运用数学模型分析城市雨水强排系统管网末端出流量与降雨量的关系

第1期（总第208期）2020年2月CHINAMUNICIPALENGINEERINGNo.1(SerialNo.208)Feb.202046运用数学模型分析城市雨水强排系统管网末端出流量与降雨量的关系史佳媛，陈轶，励建全[上海市城市建设设计研究总院（集团）有限公司，上海200125]收稿日期：2019-10-12第一作者简介：史佳媛（1990—），女，工程师，硕士，主要从事市政给排水规划与设计工作。摘要：利用InfoWorksICM软件建立典型强排雨水系统水力模型，对系统末端自由出流量进行2D模拟，并加载绿、蓝等源头设施，对比不同降雨事件下现状和规划方案系统末端出流曲线与降雨量的关系。通过研究发现，强排系统天然存在一定的延缓峰值及削峰作用，加载绿、蓝设施能够加强排水系统缓排及削峰作用，从而提高排水系统的承受能力。关键词：强排系统；数学模型；出流曲线；降雨中图分类号：TU992.1文献标识码：A文章编号：1004-4655（2020）01-0046-04DOI:10.3969/j.issn.1004-4655.2020.01.012近年来，全球气候变暖、城市化快速发展带来极端降雨事件频发、径流总量和径流系数增大，同时老城区管网建设标准偏低，这一系列因素造成城市暴雨内涝风险增加。研究强排系统管网末端出流曲线与降雨的关系，对于分析城市雨水强排系统的排水随降雨历时的变化及各类提标措施的选择具有重要的意义。1概况1.1典型系统MY排水系统为上海市中心城区某强排系统，服务面积163hm2。系统服务范围内城市建设用地基本已开发，用地性质以居住用地和公共绿地为主（见图1）。根据最新航片和地形图等资料，对该排水系统下垫面进行了解析，推算系统现状综合径流系数为0.73。排水系统整体地势南高北低、东高西低，现状地面高程为2.5~5.5m（吴淞高程，见图2）。MY系统内雨水排水系统已按照原规划建成，系统管网现状建设标准的设计暴雨重现期P=5a，系统内的雨水经管网收集后通过末端雨水泵站提升至排水系统东部边界河道，主干管的管径为φ800~φ2460mm，最新规划要求提高排水标准为P=5a。图1MY系统现状用地图图2MY系统现状高程图1.2规划提标方案由于MY系统现状基本为开发建设地块,为达到最新的排水标准，大规模的翻排现状管道实施难度较大，规划采用以绿色设施、蓝带方案相结合的方式实现系统提标。绿色设施指利用道路及地块内部设置带有地下调蓄模块的低影响开发设施，以人行道透水铺装、生物滞留池等为主。蓝带方案基于系统内河道存在一定调蓄容量，具体做法指在系统临河80m范围内，设置管网及泵站连接绿色设施，将绿色设施净化后的水直排入河。通过识别该地块现状绿地布局布置绿色设施。根据分析，为利用河道调蓄容量，需增加排河泵站流量1.26m3/s，绿、蓝设施规模数量见表1、表2。MY系统规划提标472020年第1期史佳媛，陈轶，励建全：运用数学模型分析城市雨水强排系统管网末端出流量与降雨量的关系方案示意图见图3。表1MY系统规划绿色设施数量表类型数量面积/m2绿色屋顶436680垂直绿化691729多功能滞留塘203365多功能自行车道183698街道透水铺装2574889人行道透水铺装50512138植草沟7716783生物滞留塘444447表2MY系统规划蓝色设施规模表类型流量/（m3·s-1）增加排河泵站流量1.26新建小型雨水泵站，服务沿河500m×80m范围图3MY系统规划提标方案示意图2研究思路选择中心城区典型排水系统，依据排水系统管道设计基础资料，利用InfoWorksICM（IntegratedCatchmentModeling）模型建立排水系统数学模型。根据模型导出的现状管网末端管段自由出流流量曲线、系统面积和径流系数，换算得出系统末端总管出流当量雨量曲线，与降雨量随降雨历时变化进行对比分析。利用模型加载系统规划提标方案，对比分析加载提标设施前后排水系统末端总管出流当量雨量随降雨历时变化。3模型建立3.1InfoWorksICM模型InfoWorksICM模型是由WALLINGFORD软件公司开发的世界上第一款城市排水管道及河道的1D水力模型，并基于浅水方程与不规则三角形网络建立起城市洪涝淹没模型，既能完整地模拟城市降水径流过程，又能反映排水系统与地表水体的相互作用。InfoWorksICM功能完备，模块众多，本文主要涉及水文模块、管道水力学模块和2D城市洪涝淹没模块3个部分。其中，产流模型选用HORTON模型，汇流模型选用SWMM非线性水库方程[1]。管渠水动力模型基于一维圣·维南方程，重力流（非满流）基本计算方程见式（1）。∂A∂Q+=0∂t∂x∂Q∂Q2∂yQ|Q|+（）+gA（cosθ-S0+）=0∂t∂x