2D排水模型在排水工程中的應用探討

李文濤,隋 軍,牛 櫻,周建華,劉成林,譚錦欣

(廣州市市政工程設計研究院,廣東廣州 510060)

2D排水模型在排水工程中的應用探討

李文濤,隋 軍,牛 櫻,周建華,劉成林,譚錦欣

(廣州市市政工程設計研究院,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,分析評估現(xiàn)狀管道水力運行狀況,找出內澇的原因,制定有針對性的解決方案,并利用水力模型對設計方案進行校核,保證方案的合理性和可行性?，F(xiàn)通過實例介紹2D排水模型在城市排水工程中的應用方法和具體流程,可為其他地區(qū)模型應用提供參考。

排水管網(wǎng);2D模型;數(shù)據(jù)組織;設計降雨

0 前言

排水管網(wǎng)水力建模是一門集排水工程、計算機、信息為一體的新技術。管網(wǎng)設計和運行人員可以借助水力模型在計算機平臺上仿真模擬現(xiàn)狀排水管網(wǎng)運行狀態(tài),分析評估管網(wǎng)的排水能力和過流狀態(tài),直觀準確地找出現(xiàn)狀管網(wǎng)的薄弱環(huán)節(jié),并結合實際可實施性,在水力模型平臺上制定解決方案,為設計改造提供決策支持［1］。2D模型可以更加仿真模擬管道流體轉輸與地表漫流之間的交互關系,使計算結果更加準確。本文通過介紹分析2D水力模型在廣州市FY路排水工程設計中的具體應用實例,為2D水力模型的普及應用提供參考。

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)設計方法是基于極限強度理論的推理公式法,每個管道設計斷面只計算極限流量,不能準確反映排水系統(tǒng)真實的運行狀態(tài)。基于St.Venant方程［2］的排水管網(wǎng)水力模型包含降雨模塊、地表產匯流模塊和管道轉輸模型等,各模塊之間有機結合,是一個時間序列函數(shù)組合,可以模擬排水管網(wǎng)中真實準確的水流狀況,找出排水系統(tǒng)中瓶頸管段,分析過流能力不夠,以及水浸內澇的原因。

式中:Q——流量,m3/s;

A——過水斷面面積,m2;

v——管內流速,m/s;

h——管內水深,m;

t——時間,s;

x——距離,m;

Sf——摩阻坡度;

S0——底坡;

q——單位長度旁側入流量,m3/s;

g——重力加速度。

2D模型除了具有1D模型管道內一維流體線性模擬變化過程外,還可以模擬地表漫流過程,即管道內水流溢出地面后,在地面的漫流過程,可以模擬計算出地表低洼蓄水量、地表淹沒水深、水浸影響范圍及時間等。2D模型計算引擎基于淺水流動方程,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,計算方程如下:

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 建模技術路線

2D排水管網(wǎng)水力模型的建立及應用,首先需要建?；A數(shù)據(jù)收集、整理進入模型數(shù)據(jù)庫,獲得連接關系、高程數(shù)據(jù)正確的基礎數(shù)據(jù)。利用降雨數(shù)據(jù)、關鍵節(jié)點的流量、水位等動態(tài)實測數(shù)據(jù)對模型進行計算校核。校核準確的模型可輔助城市排水管網(wǎng)設計及運行,圖1所示是城市排水管網(wǎng)水力建模技術路線。

圖1 城市2D排水管網(wǎng)水力建模技術路線圖

2 實例片區(qū)簡介

廣州市FY路是花都新華舊城區(qū)主要的東西向道路,東西全長約397 m,路寬15～18 m,連接東側的花城北路與西側的建設北路兩條主干道,是周邊區(qū)域出行的必經之路。北側DN500合流管接至建設北路DN1000排水管,DN300合流管接至花城北路DN600排水管,南側自東向西DN300～500合流管接至建設北路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)機構。近年來暴雨時水浸嚴重,最大水浸深度達0.5 m,嚴重影響FY路周邊居民交通出行、生活生產秩序。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。實施該項雨水管道改造工程顯得十分迫切。現(xiàn)狀排水管渠連接關系如圖2所示。

圖2 區(qū)域現(xiàn)狀排水管渠連接關系示意圖

3 水力模型建立

該項工程利用英國InfoWorks ICM商業(yè)建模軟件建立起FY路排水管網(wǎng)2D水力模型,利用設計降雨數(shù)據(jù)輸入進行模擬計算,并用歷史水浸信息對模型進行初步校核。利用校核的模型對現(xiàn)狀排水管道進行分析,評估現(xiàn)狀排水標準,找出系統(tǒng)薄弱點和瓶頸管段。結合現(xiàn)狀實際條件提出改造設計方案,利用水力模型平臺校核設計方案,保證方案的合理性和可行性。

