管網(wǎng)排水能力對雨水口堵塞和管道淤積的響應(yīng)規(guī)律模擬

關(guān)鍵詞：排水管網(wǎng)；雨水口堵塞；管道淤積；峰值流量；地表積水量

在全球氣候變化和快速城鎮(zhèn)化的影響下，城市徑流系數(shù)逐年升高，雨水徑流量持續(xù)增加，城市洪澇災(zāi)害日益嚴(yán)重，給人民生命財產(chǎn)安全構(gòu)成了重大威脅。雨水口作為城市內(nèi)澇排水系統(tǒng)的重要組成部分，是下排地表徑流的關(guān)鍵設(shè)施。但隨著城市化的快速推進，地表漂浮物隨徑流輸移堵塞排水系統(tǒng)的現(xiàn)象日益普遍[1-4]。雨水口和排水管道的淤堵不僅壓縮了排水管道的輸水空間，而且會增加水流阻力、降低管道過流能力，造成管道排水不暢，從而引發(fā)不同程度的城市內(nèi)澇[5-7]。因此，模擬分析雨水口不同堵塞程度和管道不同淤積程度對管網(wǎng)系統(tǒng)泄流能力的影響規(guī)律至關(guān)重要。

針對雨水口和排水管道的淤堵現(xiàn)象，專家學(xué)者已從不同方面開展了研究并取得了一定的成果。陳倩等[8]開展了76組不同來流水深及流速下的泄流能力試驗，發(fā)現(xiàn)雨水井未充滿時路面雨水以堰流形式下泄，充滿后則以管嘴出流形式下泄，但并未考慮雨水口堵塞的影響；夏軍強等[9]通過概化水槽試驗，分析了較大來流水深下進水篦和連接管堵塞對雨水口泄流能力的影響，結(jié)果表明兩者均顯著削弱泄流能力，且連接管堵塞影響更大；于森等[10]比較了偏溝式與聯(lián)合式雨水口物理模型在堵塞情況下的泄流能力，結(jié)果顯示聯(lián)合式雨水口抗堵塞能力更強；魯笑笑[11]采用InfoWorksICM構(gòu)建二維排水模型，發(fā)現(xiàn)單篦、雙篦和四篦雨水口對河道出口斷面流量過程線的影響較小。上述研究均未系統(tǒng)性分析雨水口堵塞對管網(wǎng)系統(tǒng)排水能力的影響規(guī)律。卜良河等[12]基于GAST（GPUAcceleratedSurfaceWaterFlowandTransportModel）和SWMM（StormWaterManagementModel）構(gòu)建耦合一維管網(wǎng)和二維地表的城市雨洪數(shù)值模型，模擬分析不同降雨重現(xiàn)期和雨篦子堵塞狀態(tài)對排水過程的影響，但未考慮管道淤積；吳慧英等[13]利用SWMM，提出以全局管網(wǎng)淤積系數(shù)（GSC）作為自變量、節(jié)點溢流數(shù)量及溢流量作為因變量，模擬并分析城市排水系統(tǒng)，但未分析管網(wǎng)排口流量過程；郭敏鵬等[14]基于SWMM，按全局管網(wǎng)淤積系數(shù)將清淤前工況分為7種情況，模擬分析不同設(shè)計降雨條件下的管網(wǎng)排口流量過程和總溢流量，以確定重點清淤方案，但未分析管道淤積對管網(wǎng)排水能力的影響規(guī)律；李璟冉等[15]采用相對過水能力和相對超載總時間衡量排水能力衰減，利用SWMM在不同管道淤積程度情況下模擬分析系統(tǒng)排水能力的變化，但只給出管網(wǎng)功能衰退3個階段的分界線淤積程度；賈高峰等[16]基于SWMM，以全局管道淤積系數(shù)研究不同淤積程度下的清淤必要性，發(fā)現(xiàn)當(dāng)GSC超過50%時，管網(wǎng)排水能力急劇下降。上述研究均未具體分析管道淤積對管網(wǎng)排水能力的影響規(guī)律。在實際中，管網(wǎng)系統(tǒng)排水能力同時受雨水口和管道的制約。當(dāng)前研究多聚焦于單一的雨水口堵塞或管道淤積情況，綜合考慮兩者對管網(wǎng)系統(tǒng)排水能力的影響至關(guān)重要。

