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    基于GIS 和SWMM 模型的城市內(nèi)澇水文規(guī)律分析

    2022-10-19 03:45:42田子陽褚俊英周祖昊林永壽蔣云鐘
    人民黃河 2022年10期
    關(guān)鍵詞:能力模型

    田子陽,褚俊英,周祖昊,林永壽,蔣云鐘

    (1.中國水利水電科學(xué)研究院 流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國家重點實驗室,北京 100044; 2.加州大學(xué)戴維斯分校,加州 戴維斯 95616; 3.青海西寧環(huán)境綜合治理利用世行貸款項目建設(shè)辦公室,青海 西寧 810001)

    隨著社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展與人口規(guī)模不斷擴(kuò)大,城鎮(zhèn)化水平穩(wěn)步提升,同時多變量綜合影響下也引發(fā)了一系列水文效應(yīng)。 一方面,全球氣候變暖所帶來的“熱島”“雨島”等效應(yīng)導(dǎo)致城市暴雨頻率和強(qiáng)度不斷提高;另一方面,城市下墊面不斷硬化,不透水面積顯著增加,原有老舊管道設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)低(設(shè)計時采用舊有系數(shù)進(jìn)行計算,簡化了很多雨水管道的水文現(xiàn)象[1])、排水需求急劇增大等原因使其需要進(jìn)行提標(biāo)改造,而考慮到經(jīng)濟(jì)性與區(qū)域因素,老舊管道分布較多的老城區(qū)不適宜大面積鋪設(shè)新管[2]。 因此,進(jìn)行城市尺度水文規(guī)律分析具有較高的應(yīng)用價值。

    此前,對于水文規(guī)律的研究多集中于流域尺度[3-5],研究方法較為單一,通常為GIS 分析法[5-7]和數(shù)學(xué)模型法[8-9]。 其中GIS 分析法對源數(shù)據(jù)的精確度要求較高,而數(shù)學(xué)模型法雖然有多種建模方法,但各類方法均有不同程度的限制,且在模型選取上存在一定的主觀性[10]。 隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,采用數(shù)學(xué)模型模擬城市暴雨逐漸成為城市水文分析的趨勢。 美國環(huán)境保護(hù)署(EPA)提出的第一個較為完善的暴雨雨洪模型SWMM 因其開源、可不斷改進(jìn)的特點被國內(nèi)外學(xué)者廣泛應(yīng)用于城市暴雨雨洪模擬與城市水文分析,如Brendel 等[11]采用SWMM 與GSSHA 模型對比分析羅阿諾克市內(nèi)兩個相鄰社區(qū)的水文響應(yīng)關(guān)系,結(jié)果表明SWMM 模型在提供城市雨水管網(wǎng)水力條件詳細(xì)信息方面具有較高價值;盧垚等[12]利用SWMM 模型對子匯水區(qū)的地表產(chǎn)流、徑流系數(shù)、徑流峰值等雨洪特征展開研究。 隨著智慧城市建設(shè)的推進(jìn),目前研究多集中于三方面:①對氣象衛(wèi)星、遙感觀測、城市管網(wǎng)等多源可視化數(shù)據(jù)的整合[13-14];②水文水動力學(xué)模型的架構(gòu)與緊密耦合方法,如提高城市產(chǎn)匯流計算精度[15-16]、建立能夠適應(yīng)復(fù)雜城市下墊面的城市水文模型[17]等;③對水文水動力學(xué)模型的參數(shù)率定及算法優(yōu)化[18]。

    綜上,系統(tǒng)地分析城市水文規(guī)律的重要性日益凸顯[19]。 考慮到研究區(qū)西寧市缺乏先進(jìn)的水文分析方法和完備的水文規(guī)律資料,筆者基于GIS 和SWMM 模型構(gòu)建城市水文水動力學(xué)模型對研究區(qū)內(nèi)地表產(chǎn)匯流平衡、出口流量、節(jié)點溢流情況等水文規(guī)律進(jìn)行分析,并提出一種基于實際傳輸流量與排水能力關(guān)系的分區(qū)排水能力評估方法。

