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城市排涝调蓄计算合理性探讨

时间:2016-03-19  作者:宋锟 刘满 范跃华

摘要:本文利用暴雨管理模型(SWMM)软件对设计排水系统进行径流模拟演算,得到排涝标准下的排涝泵站流量和调蓄池容积的对应关系。通过计算机仿真模拟和自动化设计,将成为未来城市排涝调蓄科学和合理计算的一种趋势。
论文关键词:排涝标准,暴雨雨型,流量过程线,SWMM

一 暴雨过程线

城市汇水面积一般较小,暴雨强度的空间变化可以忽略,但时程变化则非常明显,因而对洪峰流量及流量过程线都有显著影响。据测定,在汇流历时内平均雨强相同的条件下,雨峰在中部或后部的三角形雨型比均匀雨型的洪峰流量大30%以上【2,3】。而常用的小流域洪水计算推理公式采用均匀雨型,与绝大多数降雨实际情况不符,因而不能正确描述雨水汇流过程线,也就不能正确计算雨水调蓄池的容积。

如何合理地确定汇水区设计暴雨雨型,是计算与抽排泵站相配套的调蓄池容积的关键。推求降雨过程线(暴雨雨型)方法很多,笔者认为芝加哥流量过程线模型较其他模型简单实用、容易操作【4】,仅需要汇水区的暴雨强度公式和排涝标准,便可推求降雨过程线。一般从水文手册上查得设计涝区在某一重现期P下的暴雨雨量(实际观测数据),与将该P值代入暴雨强度公式计算出的相同历时下的总雨量(理论公式推算数据)是不一样的,往往前者比较小,后者比较大。例如从水文手册查得湖北天门县20年一遇一日降雨量为172.4mm【5】,而采用天门县的暴雨强度公式计算,相同重现期相同历时下的降雨量为266.1mm,比前者大50%多。两者数据不统一的主要原因是,一日降雨指时间连续并不表示降雨连续,而公式推求则是考虑24小时连续降雨。笔者认为可以通过重现期和降雨量反算出等效降雨历时,如上述天门县的20年一遇一日降雨量为172.4mm,代入暴雨强度公式算得相应的降雨历时约9小时。故将一日降雨量集中在9小时内,既能符合暴雨强度公式,又考虑了暴雨形成径流的最不利情况,因为对于总量一定的长历时降雨,连续降雨的机会和造成洪灾危害比断续降雨的大。

据岑国平等研究【4】,在连续一次降雨过程中单峰雨型占大部分,双峰或者多峰雨型很少。由于单峰降雨的雨量集中, 易引起较大洪水, 对城市排水影响较大,故应重点考虑单峰雨型。

确定了重现期和降雨历时后,就可以利用芝加哥流量过程线模型推求降雨过程线(设计暴雨雨型),其推求过程如下:

我国设计暴雨强度公式采用下式:

流量过程线 (1)

其中,q为平均暴雨强度(mm/min或L/s·hm2),A1为重现期为1年的设计降雨的雨力,C为雨力变动参数,P为设计重现期(a),td为暴雨历时(min),b、c为常数。

从式(1)可见q是一定降雨历时内的平均雨深。由于A1、C、b、c为地方常数,故设计重现期P和设计降雨历时td确定以后,就可求得设计降雨强度q。

某一区域在给定重现期P下的暴雨强度可以简化为Horner公式:

暴雨雨型 (2)

其中,iaw为平均暴雨强度,其定义是

排涝标准 (3)

其中i(t)为降雨强度随时间变化的曲线。将式2和式3合并:

城市排涝调蓄计算合理性探讨 (4)

对上式两边求微分:

流量过程线 (5)

式(5)是降雨平均强度为iaw的瞬时降雨过程线。研究表明该过程线的雨峰将出现在暴雨的开始阶段,然后逐渐减小,这与现实情况不相符合。为此,需要对该雨量过程线进行修正,使之在降雨历时的某一比例r处形成雨峰。设tb为峰前时间,ta为峰后时间,则降雨历时为:

排涝标准 (6)

分别代入式(5),有

暴雨雨型 (7)

式(7)即为芝加哥暴雨过程线模型。为确定峰值系数r,一般可以根据当地降雨过程资料统计,取多场降雨的平均值:

城市排涝调蓄计算合理性探讨 (8)

其中tj是峰前历时;Tj是降雨总历时;m是所统计降雨场数。国内外大量资料表明,大部分地区的r= 0.3~0.5, 因此缺乏资料时可近似取r=0.4。

以天门县20年一遇一日降雨为例,利用芝加哥暴雨模型进行降雨过程模拟。查得天门县暴雨强度公式为:

暴雨雨型 (9)

其中P=20,t=9小时,峰值系数r=0.4,以15分钟为单位时间间隔,模拟降雨过程线如图1。

排涝标准

图1 天门县20年一遇一日降雨过程线模拟

(等效为9小时连续、非均匀降雨)

传统推理法是假设降雨历时的各时刻是等雨强的,其降雨过程线将是平均降雨强度为19.15mm/h的水平线。可见图1的峰值雨强(299mm/h)是平均雨强的15.65倍,这就是造成相同降雨总量、相同降雨历时却不同洪峰流量的主要原因(另有汇流、调蓄等其它因素的影响)。

二 径流模型

我国现行的推理公式算法在推导地面雨水产汇流过程线时,有不少简化的假定都与实际情况相差较大,例如恒定降雨(均匀雨强)假设,将流域按等流时线划分的假设,汇水面积随着降雨历时的增加而线性增加的假设,降雨历时等于或者大于汇水面积最远点的雨水到达设计断面的集水时间的假设,水流状态为恒定均匀流的假设,径流系数采用综合值等。

美国环境保护局的雨洪管理模型(SWMM)是一个综合性的数学模型, 可以模拟完整的城市降雨径流过程, 包括地面径流和排水系统中的水流和雨洪调蓄过程,可以显示系统内和受纳水体中各点的水流和水质状况。通过计算机模拟,可以对水动力学进行修正,考虑连续性的影响,考虑暴雨强度变化对流域汇水时间的影响,考虑非恒定非均匀流态,考虑汇流地域透水区和不透水区情况,考虑排水管网不同组件之间以及管网水流与受纳水体之间的交互作用。对模拟对象进行时序上连续性模拟,可以得到更加符合实际的设计数据,进而实现系统运行性能的优化管理控制【6,7】。

SWMM径流模拟软件由5个模块组成。4个计算模块分别为径流模块 ( Runoff ),输送模块(Transport),扩充输送模块(Extran)和储存/处理(Storage/ Treatment),可以对地面径流、排水管网及污水处理单元等的水量水质进行动态模拟。1个服务模块的主要功能是进行一些计算后的处理,如统计、绘图等。软件操作界面如图2所示。

SWMM

图2 EPA SWMM5.0径流模拟软件界面

使用 SWMM进行模拟的基础工作包括输入降雨时间序列、管网概化、提取各个子流域的土地利用信息和模型参数确定等四个部分。

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