3.1 水力模型拓撲結構建立

利用勘察測繪的管線數(shù)據(jù)作為模型拓撲結構輸入數(shù)據(jù),基礎數(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)計信息如表1所列。

表1 建模管網(wǎng)數(shù)量表

數(shù)據(jù)通過CAD數(shù)據(jù)分層整理后,導入模型軟件,經過拓撲關系檢查,獲得模型的空間屬性數(shù)據(jù)。同時根據(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1∶500高程點數(shù)據(jù),局部低洼易澇點進行高程點加密處理,得到高程點x-y-z字段文本文件,導入模型得到地表DEM數(shù)字高程模型,基于地表高程模型進行網(wǎng)格化處理(最小三角網(wǎng)格面積2 m2),建立工程范圍內2D排水模型(見圖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

強度設計降雨作為水力模型計算分析必要的雨量輸入邊界條件,降雨強度及降雨過程線是影響強度設計降雨的重要因素。降雨強度是由當?shù)乇┯陱姸裙接嬎愕玫?降雨過程線采用國內外廣泛使用的Keifer & Chu雨型(芝加哥雨型),根據(jù)某一特定的重現(xiàn)期下降雨強度和降雨歷時的關系式,即由暴雨強度公式推得而來的一種不均勻的雨量過程線。Keifer & Chu雨型由于受歷時的限制,一般小于2 h。

采用工程范圍內的暴雨公式計算,由于該項工程設計重現(xiàn)期標準為5 a,因此按照5 a重現(xiàn)期的單一重現(xiàn)期暴雨強度公式進行計算,具體為:

式中:q——暴雨強度,L/(s·hm2)。

芝加哥雨型只有雨峰位置一個參數(shù),估算r的方法,是對一組各種歷時的次暴雨計算最大強度時間與暴雨歷時之間的比值,按照各次降雨歷時加權平均后,這個比值的均值作為r的值。根據(jù)近52 a降雨資料,對采集到的120 min雨峰位置系數(shù)的基本情況見表2所列,從表2可以看出,雨峰位置的統(tǒng)計平均值為0.479,近似取r= 0.48。采用5 a一遇120 min降雨(總降雨量95 mm)進行模擬計算(見圖6)。

3.3 模型參數(shù)設置

地表產流模型:由于該項工程位于城區(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)計表

圖6 5 a一遇120 min降雨過程線柱狀圖

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進行初始化設置。

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,設置100 mm～300 mm。

4 模型計算分析

4.1 管網(wǎng)運行分析評估

基于搭建的2D模型模擬計算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一遇排水標準。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,嚴重影響周邊車輛行人通行。計算結果與現(xiàn)場調查信息基本一致,證明模型計算結果可信。造成水浸的主要原因是:(1)FY路地勢較低,平均地面標高約9.8～9.9 m,較周圍地塊地面標高低0.2～0.3 m,暴雨時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,最大過流能力僅120 L/s,過流能力嚴重不足;(3)雨水口偏少,都是平入式單篦,加之淤塞嚴重,暴雨時地面徑流收集能力不足,造成地面積水(見圖7、圖8及表3)。

圖7 FY路1 a一遇降雨過程內澇風險圖

圖8 FY路5 a一遇降雨過程內澇水浸風險圖

表3 FY路排水現(xiàn)狀計算水浸影響面積統(tǒng)計表

4.2 設計方案校核

針對FY路排水管渠管徑偏小,排水標準偏低,地面雨水口偏少,收水能力不足導致暴雨水浸,該項工程擬沿FY路自東向西新建排水管道d800,L=230 m;d1350,L=277 m,接至建設北路已建BXH=2.0×1.2排水渠箱,并增設地面雨水口,擬將FY路排水標準提高至5 a一遇。利用水力模型對工程方案進行模擬分析,該項工程設計標準是5 a一遇排水標準。圖9、圖10是工程實施后排水管渠在5 a-120 min降雨條件下運行狀態(tài)平面圖,整條管道運行狀況良好,FY路沒有發(fā)生水浸內澇,設計方案滿足排水標準要求。

圖9 FY路排水管方案示意圖

圖10 方案實施后FY路5 a一遇降雨過程內澇風險圖

5 結語

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

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

［1］ 周建華,李文濤.水力模型在城市排水管網(wǎng)改造設計中的應用［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,從事給排水工程設計與管網(wǎng)建模工作。