    1 計算模型

    1.1 模型結(jié)構(gòu)

    構(gòu)建城市水文水動力學(xué)模型,對城市水循環(huán)過程進(jìn)行量化模擬,該模型由4 個子模型構(gòu)成,具體包括基于GIS 的城市水文響應(yīng)單元(Hydro-logical Response Unit,HRU)劃分子模型、城市降雨產(chǎn)流子模型、城市坡面匯流子模型、城市排水系統(tǒng)子模型。 這些子模型之間的關(guān)聯(lián)和耦合如圖1 所示。 其中,城市降雨產(chǎn)流子模型和城市坡面匯流子模型主要采用水文學(xué)方法計算,城市排水系統(tǒng)子模型采用一維水動力學(xué)方法計算。

    圖1 城市水文水動力學(xué)模型總體框架

    基于上述各子模型的模擬結(jié)果,可以對研究區(qū)內(nèi)的雨量平衡進(jìn)行計算,具體公式如下:

    式中:i為降雨強(qiáng)度,mm/h;fp為當(dāng)前下滲能力,mm/h;dt為時間,h;StR為研究區(qū)總調(diào)蓄量,m3;R為地表徑流量,mm;AR為研究區(qū)總面積,m2;O為出口總量,m3;F為溢流總量,m3;SR為研究區(qū)管道存余總量,m3。

    1.2 子模型

    1.2.1 基于GIS 的城市水文響應(yīng)單元劃分子模型

    城市水文響應(yīng)單元劃分子模型主要是根據(jù)研究區(qū)域的特征進(jìn)行城市水文響應(yīng)單元劃分。 現(xiàn)有城市水文響應(yīng)單元劃分方法,一方面較為依賴高精度DEM 圖,利用ArcGIS 劃分后往往不能得到理想效果,還需要進(jìn)一步調(diào)整與修正;另一方面,劃分方法較為簡單,不能與現(xiàn)有下墊面分類標(biāo)準(zhǔn)匹配。 故本文基于GIS,綜合土地利用類型和對應(yīng)不透水率參數(shù)進(jìn)行HRU 劃分。

    主要操作流程為:①獲取研究區(qū)土地利用圖;②根據(jù)《土地利用現(xiàn)狀分類》(GB/T 21010—2017),利用ArcGIS 對各下墊面分類進(jìn)行修正;③依據(jù)《城市內(nèi)澇防治規(guī)劃標(biāo)準(zhǔn)》中不同下墊面類型的不透水率,在ArcGIS 中對研究區(qū)內(nèi)各HRU 進(jìn)行分類并批量賦值。該方法的優(yōu)點是:①擺脫現(xiàn)有研究較為依賴城市高精度DEM 圖的問題;②依據(jù)土地利用類型劃分的HRU較為規(guī)整,下墊面類型一致,擺脫了原有HRU 繁雜的調(diào)整操作,提高了HRU 刻畫精度的同時減少了工作量;③依據(jù)土地利用類型圖劃分的HRU 與城市管道分布圖往往較為契合,同時其包含的建筑范圍可以利用ArcGIS 對DEM 圖進(jìn)行修正[20],以滿足二維模型建模需要。

    1.2.2 城市降雨產(chǎn)流子模型

    城市降雨產(chǎn)流子模型主要對城市降雨產(chǎn)流過程進(jìn)行模擬。 降雨產(chǎn)流是指降雨扣除損失產(chǎn)生凈雨的過程。 在HRU 劃分的基礎(chǔ)上,進(jìn)行城市降雨產(chǎn)流過程模擬。 本文采用SWMM 模型中將每個HRU 概化成一個非線性蓄水池的方法模擬降雨產(chǎn)流,即只有當(dāng)蓄水池蓄水量超過最大洼地蓄水量時降雨產(chǎn)流才會發(fā)生,其流量通過曼寧公式計算得出:

