠布置在模型中,通过运行确定合理的改造、新建、扩建方案,以便安全、及时地排除山洪雨水,减轻对城市安全的威胁。
  综上,可将SWMM应用于山区城市排水工程规划的整个过程归纳为“资料收集→信息输入→运行调试→结果分析→方案设计”五个过程,其流程图见图1。
  2应用实例
  现结合SWMM在某山区城市中心城区排水工程规划中的应用实例来阐明上述理论方法技巧。如图2所示,该城区南北皆为山丘,其排水主要依赖一条穿城而过的河流,现状雨水及山洪的排水系统由相应的管道、渠道、河道共同组成:河流北部西片为老城区,以渠道为主;河流北部东片为新城区,以管道为主;河流北部沿山由一条防洪渠自西向东承担山洪排除任务;河流南部的西北片亦以渠道为主,为正在整改的老城区;其余西南部、东南部均为工业发展区,以管道为主,并自南向北修有若干防洪渠承但南部山洪排除任务。
  山区城市山区城市图1 山区SWMM排水规划建模流程图
  山区城市
  图2 某市中心城区排水工程现状图
  按以下步骤进行建模、分析、设计:
  2.1降雨曲线
  本规划SWMM建模采用降雨强度时间序列,因实测资料缺乏,依据该市极限暴雨强度公式:q=1573(1+0.483lgP)/(t+5.184)0.677
  按芝加哥降雨曲线设计降雨曲线如图3所示,数据见表1:
  
  图3 某市最大日降雨合成曲线图
  表1 某市最大日降雨合成数据表
  

时刻(h:m)

14:06

14:12

14:18

14:24

14:30

雨强(mm/h)

6.97

7.97

9.37

11.49

15.07

时刻(h:m)

14:36

14:42

14:48

14:54

15:00

雨强(mm/h)

22.37

44.19

307.24

84.19

50.40

时刻(h:m)

15:06

15:12

15:18

15:24

15:30

雨强(mm/h)

36.99

29.73

25.14

21.95

19.60

时刻(h:m)

15:36

15:42

15:48

15:54

16:00

雨强(mm/h)

17.77

16.32

15.12

14.12

13.27

其中降雨历时取14:00-16:00,共计2h;雨峰系数取r=0.4。重现期取P=20年。
  2.2地表产流
  产流主要考虑入渗影响,本规划SWMM建模采用霍顿公式:
  
  参考相关文献[3]取最大入渗率f0为76.2mm/h,最小入渗率fc为3.18mm/h,衰减系数K为0.0006。
  2.3地面汇流
  本规划SWMM建模时缺少中心城区周围丘陵和山谷地形图资料,故采用Google-Earth地形确定分水岭,进而划分山区的汇水子流域论文格式模板,城区汇水子流域则结合地形与道路确定,对最靠河且坡向河的地块认为其可自排入河而不予以考虑。
  模型参数中确定不透水区的洼蓄量取5mm,地表曼宁粗糙系数取0.015;透水区的洼蓄量取7mm,地表曼宁粗糙系数取0.030(不透水区)。特征宽度值按照“特征宽度=汇水子流域面积/流行长度”确定,地面坡度结合CAD的地形图及Google-Earth确定。
  2.4管(渠)网汇流
  SWMM中管渠截面可选择形式并输入尺寸参数,本规划SWMM建模中考虑雨水渠多为暗渠,故渠道按封闭矩形形式处理;考虑绝大多数雨水管渠为砖石材质,其曼宁系数取0.017。检查井用节点Junction表征,输入渠底标高;管渠连接condiut表征,输入其形式、尺寸;排出口用outfall表征,出口特征考虑固定水位模式,按该市水文站在最大日洪水时的水位193.25来推算算其余各排出口的水位(以河道比降1.28‰作为洪水位近似比降)。
  2.5模型构成
  按上述步骤建立的模型如图4所示,其元素构成如表2所示。
  
  图4 某市排水系统现状SWMM模型图
  表2 某市排水系统现状SWMM模型要素表
  

建模元素

元素类型

数量/值

降雨

——

1

汇水子流域

——

83

入渗模型

霍顿

——

检查井

节点

153

排出口

节点

16

管渠

连接

173

流量单位

——

L/s

流量推演方法

——

动力波

时间步长

——

30s

报告步长

——

15min

2.6内涝严重段
  

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