本文同時從雨水口堵塞和管道淤積兩方面出發(fā)，分別改變雨水口堵塞程度和管道淤積程度，模擬分析管網(wǎng)系統(tǒng)排口峰值流量和地表總積水量的變化，以此來研究管網(wǎng)系統(tǒng)排水能力的變化規(guī)律。研究結(jié)果以期為優(yōu)化城市洪澇模擬計算精度和相關(guān)實際工況的計算提供參考。

1研究區(qū)域概況及降雨資料

1.1研究區(qū)域概況

研究區(qū)域[17]位于河北省唐山市路北區(qū)龍王廟以西，總面積約13.1km2。研究區(qū)域地形高程數(shù)據(jù)精度為8m×8m，網(wǎng)格數(shù)量為25萬個，高程范圍為6.82～50m，邊界為開邊界，允許自由出流。

1.2降雨資料

設(shè)計降雨采用當(dāng)?shù)赜嘘P(guān)部門提供的設(shè)計暴雨強度（i）計算公式，如式（1）所示。

式中：p為降雨重現(xiàn)期，a；t為降雨時長，min。

選用雨峰系數(shù)（r）為0.4，雨峰位置較靠前，生成降雨歷時為2h，重現(xiàn)期分別為1、5、20、30a的常規(guī)設(shè)計暴雨和50、100a的超標(biāo)設(shè)計暴雨。

唐山市2022年8月18—19日逐5min降雨情況如圖1所示，總降水量為200.4mm，最大雨強為96mm/h。

2模型構(gòu)建

2.1耦合模型介紹

2.1.1SWMM

SWMM是美國環(huán)境保護署開發(fā)的一種動態(tài)降雨徑流模擬模型，用于對城市地區(qū)的徑流量和徑流水質(zhì)進行單次事件模擬或長期連續(xù)模擬，以及與雨水徑流、綜合污水管和下水道及其他排水系統(tǒng)相關(guān)的規(guī)劃、分析和設(shè)計工作[18]。SWMM構(gòu)成包括地表產(chǎn)流、地表匯流、管網(wǎng)匯流和水質(zhì)模擬4個方面。該模型通過求解圣維南方程來模擬水流在管網(wǎng)中的運動，并提供了運動波、擴散波和動力波3種不同的計算方法[19]。由于動力波計算方法能夠模擬復(fù)雜的水體流動情況，對實際情況中的管網(wǎng)超載、回流、明滿流交替運動、進口和出口損失等復(fù)雜現(xiàn)象進行模擬演算，且完整求解了圣維南方程組，理論上與實際情況最為相符[20-22]。

2.1.2GAST

GAST是西安理工大學(xué)等開發(fā)的二維地表水動力模型，模型控制方程為平面二維圣維南方程組[23]，其對地表水動力過程能進行準(zhǔn)確的模擬。

2.1.3GAST-SWMM耦合模型

耦合GAST和SWMM可將城市二維地表水動力過程與地下一維管網(wǎng)排水過程結(jié)合起來。其耦合依據(jù)是雨水井節(jié)點處的水量交換。當(dāng)管道內(nèi)水位低于或等于管道最大承載高度時，雨水順利通過管網(wǎng)排入污水處理廠或受納水體；當(dāng)管道內(nèi)水位高出管道最大承載高度時，多余的水量將通過雨水井外溢到地面；當(dāng)管道排水能力恢復(fù)后，地表溢流又將通過雨水井進入管網(wǎng)最終排入污水處理廠或受納水體。采用堰流公式和孔流公式分別計算雨水進入管道內(nèi)的水量和從管道內(nèi)外溢到地表的水量[22]。