    式中:Q為流量,m3/s;W為HRU 的寬度,m;d為蓄水池水深,m;dp為蓄水池最大蓄深,m;S為坡度;n為曼寧糙率系數(shù)。

    對城市降雨產(chǎn)流過程的模擬中,不透水面的模擬相對簡單,而對透水面的入滲過程模擬極其重要,一般采用經(jīng)驗?zāi)P湍M該過程,SWMM 模型中提供的經(jīng)驗?zāi)P陀? 種,即徑流曲線模型、Green-Ampt 模型、Horton 模型[21]。 在大量實際應(yīng)用中,Horton 模型均取得了較好的效果[22],故本研究采用Horton 模型進(jìn)行入滲計算。 具體計算公式為

    式中:f0為最小下滲能力,mm/h;fc為最大下滲能力,mm/h;k為下滲能力衰減系數(shù),h-1;t為時間,h。

    1.2.3 城市坡面匯流子模型

    城市坡面匯流子模型主要對城市地表的匯流過程進(jìn)行模擬。 地表匯流是指降雨到地面后除去各項損失后產(chǎn)生的凈雨從產(chǎn)流區(qū)各處向雨水管網(wǎng)和河道匯集的過程。 本研究基于HRU 進(jìn)行地表匯流演算,各HRU進(jìn)行逐一匯流計算,水流進(jìn)入相應(yīng)的管網(wǎng)或河道。 本文采用SWMM 模型進(jìn)行城市坡面匯流過程的模擬。

    1.2.4 城市排水系統(tǒng)子模型

    城市的排水系統(tǒng)由入水口(雨水篦子)、地下排水管網(wǎng)和出水口處排水泵站、河道等組成。 SWMM 模型中有3 種方法用于管渠匯流計算,即恒定流法、運(yùn)動波法和動力波法,具體如下:①恒定流法,假定水流在每一時刻的流動都是恒定且均勻的,是最簡單的匯流計算方法;②運(yùn)動波法,可以模擬水流在管渠中的空間和時間變化,但不能考慮回水、各項損失、有壓流動等;③動力波法,按照求解完整圣維南方程組進(jìn)行匯流計算,可以模擬管渠回水、損失和有壓流動等,是最準(zhǔn)確但也最復(fù)雜的方法。 城市排水系統(tǒng)子模型采用動力波法進(jìn)行計算,各連接管網(wǎng)和渠道滿足連續(xù)性和動量平衡,各個節(jié)點滿足水量平衡。

    (1)連接管網(wǎng)和渠道的控制方程分為連續(xù)性方程和動量平衡方程。

    連續(xù)性方程:

    式中:K=gn2;R為過水?dāng)嗝娴乃Π霃?,m;V為流速,絕對值表示摩擦阻力方向與水流方向相反,m/s。

    (2)管網(wǎng)和渠道的節(jié)點控制方程為

    式中:Qt為進(jìn)出節(jié)點的流量,m3/s;Ask為節(jié)點的自由表面積,m2。

    考慮到實際情況中,除雨水單獨(dú)排放外,還有雨污合流的情況存在(其常見于城市內(nèi)的老城區(qū)),故在排水系統(tǒng)子模型中,為避免因忽略“雨污合流”時的排水量而導(dǎo)致雨水排水結(jié)果失真,需考慮污水流量所占據(jù)的城市排水系統(tǒng)的排水能力,即在子模型中,通過實際測量與數(shù)據(jù)輸入,對合流管道的標(biāo)高、管道內(nèi)污水流量和流速等參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)描述。

