基于水力模型的城市排水管網(wǎng)能力評(píng)價(jià)體系的探討

謝文敬

摘要：在洪澇災(zāi)害頻發(fā)背景下，排水系統(tǒng)能力分析與評(píng)價(jià)日益重要，受限于傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ降墓芾頊笮?，本文?jiǎn)介水力模型的基本原理，提出了基于水力模型的排水系統(tǒng)能力評(píng)價(jià)體系的嘗試探討，為相關(guān)管理部門提供了排水系統(tǒng)管理的新途徑。

關(guān)鍵詞：洪澇災(zāi)害;城市排水系統(tǒng);水力模型;管網(wǎng)能力評(píng)價(jià)

一、研究區(qū)域概況

本次研究選取武漢市某雨水分區(qū)為評(píng)價(jià)對(duì)象，該區(qū)域現(xiàn)狀總匯水面積53.1平方公里，匯流范圍東起解放大道沿線，西至姑嫂樹路和新華路，北臨張公堤，南達(dá)漢江。

根據(jù)地形地勢(shì)該區(qū)域分為高排系統(tǒng)與低排系統(tǒng)兩個(gè)區(qū)域，現(xiàn)狀已建主干管涵約161公里，主干明渠11.8公里。由于系統(tǒng)出口泵站后湖二期和后湖三期的服務(wù)范圍和入口渠道不同，并且其起排水位相差約2米，故分為高排系統(tǒng)和低排系統(tǒng)兩個(gè)子匯水區(qū)。

該區(qū)域匯水范圍大，排水管網(wǎng)較長(zhǎng)，目前主要依靠傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)式運(yùn)維模式，存在多處區(qū)域內(nèi)澇情況。本次采用InfoWorks ICM模型軟件對(duì)該區(qū)域進(jìn)行水力建模，可視化評(píng)析評(píng)價(jià)排水系統(tǒng)薄弱環(huán)節(jié)，為相關(guān)部門提供科學(xué)指導(dǎo)。

二、模型構(gòu)建

（1）設(shè)計(jì)雨型

根據(jù)武漢市暴雨強(qiáng)度公式，根據(jù)重現(xiàn)期可分為以下幾類：

0.5a-10a重現(xiàn)期下的暴雨強(qiáng)度公式為

0a-50a重現(xiàn)期下的暴雨強(qiáng)度公式為

100a重現(xiàn)期的暴雨強(qiáng)度公式為

式中：q—設(shè)計(jì)暴雨強(qiáng)度[L/（s.hm2）];

P—重現(xiàn)期（a）;

t—降雨歷時(shí)（min）;

本次采用1a、2a、3a、5a、10a、20a、30a、50a這8個(gè)重現(xiàn)期分別模擬排水管網(wǎng)排水的狀況。采用芝加哥暴雨雨型【1】設(shè)計(jì)人工降雨過程曲線，如下所示

瞬時(shí)降雨強(qiáng)度曲線如圖1至圖8所示。

（3）概化結(jié)果

通過提取cad，gis數(shù)據(jù)庫(kù)中的管網(wǎng)與下墊面數(shù)據(jù)，將其導(dǎo)入模型軟件，排水系統(tǒng)概化結(jié)果：管段根數(shù)共有965根，管網(wǎng)的總長(zhǎng)度有180522.2米，管段的管徑最小的為600mm，最大的管徑為34*3的明渠，主要的檢查井節(jié)點(diǎn)有897個(gè)，排水出口有3個(gè)，節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的檢查井的井室的底深最小的為16.4，最大的為23.97，有2個(gè)泵站前池。

三、評(píng)價(jià)實(shí)施

（1）評(píng)價(jià)指標(biāo)