GAST采用Godunov有限體積法和二階MUSCL（守恒律單調(diào)迎風(fēng)格式）算法，可以保持物質(zhì)守恒，解決不連續(xù)問題；水通量和動量通量由HLLC（Harten-Lax-vanLeer-Contact）近似黎曼解算器計算，通過新的斜率通量方法處理斜率源項，以應(yīng)用于任何復(fù)雜的網(wǎng)格，摩擦源項通過半隱式方法計算，采用兩階段顯式龍格-庫塔時間積分方案計算每個時間步的流動變量，同時引入了GPU加速技術(shù)提高模型計算效率[24]。

2.2耦合模型率定和驗證

參考文獻[21]對模型參數(shù)取值進行率定，多次調(diào)整其穩(wěn)定下滲值和管道曼寧值，最終確定如表1。

2022年8月18日龍富南路與龍澤北路交叉口、老唐豐路口處模擬管網(wǎng)液位結(jié)果與實測液位變化基本吻合，模擬結(jié)果如圖2所示，納什效率系數(shù)分別達到0.8219和0.8632，液位峰值相對誤差分別為1.12%和1.14%，說明耦合模型模擬效果良好。

2.3堰流公式和孔流公式

模擬雨水口泄流時，以篦前水深為參數(shù)，當(dāng)上游來流流量較小、篦前水深較淺時，采用堰流公式，計算雨水口的泄流流量（Q）如式（2）；當(dāng)上游來流流量較大、篦前水深較深時，采用孔流公式，計算雨水口的泄流流量如式（3）[25]。

式中：Cw和Co分別為堰流系數(shù)和孔流系數(shù)；P為濕周，m；A為雨水口泄流面積，m2。

2.4研究方法

研究綜合考慮雨水口堵塞和管道淤積對管網(wǎng)系統(tǒng)排水能力的協(xié)同影響，基于不同堵塞和淤積程度設(shè)立16組模擬方案，研究不同堵塞或淤積程度下管網(wǎng)系統(tǒng)排水能力的變化。同時，引入1、5、20、30、50和100a重現(xiàn)期降雨條件。通過一、二維耦合模型進行模擬計算，提取管網(wǎng)排口峰值流量和地表總積水量，分析其變化規(guī)律。

管道淤積通過在SWMM修改管道的淤積高度實現(xiàn)，設(shè)立4種淤積程度，分別為0、25%、50%和75%。管道斷面形狀均為圓形，經(jīng)過計算將淤積高度分別設(shè)置為管道直徑的0、29.8%、50.0%和70.2%。

雨水口堵塞通過調(diào)整堰流系數(shù)和孔流系數(shù)實現(xiàn)，設(shè)立4種堵塞程度，分別為0、25%、50%和75%。雨水口無堵塞時，Cw=0.04827，Co=0.57754；雨水口堵塞25%時，Cw=0.05359，Co=0.70178；雨水口堵塞50%時，Cw=0.05900，Co=0.90810；雨水口堵塞75%時，Cw=0.06639，Co=1.45660[25]。

3模擬結(jié)果分析

3.1雨水口堵塞對排口流量和地表積水量的影響分析

當(dāng)管道無淤積時，不同降雨重現(xiàn)期下排口流量峰值（QP）和地表積水量（WS）隨雨水口堵塞程度變化的情況見表2。

由表2可見，隨著雨水口堵塞程度增加，排口峰值流量逐漸降低。管道無淤積時，雨水口堵塞程度從0增加至25%、50%和75%，峰值流量在不同重現(xiàn)期下分別減少3.96%～7.34%、10.91%～18.14%和29.89%～39.84%，平均分別減少5.30%、13.8%和37.8%。雨水口堵塞越嚴(yán)重，峰值流量越小，且減少速率隨堵塞程度的增加而變快。當(dāng)雨水口堵塞達到75%時，峰值流量平均比50%堵塞工況的衰減量增加24.00%，表明雨水口在堵塞50%以上時排口的峰值流量受到的影響顯著增大。