    通過對子模型模擬結(jié)果的歸納與整合,可以對研究區(qū)管道與分區(qū)排水能力進(jìn)行分析評估。 考慮到部分排水分區(qū)內(nèi)無排水口,而位于下游的分區(qū)需要承擔(dān)上游分區(qū)傳輸來的排水壓力,故需要對排水分區(qū)內(nèi)的實際傳輸流量進(jìn)行計算。 依據(jù)計算結(jié)果,本文提出一種基于實際傳輸流量與排水能力關(guān)系的分區(qū)排水能力評估方法,其核心是:在研究區(qū)的總傳輸流量及總排水能力一定的情況下,實際傳輸流量占比越大,同時不同重現(xiàn)期下排水能力占比越小,表明該區(qū)域排水能力越??;實際傳輸流量占比越小,同時不同重現(xiàn)期下排水能力占比越大,表明該區(qū)域排水能力越大,應(yīng)對不同重現(xiàn)期暴雨較為靈活。 其具體操作步驟為:①根據(jù)有關(guān)原則劃定研究區(qū)的雨水排水分區(qū);②利用ArcGIS,根據(jù)不同的降雨重現(xiàn)期,對每個分區(qū)內(nèi)的各排水口排水能力、各節(jié)點入流量進(jìn)行匯總,得到分區(qū)統(tǒng)計結(jié)果;③根據(jù)排水分區(qū)的分布及管道的流量傳輸方向,疊加計算得到各分區(qū)的實際傳輸流量;④統(tǒng)計各區(qū)實際傳輸流量占比與不同重現(xiàn)期下排水能力占比,將排水能力占比與實際傳輸流量占比相減,對結(jié)果進(jìn)行排序,即得到分區(qū)排水能力的統(tǒng)計結(jié)果。

    2 研究區(qū)域概況

    2.1 研究區(qū)域

    西寧市位于青海省東部,坐落于湟水中游河谷盆地,四面環(huán)山,三川會聚,是青海省的省會也是青海省第一大城市,是全省政治、經(jīng)濟(jì)、科技、文化、交通中心,主要的工業(yè)基地,因取“西陲安寧”之意而得名。 因其扼青藏高原東方之門戶,自古就是西北交通要道和軍事重地,素有“西海鎖鑰”“海藏咽喉”之稱。 又因其作為古“絲綢之路”南路和“唐蕃古道”的必經(jīng)之地,具有源遠(yuǎn)流長的歷史文化、得天獨(dú)厚的自然資源和絢麗多彩的民俗風(fēng)情,成為青藏高原一顆璀璨的明珠。

    依據(jù)西寧市有關(guān)資料,研究范圍包括西寧市城東區(qū)、城中區(qū)(含城南新區(qū))、城西區(qū)、城北區(qū)、海湖新區(qū)和國家經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū),研究區(qū)總面積380 km2(如圖2 所示)。 研究區(qū)域為城市密集建成區(qū),以居民房屋、商業(yè)用地為主,建筑密度高,總不透水地面占總面積的近66.5%,綠地率僅為26.8%。 以國家氣象局西寧站1954—2018 年共65 a 的日均降水量觀測數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù),統(tǒng)計得到西寧站多年平均降水量為389.7 mm,最大值為541.2 mm(1967 年),最小值為196.2 mm(1966 年)。

    圖2 研究區(qū)域范圍

    2.2 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

    利用城市水文響應(yīng)單元劃分子模型,結(jié)合西寧市土地利用狀況,劃分得到HRU 共計3 326 個,并通過ArcGIS 計算得到各匯水區(qū)面積、平均坡度、寬度等數(shù)據(jù)。

    在HRU 劃分的基礎(chǔ)上,依據(jù)以下基本原則劃定西寧市雨水排水分區(qū):①遵循西寧市城市排水規(guī)劃目標(biāo)和排水體制;②利用西寧市有利地形、洪溝等便利條件;③充分保留與利用原有城市雨水排水設(shè)施,盡量以行政區(qū)和河道等自然條件劃分;④結(jié)合西寧市正在建設(shè)的海綿城市規(guī)劃,根據(jù)海綿城市管控分區(qū)進(jìn)行雨水分區(qū)的管理與建設(shè)。 西寧市主城區(qū)劃分成36 個排水分區(qū),其中:城西10 個、城北9 個、城東10 個、城南7個,如圖3 所示。