本文選取四個(gè)高層次指標(biāo)：u1淹水的面積比例、u2溢水的節(jié)點(diǎn)數(shù)比例、u3超負(fù)荷管段的數(shù)量比例、u4單位匯水面積溢出水量;2個(gè)低層次指標(biāo)：其中u1淹水面積比分為3類，u11水深度為0-0.15輕微積水區(qū)，u12淹水深度為0.15-0.4的輕微內(nèi)澇區(qū)，u13淹水深度大于0.4的嚴(yán)重內(nèi)澇區(qū)。u2溢水的節(jié)點(diǎn)數(shù)比分為5類u21一級(jí)0-1000m3，u22二級(jí)1000-5000 m3，u23三級(jí)5000-10000 m3，u24四級(jí)10000-50000 m3，u25五級(jí)50000 m3。分別對(duì)8個(gè)重現(xiàn)期即1a、2a、3a、5a、10a、20a、30a、50a排水系統(tǒng)能力進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)

（2）評(píng)價(jià)權(quán)重

對(duì)于高層次的評(píng)價(jià)指標(biāo)采用比較矩陣法【2】確定權(quán)重，經(jīng)解得的權(quán)重體系為a=（0.45501，0.141145，0.141145，0.2627）。對(duì)于低層次的評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重體系采用專家打分法，淹水面積u1的子評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重體系為w1? =（w11 ，w12， w13）=（0.2，0.3，0.5），溢水節(jié)點(diǎn)數(shù)比的子評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重體系為w2=（w21，w22，w23，w 24，w25）=（0.05，0.1，0.15，0.3，0.4）。

（3）評(píng)價(jià)結(jié)果

將區(qū)域根據(jù)高低排系統(tǒng)位置劃分右上角區(qū)域與左上角區(qū)域，評(píng)價(jià)結(jié)果如下

低層次指標(biāo)的綜合評(píng)價(jià)

根據(jù)水力模型模擬結(jié)果，u1淹水的面積比例原始值為

u1的評(píng)價(jià)結(jié)果

同理評(píng)價(jià)指標(biāo)u2? ? 評(píng)價(jià)結(jié)果

高層次評(píng)價(jià)指標(biāo)的評(píng)價(jià)

將選取四個(gè)指標(biāo)對(duì)兩片區(qū)域排水系統(tǒng)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)結(jié)果如下：

通過綜合評(píng)價(jià)值可以看出重現(xiàn)期越大其值越大，說明其災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)的可能性越大，通過比較不同重現(xiàn)期的降雨時(shí)右上角與左下角主要管道的綜合評(píng)價(jià)值，可以看出左下角的綜合評(píng)價(jià)值都比右上角的綜合評(píng)價(jià)值小即風(fēng)險(xiǎn)較小，此結(jié)論風(fēng)險(xiǎn)分布圖上直觀表達(dá)的一致。

四、結(jié)論

通過對(duì)研究區(qū)域的水力建模分析，掌握了排水系統(tǒng)模型構(gòu)建的基本方法路線，對(duì)基于水力模型的排水系統(tǒng)綜合評(píng)價(jià)研究提出了嘗試與探討，并運(yùn)用于武漢市某排水區(qū)域?qū)嶋H案例研究，結(jié)果顯示該評(píng)價(jià)體系基本能夠反映該區(qū)域排水系統(tǒng)的實(shí)際排水能力，為其他區(qū)域排水系統(tǒng)能力評(píng)價(jià)提供了理論參考。

本次研究在基礎(chǔ)數(shù)據(jù)獲取與模型校核方面不足存在，希望相關(guān)部門對(duì)排水管網(wǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的規(guī)范和管理，且在往后研究中加強(qiáng)模型的校核工作，有條件的情況下，多設(shè)置在線監(jiān)測(cè)點(diǎn)，不斷修正模型的參數(shù)和邊界條件。

參考文獻(xiàn)：

[1]金光炎， 朱元生.城市水文學(xué). 北京： 中國(guó)科學(xué)技術(shù)出版社， 1991： 101-129.

[2]王磊. 基于模型的城市排水管網(wǎng)積水災(zāi)害評(píng)價(jià)與防治研究[D].北京工業(yè)大學(xué)，2010.

（作者單位：中工武大設(shè)計(jì)研究有限公司）