隨著雨水口堵塞程度的增加，地表積水量逐漸增加。管道無淤積時，雨水口堵塞程度從0增加至25%、50%和75%，地表積水量在不同重現(xiàn)期下分別增加2.08%～3.46%、5.35%～8.57%和12.32%～16.73%，平均分別增加2.48%、6.47%和14.6%。雨水口堵塞越嚴(yán)重，地表積水量越大，且增加速度隨著堵塞程度的增加變快。在雨水口堵塞程度達到75%時，地表積水量平均比50%堵塞工況的增加值高出8.13%，表明雨水口在堵塞50%以上時地表積水量受到的影響顯著增大。

3.2管道淤積對排口流量和地表積水量的影響分析

當(dāng)雨水口無堵塞時，不同降雨重現(xiàn)期下排口流量峰值和地表積水量隨管道淤積程度變化的情況如表3。

由表3可見，隨著管道淤積程度的增加，峰值流量逐漸降低。同時，隨著降雨重現(xiàn)期增大，峰值流量也相應(yīng)增大。雨水口無堵塞時，管道淤積程度從0增加至25%、50%和75%，峰值流量在不同重現(xiàn)期下分別減少14.57%～25.18%、33.12%～48.82%和80.21%～86.22%，平均分別減少20.9%、44.1%和84.6%。管道淤積越嚴(yán)重，峰值流量越小，且減少速率隨著淤積程度的增加變快。當(dāng)管道淤積達到75%時，峰值流量平均比50%淤積工況衰減40.5%，表明管道在淤積50%以上時排口的峰值流量受到的影響顯著增大。

隨著管道淤積程度的增加，地表積水量均逐漸增加。同時，隨著降雨重現(xiàn)期增大，地表積水量也相應(yīng)增大。雨水口無堵塞時，管道淤積程度從0增加至25%、50%和75%，地表積水量在不同重現(xiàn)期下分別增加2.19%～5.39%、8.29%～12.90%和21.31%～25.47%，平均分別增加4.46%、11.9%和24.1%。管道淤積越嚴(yán)重，地表積水量越大，且增加速率隨著淤積程度的增加變快。當(dāng)管道淤積達到75%時，地表積水量平均比50%淤積工況高出12.2%以上，表明管道在淤積50%以上時地表積水量受到的影響顯著增大。

3.3雨水口堵塞和管道淤積對排口協(xié)同影響及顯著性分析

3.3.1不同降雨重現(xiàn)期下雨水口堵塞和管網(wǎng)淤積組合影響

在不同降雨重現(xiàn)期情況下，隨著雨水口堵塞程度和管道淤積程度的改變，排口流量峰值的變化如表4。

如表4，隨著管道淤積程度的增加，不同雨水口堵塞程度之間的排口峰值流量逐漸趨于接近。當(dāng)管道淤積程度達到75%時，不同降雨重現(xiàn)期下雨水口堵塞程度的增加對排口峰值流量的影響明顯小于管道淤積50%的工況。表明隨著管道淤積程度的增加，不同堵塞程度下的排口峰值流量差距逐漸縮小。

隨著雨水口堵塞程度的增加，不同管道淤積程度之間的排口峰值流量也逐漸趨于接近。當(dāng)雨水口堵塞程度為75%時，不同降雨重現(xiàn)期下管道淤積程度的增加對排口峰值流量的影響明顯小于雨水口堵塞50%的工況。表明隨著雨水口堵塞程度的增加，不同堵塞程度下的排口峰值流量差距也逐漸縮小。