    圖3 西寧市排水分區(qū)分布

    基于西寧市排水公司提供的雨水管網(wǎng)和污水管網(wǎng)的空間分布與屬性等基礎(chǔ)資料,建立西寧市管網(wǎng)的拓?fù)潢P(guān)系,概化管網(wǎng)1 243 段,其中雨水管渠1 045 段,概化管網(wǎng)節(jié)點1 234 個(見圖4、圖5),概化排放口126個,并為概化管段及節(jié)點添加相應(yīng)屬性數(shù)據(jù)。 由于西寧市地下管網(wǎng)情況錯綜復(fù)雜,基礎(chǔ)數(shù)據(jù)較為匱乏,因此開展了原型觀測試驗,對典型合流管道標(biāo)高進(jìn)行測定,對典型合流管道流量與流速進(jìn)行測定,以模擬合流制管道內(nèi)的污水流量所占據(jù)的排水能力。

    圖4 中心城區(qū)管道概化分布

    圖5 中心城區(qū)概化管網(wǎng)節(jié)點分布

    西寧市主城區(qū)高程數(shù)據(jù)采用30 m×30 m 高精度DEM 圖,土地利用數(shù)據(jù)主要依據(jù)《西寧市土地利用總體規(guī)劃(2006—2020 年)》(2016 年修訂版)。 利用ArcGIS 進(jìn)行空間分析,識別高程、坡度等基本信息。

    不同重現(xiàn)期降雨數(shù)據(jù)通過收集國家氣象局西寧站等5 個雨量站1954—2018 年逐日數(shù)據(jù),結(jié)合青海省氣候中心2017 年編制的《西寧城區(qū)暴雨強(qiáng)度公式推算技術(shù)報告》進(jìn)行推算。

    2.3 模型參數(shù)率定及驗證

    結(jié)合美國EPA 的SWMM 模型應(yīng)用手冊與相關(guān)文獻(xiàn)資料確定城市水文水動力學(xué)模型各參數(shù)的取值范圍并設(shè)置初始值。 將排干時間、霍頓最大下滲速率、霍頓穩(wěn)定下滲速率、霍頓衰減常數(shù)、曼寧系數(shù)、粗糙系數(shù)等作為率定參數(shù),采用20130823、20140627、20170726、20180630、20190830 共5 場典型暴雨的降雨量和積水深觀測數(shù)據(jù)對西寧市水文水動力學(xué)模型進(jìn)行參數(shù)率定,參數(shù)率定結(jié)果見表1。收集西寧市主城區(qū)14 個雨量站3 h 降雨數(shù)據(jù),并在模型中確定各雨量站位置及對應(yīng)降雨數(shù)據(jù)。

    表1 參數(shù)率定結(jié)果

    西寧市排水公司的監(jiān)測數(shù)據(jù)表明,2020 年8 月29日西寧市博雅路路段積水較為嚴(yán)重,最大積水深達(dá)到1.5 m。 利用構(gòu)建的城市水文水動力學(xué)模型進(jìn)行量化模擬,結(jié)果表明,博雅路路段模擬最大積水深1.57 m,相對誤差為4.67%(小于20%);柴達(dá)木路路段最大積水深為0.66 m,實測積水深0.63 m,相對誤差為4.54%(小于20%)。 西寧市城區(qū)12 個現(xiàn)狀調(diào)查的積水點中,11 個積水點與模擬結(jié)果位置吻合,積水點重合率約91.7%,表明模型具有一定可靠性。

    3 城市內(nèi)澇水文規(guī)律分析

    依據(jù)中華人民共和國水利部發(fā)布的《水文情報預(yù)報規(guī)范》(SL 250—2000),采用相對誤差作為預(yù)報誤差指標(biāo),對模型精度進(jìn)行評定。 利用2020 年8 月29日西寧市實測暴雨與積水深觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬驗證,

