2D排水模型在排水工程中的应用探讨

李文涛,隋 军,牛 樱,周建华,刘成林,谭锦欣

(广州市市政工程设计研究院,广东广州 510060)

2D排水模型在排水工程中的应用探讨

李文涛,隋 军,牛 樱,周建华,刘成林,谭锦欣

(广州市市政工程设计研究院,广东广州 510060)

利用水力模型软件InfoWorks ICM建立广州市FY路2D排水模型,分析评估现状管道水力运行状况,找出内涝的原因,制定有针对性的解决方案,并利用水力模型对设计方案进行校核,保证方案的合理性和可行性。现通过实例介绍2D排水模型在城市排水工程中的应用方法和具体流程,可为其他地区模型应用提供参考。

排水管网;2D模型;数据组织;设计降雨

0 前言

排水管网水力建模是一门集排水工程、计算机、信息为一体的新技术。管网设计和运行人员可以借助水力模型在计算机平台上仿真模拟现状排水管网运行状态,分析评估管网的排水能力和过流状态,直观准确地找出现状管网的薄弱环节,并结合实际可实施性,在水力模型平台上制定解决方案,为设计改造提供决策支持［1］。2D模型可以更加仿真模拟管道流体转输与地表漫流之间的交互关系,使计算结果更加准确。本文通过介绍分析2D水力模型在广州市FY路排水工程设计中的具体应用实例,为2D水力模型的普及应用提供参考。

1 排水管网水力模型概况

1.1 水力模型概述

传统的排水管网设计方法是基于极限强度理论的推理公式法,每个管道设计断面只计算极限流量,不能准确反映排水系统真实的运行状态。基于St.Venant方程［2］的排水管网水力模型包含降雨模块、地表产汇流模块和管道转输模型等,各模块之间有机结合,是一个时间序列函数组合,可以模拟排水管网中真实准确的水流状况,找出排水系统中瓶颈管段,分析过流能力不够,以及水浸内涝的原因。

式中:Q——流量,m3/s;

A——过水断面面积,m2;

v——管内流速,m/s;

h——管内水深,m;

t——时间,s;

x——距离,m;

Sf——摩阻坡度;

S0——底坡;

q——单位长度旁侧入流量,m3/s;

g——重力加速度。

2D模型除了具有1D模型管道内一维流体线性模拟变化过程外,还可以模拟地表漫流过程,即管道内水流溢出地面后,在地面的漫流过程,可以模拟计算出地表低洼蓄水量、地表淹没水深、水浸影响范围及时间等。2D模型计算引擎基于浅水流动方程,即纳维叶-斯托克斯方程的平均水深概念,假定水平方向水流在垂直方向流速可以忽略不计,计算方程如下:

式中:h——水深,m;

u——x方向流速,m/s;

v——y方向流速,m/s;

S0，x，Sf，y——x，y方向的坡度;

q1D——单位面积上的水量,m3/㎡;

q1d，v1d——流量在x，y方向的流速组成。

1.2 建模技术路线

2D排水管网水力模型的建立及应用,首先需要建模基础数据收集、整理进入模型数据库,获得连接关系、高程数据正确的基础数据。利用降雨数据、关键节点的流量、水位等动态实测数据对模型进行计算校核。校核准确的模型可辅助城市排水管网设计及运行,图1所示是城市排水管网水力建模技术路线。

图1 城市2D排水管网水力建模技术路线图

2 实例片区简介

广州市FY路是花都新华旧城区主要的东西向道路,东西全长约397 m,路宽15～18 m,连接东侧的花城北路与西侧的建设北路两条主干道,是周边区域出行的必经之路。北侧DN500合流管接至建设北路DN1000排水管,DN300合流管接至花城北路DN600排水管,南侧自东向西DN300～500合流管接至建设北路DN1000排水管,完全合流制排水体制,总集水面积4.5 hm2。

FY路是一条商业集中的重要道路,两侧分布有丽翠苑、金颐居、美阁花园等重要居民小区,银行、药店、美容中心等重要商业机构。近年来暴雨时水浸严重,最大水浸深度达0.5 m,严重影响FY路周边居民交通出行、生活生产秩序。排水管道管径偏小,雨水口收水能力不足,是造成暴雨水浸的主要原因。实施该项雨水管道改造工程显得十分迫切。现状排水管渠连接关系如图2所示。

图2 区域现状排水管渠连接关系示意图

3 水力模型建立

该项工程利用英国InfoWorks ICM商业建模软件建立起FY路排水管网2D水力模型,利用设计降雨数据输入进行模拟计算,并用历史水浸信息对模型进行初步校核。利用校核的模型对现状排水管道进行分析,评估现状排水标准,找出系统薄弱点和瓶颈管段。结合现状实际条件提出改造设计方案,利用水力模型平台校核设计方案,保证方案的合理性和可行性。

3.1 水力模型拓扑结构建立

利用勘察测绘的管线数据作为模型拓扑结构输入数据,基础数据包括排水管渠、检查井、雨水口等。1D建模所需的管网数据统计信息如表1所列。

表1 建模管网数量表

数据通过CAD数据分层整理后,导入模型软件,经过拓扑关系检查,获得模型的空间属性数据。同时根据周边道路、房屋、高程信息划定高程集水范围(集水面积4.5 hm2)。利用工程范围内1∶500高程点数据,局部低洼易涝点进行高程点加密处理,得到高程点x-y-z字段文本文件,导入模型得到地表DEM数字高程模型,基于地表高程模型进行网格化处理(最小三角网格面积2 m2),建立工程范围内2D排水模型(见图3～图5)。