3.3.2雨水口堵塞和管道淤積對排口流量影響的顯著性分析

圖3為雨水口堵塞程度分別為0%、25%、50%和75%時，不同管道淤積程度影響下排口流量之間的顯著性分析情況。雨水口堵塞程度分別為0%、25%、50%和75%時各為1組，每組有管道淤積程度0%、25%、50%和75%時的排口峰值流量數(shù)據(jù)，利用SPSS進行顯著性分析，采用字母標(biāo)記法進行標(biāo)記。將每組中排口峰值流量最大的數(shù)標(biāo)記字母a；并將該數(shù)與以下的數(shù)相比，凡相差不顯著的都標(biāo)上字母a，直至某一個與之相差顯著的數(shù)，標(biāo)記字母b，再以該標(biāo)有b的數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)，與各個比它大的數(shù)比較，凡不顯著的也標(biāo)記字母b；再以標(biāo)有b的最大數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)，與小于其的未標(biāo)記的數(shù)相比，凡不顯著的繼續(xù)標(biāo)以字母b，直至遇到某個與其差異顯著的數(shù)標(biāo)記c；如還有未標(biāo)記數(shù)，再以同理標(biāo)記字母d。凡具有相同標(biāo)記字母則表示工況間流量差異不顯著，而具不同標(biāo)記字母則表示差異顯著，說明淤積程度變化對排口流量的影響顯著，ab表示和左右兩邊工況之間均無顯著性。由圖3可見，當(dāng)雨水口無堵塞、堵塞25%和50%時，改變管道淤積程度會導(dǎo)致排口峰值流量顯著變化，表明淤積加劇對管道排水能力有明顯影響。然而，在堵塞75%工況下，淤積0%與淤積25%的峰值流量差異不顯著，說明此時管道從無淤積到淤積25%時對排口峰值流量的影響較小。原因在于雨水口堵塞75%時入流量已遠(yuǎn)低于管道從無淤積增加至25%的承載能力，因此差異不顯著。

圖4為管道淤積程度分別為0%、25%、50%和75%時，不同雨水口堵塞程度影響下排口流量之間的顯著性分析情況。管道淤積程度分別為0%、25%、50%和75%時各為1組，每組有雨水口堵塞程度0%、25%、50%和75%時的排口峰值流量數(shù)據(jù)，利用SPSS進行顯著性分析，采用字母標(biāo)記法進行標(biāo)記。凡具有相同標(biāo)記字母則表示工況間流量差異不顯著，而具不同標(biāo)記字母則表示差異顯著，說明淤積程度變化對排口流量的影響顯著。在4種淤積程度下，雨水口堵塞50%與堵塞75%的峰值流量差異均表現(xiàn)為顯著性。然而，從無堵塞到堵塞50%的過程中，僅在管道淤積25%和50%時表現(xiàn)出較小的顯著性，其他工況均無顯著性。表明雨水口堵塞達到75%時，排口流量相較堵塞50%時顯著減少，而在堵塞程度較小時，排口流量受到的影響較小，所以不顯著或顯著性不明顯。

4結(jié)論

本文構(gòu)建了耦合GAST和SWMM的水文水動力學(xué)數(shù)值模型，以管道淤積和雨水口堵塞程度為變量，并考慮降雨重現(xiàn)期的影響，選取河北省唐山市龍王廟河周邊為研究區(qū)域，分析了管網(wǎng)系統(tǒng)排口流量峰值及地表積水量的變化響應(yīng)情況。主要結(jié)論如下：

（1）隨著雨水口堵塞或管道淤積程度的增加，排口峰值流量逐漸降低，地表積水量逐漸增加，且變化速率均隨堵塞或淤積程度的加劇而加快。當(dāng)堵塞或淤積程度達到50%以上時，排口峰值流量和地表積水量的變化顯著增大，尤其在堵塞或淤積75%工況下，排口流量顯著低于50%工況，而地表積水量顯著高于50%工況。這表明雨水口堵塞和管道淤積在高強度條件下對管網(wǎng)系統(tǒng)排水能力的影響更為顯著。

（2）雨水口堵塞和管道淤積對管網(wǎng)系統(tǒng)排水能力的影響相互制約：隨著管道淤積程度增加，不同雨水口堵塞條件下的排口峰值流量差距逐漸減??；隨著雨水口堵塞程度增加，不同管道淤積條件下的排口峰值流量差距也逐漸減小。在堵塞或淤積較嚴(yán)重的情況下，另一因素對排口峰值流量的影響減弱，說明管網(wǎng)系統(tǒng)中雨水口泄流能力和管道排水能力之間互相影響，綜合考慮兩者的交互作用可進一步提高模擬精度。