排水管网的公式法设计与模型模拟效果分析-张翼强

第３３卷第２期２０１５年２月水电能源科学ＷａｔｅｒＲｅｓｏｕｒｃｅｓａｎｄＰｏｗｅｒＶｏｌ．３３Ｎｏ．２Ｆｅｂ．２０１５文章编号：１０００－７７０９（２０１５）０２－０１０５－０３排水管网的公式法设计与模型模拟效果分析张翼强，吕梅，王庆国（四川大学建筑与环境学院，四川成都６１００６５）摘要：为对比分析小面积排水管网公式法与数学模型模拟效果之间的差异，分别采用传统推理公式法和ＳＷＭＭ模型结合芝加哥降雨过程线对一小汇水面积片区的排水管网系统进行设计和模拟计算，对比分析了两者管道流量、节点水深的差异及峰值排水过程。结果表明，两者管道流量峰值相近，模拟的最大节点水深略高于公式法设计值，可见对小汇水面积而言，按公式法设计的管网系统能满足相应重现期的排水过程要求。关键词：排水管网；推理公式法；ＳＷＭＭ；小汇水面积中图分类号：ＴＵ９９２．１文献标志码：Ａ收稿日期：２０１４－１０－２８，修回日期：２０１４－１２－０２作者简介：张翼强（１９８９－），男，硕士研究生，研究方向为城市防洪、排涝与降雨径流模拟，Ｅ－ｍａｉｌ：６１６６１７５５４＠ｑｑ．ｃｏｍ通讯作者：王庆国（１９７４－），男，博士、副教授，研究方向为城市排水与水力模拟等，Ｅ－ｍａｉｌ：ｗａｔｅｒｃａｄ＠ｓｉｎａ．ｃｏｍ１引言随着城市化进程的快速推进，城市范围持续扩展，由于前期规划的限制和管理思维的滞后，近年来城市内涝灾害频现，因此科学合理地计算城市雨水径流过程，加强城市防洪排涝工程建设迫在眉睫［１］。我国大多数雨水系统设计沿用前苏联设计理论制定的设计规范，其核心为恒定均匀流推理公式法［２］，这与真实的排水过程并不相同，随着技术的进步，管渠直径放大、水泵能力提高，排水系统负担汇水面积逐步扩大，发达国家将排水管渠作为一个系统考虑，用数学模型对管网进行模拟评估［３～５］。但短时间内全部运用成本较高的模型计算并不现实，对于较小面积的排水系统而言，传统公式法与数学模型模拟过程的差异，非常值得研究。鉴此，本文运用传统推理公式法对小面积的排水区域进行排水系统设计，并采用暴雨管理模型［６］（ＳＷＭＭ）对其设计系统进行模拟运行，对比分析模拟结果与传统公式法设计的水力参数，以此来分析两种方法的差异性。２研究区概况与研究方法２．１区域概况研究区域布局见图１，总汇水面积Ａ为２４０ｈｍ２，地形坡度为１．５‰。区内排水管网主要沿道路垂直于等高线布设，整个模拟区域共划分为６０个排水小区（每个小区面积４ｈｍ２）、７０个节点、７０条管道和一个出水口。图１研究区域排水系统设计示意图Ｆｉｇ．１Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍｏｆｔｈｅｄｒａｉｎａｇｅｓｙｓｔｅｍｄｅｓｉｇｎｏｆｔｈｅｓｔｕｄｙａｒｅａ２．２传统公式法设计参数在我国排水管渠设计中，暴雨强度公式为：ｑ＝１６７Ａ１（１＋ＣｌｇＰ）／（ｔｄ＋ｂ）ｎ（１）式中，ｑ为设计暴雨强度，Ｌ／（ｓ·ｈｍ２）；Ｐ为设计降雨重现期，ａ；ｔｄ为暴雨历时，ｍｉｎ；Ａ１、ｂ、Ｃ、ｎ均为地方参数，根据统计方法进行计算确定。该研究区设计重现期Ｐ取３年，地面集水时间取１０ｍｉｎ，径流系数取０．７，按《室外排水设计规范》［２］暴雨历时ｔ考虑地面集水时间和管道内径流时间，不考虑管道的折减系数。管底坡比采用地面坡比１．５‰，得到管网主线最小管径为１．０ｍ圆管，最大为４．４ｍ×３．４ｍ箱涵，主干管Ｙ１－Ｙ６１－Ｙ６２－Ｙ７１管线长２．６ｋｍ。２．３模型降雨过程线模型降雨系列采用芝加哥降雨过程线，计算公式为：ｉ（ｔｂ）＝ａ（１－ｃ）ｔｂ／ｒ＋［］ｂｔｂ／ｒ＋（）ｂ１＋ｃ（２）ｉ（ｔａ）＝ａ（１－ｃ）ｔａ／（１－ｒ）＋［］ｂｔａ／（１－ｒ）＋（）ｂ１＋ｃ（３）其中ａ＝１６７Ａ１（１＋ＣｌｇＰ）式中，ｉ（ｔｂ）、ｉ（ｔａ）分别为峰前、峰后时间序列；ｒ为雨峰系数（０＜ｒ＜１），描述降雨峰值发生的时间；ａ在同一重现期下为常数。利用式（１）求得指定频率下所需历时的设计雨量后，可通过式（２）、（３）求得设计暴雨的时程分配［７］。与公式法对应，拟定出重现期为３年、降雨历时为１２０ｍｉｎ、总降雨量为６４．２ｍｍ的降雨过程线，雨峰系数取０．５。２．４模型参数设置模型中每个排水小区分为透水区域和不透水区域两部分，不透水区面积比例取７０％，不透水区和透水区曼宁系数分别取０．０１４、０．１５０，填洼量分别取２、４ｍｍ；采用Ｈｏｒｔｏｎ法计算入渗，最大、最小入渗率分别取７５、１２ｍｍ／ｈ。管网汇流过程采用动力波法计算。３结果与分析３．１管道流量城市雨水管道设计中，管道满管重力流时流量Ｑ０作为其设计排水能力，ＳＷＭＭ模型计算所得的管道峰值流量为Ｑ１，推理公式法的设计流量为Ｑ２，Ｑ１、Ｑ２与Ｑ０的比值分别为Ｎ１、Ｎ２。公式法设计流量与模型模拟结果对比见图２。由图２可看出，二者结果较为接近。根据设计要求，在设图２设计流量与峰值流量对