图3 FY路现状排水管网1D模型

图4 划分后的子集水区示意图

图5 利用高程点数据生成该区域DEM示意图

3.2 降雨数据输入

强度设计降雨作为水力模型计算分析必要的雨量输入边界条件,降雨强度及降雨过程线是影响强度设计降雨的重要因素。降雨强度是由当地暴雨强度公式计算得到,降雨过程线采用国内外广泛使用的Keifer & Chu雨型(芝加哥雨型),根据某一特定的重现期下降雨强度和降雨历时的关系式,即由暴雨强度公式推得而来的一种不均匀的雨量过程线。Keifer & Chu雨型由于受历时的限制,一般小于2 h。

采用工程范围内的暴雨公式计算,由于该项工程设计重现期标准为5 a,因此按照5 a重现期的单一重现期暴雨强度公式进行计算,具体为:

式中:q——暴雨强度,L/(s·hm2)。

芝加哥雨型只有雨峰位置一个参数,估算r的方法,是对一组各种历时的次暴雨计算最大强度时间与暴雨历时之间的比值,按照各次降雨历时加权平均后,这个比值的均值作为r的值。根据近52 a降雨资料,对采集到的120 min雨峰位置系数的基本情况见表2所列,从表2可以看出,雨峰位置的统计平均值为0.479,近似取r= 0.48。采用5 a一遇120 min降雨(总降雨量95 mm)进行模拟计算(见图6)。

3.3 模型参数设置

地表产流模型:由于该项工程位于城区,集水范围小,地表坡度小,常年多降雨,选用Horton模型,最大入渗率、最小渗透率和入渗递减率分别取为76 mm/h、2.5 mm/h和2 mm/h。

地表汇流模型:地表汇流模型采用SWMM非线性水库模型,子集水区坡度取0.001,坡面曼宁系数取0.015。

表2 雨峰位置统计表

图6 5 a一遇120 min降雨过程线柱状图

管道粗糙系数:管段沿程水头损失系数(KS)分为管道顶部损失系数和底部损失系数,均取0.013进行初始化设置。

管道沉积物厚度:现状管道沉积物厚度根据管养信息,设置100 mm～300 mm。

4 模型计算分析

4.1 管网运行分析评估

基于搭建的2D模型模拟计算1 a一遇降雨条件下,FY路出现水浸,水浸深度0.2 m以上影响区域188 m2,现状排水管渠不满足1 a一遇排水标准。5 a一遇大暴雨条件下,FY路水浸深度0.2 m以上影响区域348 m2,严重影响周边车辆行人通行。计算结果与现场调查信息基本一致,证明模型计算结果可信。造成水浸的主要原因是:(1)FY路地势较低,平均地面标高约9.8～9.9 m,较周围地块地面标高低0.2～0.3 m,暴雨时周边雨水坡面汇流至FY路;(2)现状DN300～DN500管径偏小,且坡度较小,最大过流能力仅120 L/s,过流能力严重不足;(3)雨水口偏少,都是平入式单篦,加之淤塞严重,暴雨时地面径流收集能力不足,造成地面积水(见图7、图8及表3)。

图7 FY路1 a一遇降雨过程内涝风险图

图8 FY路5 a一遇降雨过程内涝水浸风险图

表3 FY路排水现状计算水浸影响面积统计表

4.2 设计方案校核

针对FY路排水管渠管径偏小,排水标准偏低,地面雨水口偏少,收水能力不足导致暴雨水浸,该项工程拟沿FY路自东向西新建排水管道d800,L=230 m;d1350,L=277 m,接至建设北路已建BXH=2.0×1.2排水渠箱,并增设地面雨水口,拟将FY路排水标准提高至5 a一遇。利用水力模型对工程方案进行模拟分析,该项工程设计标准是5 a一遇排水标准。图9、图10是工程实施后排水管渠在5 a-120 min降雨条件下运行状态平面图,整条管道运行状况良好,FY路没有发生水浸内涝,设计方案满足排水标准要求。

图9 FY路排水管方案示意图

图10 方案实施后FY路5 a一遇降雨过程内涝风险图

5 结语

本文利用InfoWorks ICM水力建模软件搭建广州市FY路2D排水模型,利用设计降雨数据模拟分析现状排水管渠水力运行状态,现状排水标准不足1 a一遇,结合模拟结果分析水浸的原因,并针对水浸原因提出沿FY路自东向西新建排水管道d800～d1350,接至建设北路已建BXH=2.0×1.2排水渠箱,并增设地面雨水口。利用水力模型对FY路新建雨水管道方案进行模拟分析,整条管道运行状况良好,FY路没有发生水浸内涝,设计方案满足5 a一遇排水标准。

水力模型技术为设计改造提供决策支持,在实际应用中收到了很好的效果。本文的应用方法及流程具有通用性,可以为其他地区的模型应用提供参考。

［1］ 周建华,李文涛.水力模型在城市排水管网改造设计中的应用［J］.给水排水，2013,5(39):106-109.

［2］ HuberWC， HeaneyJP.Stormwater management model User's manual (VersionIII)［M］.U.S.:Environmental Protection Agency，1987.

TU992

B

1009-7716(2015)03-097-04

2014-11-28

李文涛(1984-),男,安徽明光人,硕士,工程师,从事给排水工程设计与管网建模工作。