    3.1 西寧市城區(qū)地表產(chǎn)匯流平衡分析

    隨著城市化進(jìn)程的加快,西寧市下墊面硬化面積不斷增加,改變了原有城市水循環(huán)路徑,帶來明顯的水文效應(yīng)。 選取兩個降雨重現(xiàn)期,即2 a 一遇和5 a 一遇,進(jìn)行模擬計算,具體模擬結(jié)果見表2。 西寧市城區(qū)道路和建筑物密集,地表不透水面積比例較大,導(dǎo)致地表徑流量較大,2 a 一遇和5 a 一遇降雨對應(yīng)的徑流系數(shù)(徑流總量/總降雨量)分別為47.2%和50.7%。 從徑流總量的構(gòu)成看,出口排放量占徑流總量的比重較大,降雨重現(xiàn)期為2 a 和5 a 時分別為57.5%和55.1%;由于排水管網(wǎng)的設(shè)計排水能力較低,節(jié)點溢流總量較大,降雨重現(xiàn)期為2 a 和5 a 時分別占徑流總量的34.2%和38.3%。 隨著降雨重現(xiàn)期的增大,節(jié)點溢流總量及其所占比重呈現(xiàn)增大趨勢。 節(jié)點溢流總量的大小反映了地面積水情況,當(dāng)降雨重現(xiàn)期達(dá)到5 a 時,節(jié)點溢流總量最大,其對應(yīng)的地面積水情況也最嚴(yán)重。

    表2 不同重現(xiàn)期下雨量平衡模擬結(jié)果

    3.2 出口流量分析

    對比不同降雨重現(xiàn)期的城市排水系統(tǒng)出口流量過程(見圖6),可以看出,隨著降雨重現(xiàn)期的增大,地表徑流量增大,城市排水系統(tǒng)導(dǎo)致出口流量增大。 降雨重現(xiàn)期為2 a 時,城市排水系統(tǒng)出口總量為53.5 萬m3,出口流量峰值為114.1 m3/s,出現(xiàn)在開始降雨后約43 min;降雨重現(xiàn)期為5 a 時,城市排水系統(tǒng)的出口總量為73.0 萬m3,出口流量峰值為155.3 m3/s,出現(xiàn)在開始降雨后約45 min。

    圖6 不同降雨重現(xiàn)期下管網(wǎng)出口流量過程線

    由同一降雨重現(xiàn)期的出口流量過程線可以看出,城市排水系統(tǒng)出口流量呈先快速增大后緩慢減小的趨勢,這符合降雨徑流的一般規(guī)律。

    3.3 節(jié)點溢流情況分析

    降雨經(jīng)過地面的產(chǎn)匯流過程形成地表徑流進(jìn)入地下管道,當(dāng)超過管道排水能力時雨水從節(jié)點溢出,在地面低洼地區(qū)形成積水,不同降雨重現(xiàn)期下節(jié)點溢流過程如圖7 所示。 在節(jié)點溢流總量和峰值溢流流量方面,隨著降雨重現(xiàn)期的增大,節(jié)點溢流總量和峰值溢流流量增大。 當(dāng)降雨重現(xiàn)期為2 a 時,節(jié)點溢流總量為31.8 萬m3,節(jié)點峰值溢流流量為220.7 m3/s;當(dāng)降雨重現(xiàn)期為5 a 時,節(jié)點溢流總量為50.7 萬m3,節(jié)點峰值溢流流量為352.2 m3/s。

    圖7 不同降雨重現(xiàn)期下節(jié)點溢流過程

    隨著降雨量的增大節(jié)點溢流呈現(xiàn)“無溢流—開始出現(xiàn)—迅速增加—達(dá)到峰值—逐漸減少”的動態(tài)過程。 主要原因是在降雨初期,降雨徑流流量低于管網(wǎng)的排水能力,雨水管網(wǎng)能夠順利排水,節(jié)點不發(fā)生溢流;在降雨中期,當(dāng)降雨強(qiáng)度明顯增大使徑流流量超過管網(wǎng)的排水能力時,節(jié)點開始出現(xiàn)溢流,溢流流量隨著降雨強(qiáng)度的增大不斷增大直至達(dá)到峰值;在降雨后期,降雨強(qiáng)度的減小使節(jié)點溢流流量減小,隨著降雨結(jié)束溢流流量緩慢減小。

    3.4 排水管網(wǎng)能力評估

    3.4.1 管道排水能力評估

    采用管道分級負(fù)荷進(jìn)行管道排水能力評估。 其中,管道超負(fù)荷的判別依據(jù)為模型模擬得到的充滿度結(jié)果,即當(dāng)水流壓力過大時管道呈現(xiàn)滿載狀態(tài),使其無法正常輸水。 考慮到實際的超負(fù)荷情況,共設(shè)置了3種分級類型,其中0 為正常排水管道,1 為自身排水能力不足造成滿載的管道,2 為受下游管道頂托造成滿載的管道。 總體上,因降雨強(qiáng)度超過了西寧市排水管網(wǎng)的設(shè)計排水能力,管道出現(xiàn)了超載現(xiàn)象,隨著進(jìn)入排水管網(wǎng)徑流量的增加,滿載管道(類型1、類型2)所占比例增大,導(dǎo)致管網(wǎng)排水不暢。 在重現(xiàn)期大部分排水管道呈超負(fù)荷狀態(tài),其中管道受下游頂托造成滿載的比例(類型2)遠(yuǎn)大于自身排水能力不足造成滿載的比例(類型1),說明西寧市主城區(qū)發(fā)生排水管道滿載情況的主要原因是受到下游管道頂托,導(dǎo)致排水困難。

    3.4.2 分區(qū)排水能力評估

    根據(jù)不同的降雨重現(xiàn)期,按照排水分區(qū)對每個分區(qū)排水口的排水能力進(jìn)行匯總,計算結(jié)果見表3。 統(tǒng)計各區(qū)實際傳輸流量占總傳輸流量的百分比及不同重現(xiàn)期下各區(qū)排水能力占總排水能力的百分比,可以得到百分比堆積圖,如圖8 所示。 按照前文所述算法,對區(qū)域排水能力按照由低到高進(jìn)行排序,結(jié)果表明,分區(qū)22、33、11、9、13、26、20、10、7、5、21、30、18 排水能力較差,占排水分區(qū)總數(shù)的36.1%。

    圖8 分區(qū)排水能力統(tǒng)計(由上至下排水能力依次由高至低)

    表3 不同重現(xiàn)期下分區(qū)排水能力(由低到高)

    續(xù)表3

    4 結(jié) 論

    以西寧市為例構(gòu)建城市水文水動力學(xué)模型,開展城市水循環(huán)過程的量化模擬分析。 該模型由4 個子模型構(gòu)成,具體包括城市水文響應(yīng)單元劃分子模型、城市降雨產(chǎn)流子模型、城市坡面匯流子模型、城市排水系統(tǒng)子模型,這些子模型之間相互關(guān)聯(lián)和耦合。

    基于城市水文水動力學(xué)模擬,對研究區(qū)內(nèi)水文循環(huán)進(jìn)行分析,結(jié)果表明西寧市主城區(qū)水文循環(huán)具有明顯的規(guī)律。 在地表產(chǎn)匯流方面,隨著降雨重現(xiàn)期的增大,地表徑流量增大,排水系統(tǒng)出口流量不斷增大,隨降雨量增大呈先增大后減小的趨勢。 在節(jié)點溢流的總量和峰值方面,隨著降雨重現(xiàn)期的增大,節(jié)點溢流總量和峰值溢流流量不斷增大,隨著降雨量的增大節(jié)點溢流呈現(xiàn)“無溢流—開始出現(xiàn)—迅速增加—達(dá)到峰值—逐漸減少”的動態(tài)過程。 對管道排水能力進(jìn)行分級評估,分析不同重現(xiàn)期下管道超負(fù)荷運(yùn)行的分布情況,得到結(jié)論:西寧市主城區(qū)排水管道滿載運(yùn)行的主要原因是受到下游管道頂托,導(dǎo)致排水困難。 對分區(qū)排水能力進(jìn)行分區(qū)統(tǒng)計,提出采用實際傳輸流量與排水能力綜合分析的方法對分區(qū)排水能力進(jìn)行評估,得到排水能力由低到高的分區(qū)排序。

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