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CN111931330A - 一种无管网资料城区的管网排水过程概化计算方法 - Google Patents

一种无管网资料城区的管网排水过程概化计算方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种无管网资料城区的管网排水过程概化计算方法，具体包括如下过程：通过实际踏勘测量出所研究区域的街区数、每个街区的雨水井个数、雨水井的分布位置、雨水井的周长；采用基于全水动力法的洪涝过程数值方法计算整体研究区域的地表水深；通过堰流公式初步计算从地表进入单个雨水井的水量，即单个雨水井的排出水量；计算同一街区所属雨水井的总排出水量；根据排水管道的管径和坡度，对同一街区的总排出水量进行限制修正，得到修正后单个雨水井排出水量；将所研究区域的K个街区的所有雨水井排出水量均计算完；在雨水井位置处的地表单元上，计算单个雨水井的净雨速率Rn。本发明可以提高无管网资料城市洪涝过程的模拟精度。

Description

一种无管网资料城区的管网排水过程概化计算方法
技术领域
本发明属于市政给排水及城市水灾害防范技术领域，涉及一种无 管网资料城区的管网排水过程概化计算方法。
背景技术
城市洪涝是强降水、外江洪水与潮水顶托、城市蓄洪能力不足、 排水不畅等原因综合造成的地表积水，使得雨水在进入排水系统前 积聚或是因超过城市排水能力而未能进入排水系统产生积水的现象。 随着全球气候变化和城市“热岛效应”的影响，持续性暴雨和特大暴雨 的多次侵袭，对城市排水系统的正常运行造成了不良影响，引发城 市内涝，严重影响城市的有序运行，致使城市遭受自然灾害的概率 极剧上升。为缓解日益严重的城市洪涝问题，我国自2013年开始推 行海绵城市理念，大力建设海绵措施，包括修建雨水花园、绿色屋 顶和透水铺装以及实行雨污分流等措施。
城市排水管网系统是现代城市地区在降雨期间排泄雨水的重要 基础设施，在洪涝发生时起到雨水收集和输送的作用，管网排水能力 的计算对于城市洪涝过程的模拟至关重要。然而在一些城市区域，尤 其是老旧城区，完整的排水管网资料获取极为困难，主要原因为城市 管网资料经常会由于年代久远而丢失，甚至一开始就没有保存原始管 网数据；有时即使有管网设计图，但由于施工期间设计单位多、协调 难度大，存在大量管线交叉关系，会出现实际布设情况与设计图纸不 一致的问题；某些地区实际管网由于长期运行没有得到及时有效清理 而发生管网堵塞情况也会发生。近年来可通过管道无人机实际测量管 网布设情况，但该方法代价大效率低，一般项目难以负担大范围的实 际管网测量。此外对于大范围管网密集区域管网模型建立也比较困难。 可见管网资料缺失以及管网结构概化方法不足，严重制约着城市雨洪 模拟影响的定量评价，探索并建立一套无管网资料区排水过程概化计 算方法对城市洪涝过程模拟预测至关重要。
发明内容
本发明的目的是提供一种无管网资料城区的管网排水过程概化 计算方法，该方法可以提高无管网资料城市洪涝过程的模拟精度。
本发明所采用的技术方案是，一种无管网资料城区的管网排水过 程概化计算方法，具体包括如下步骤：
步骤1，通过实际踏勘测量出所研究区域的街区数K、每个街区 的雨水井个数、雨水井的分布位置、雨水井的周长lI；
步骤2，采用基于全水动力法的洪涝过程数值方法计算整体研究 区域的地表水深；
步骤3，基于步骤2所得的地表水深，通过堰流公式初步计算从 地表进入单个雨水井的水量，即单个雨水井的排出水量qI；
步骤4，计算同一街区所属雨水井的总排出水量Qm；
步骤5，根据排水管道的管径和坡度，对步骤4计算所得的同一 街区的总排出水量进行限制修正，得到修正后单个雨水井排出水量；
步骤6，重复步骤4～5，直至将步骤1确定的所研究区域的K个 街区的所有雨水井排出水量均计算完为止；
步骤7，在雨水井位置处的地表单元上，计算单个雨水井计算单 元的净雨速率Rn。
本发明的特点还在于，
步骤2的具体过程为：通过求解如下二维浅水方程组计算地表水 深h：
Figure BDA0002547758330000031
其中，t为时间，单位s；R为净雨速率；q为变量矢量包括水 深h，两个方向上的单宽流量qx和qy；u、v为x、y方向上的流速； f、g为x、y方向上的通量矢量；S为源项矢量，包括降雨或下渗源 项i、底坡源项及摩阻力源项；zb为河床底面高程，m；Cf为谢才系 数，Cf＝gn2/h1 /3，其中n为曼宁系数，其中R＝i-f，i为降雨雨强， f下渗强度。
步骤3的具体过程为：通过如下公式(2)计算从地表进入单个雨水 井的水量，即单个雨水井的排水量qI，单位为m3/s：
Figure BDA0002547758330000041
其中，
Figure BDA0002547758330000042
为堰流系数；lI为雨水井周长，单位m，h为地表水深，单 位m。
步骤4的具体过程为：通过如下公式(3)计算同一街区所属雨 水井的总排水量Qm：
Figure BDA0002547758330000043
其中，m为管网的ID，N为该街区的雨水井数量，j为该街区的雨水 井ID。
步骤5的具体过程为：
步骤5.1，确定排水管道管径dp、坡度ipipe，根据排水管道材料 确定管道糙率np；
步骤5.2，通过如下公式(4)计算排水管道满管时的最大管道流 量QPmax：
Figure BDA0002547758330000044
步骤5.3，将步骤5.2所得的最大管道流量和步骤4所得的总排 出水量Qm进行比较，具体为：
若Qm＜QPmaxm，则不需要对该管网的雨水口地表入流进行修正， 可直接进行步骤6；
若Qm＞QPmaxm，则需要对该管网的雨水口入流进行修正，需实施 步骤5.4；
步骤5.4，根据步骤3中通过堰流公式初步计算出的单个雨水井 排出水量，按照最大管道流量和管道初步排出水量比值进行削减，具 体通过如下公式(5)进行修正：
Figure BDA0002547758330000051
其中qInlet为修正后的雨水井排出量。
步骤7的具体过程为：通过如下公式(6)计算单个雨水井的净 雨速率Rn：
Figure BDA0002547758330000052
其中，As为雨水井所在的单元面积，n为雨水井编号。
本发明的有益效果是，本发明的一种无管网资料城区的管网排水 过程概化计算方法，通过仅在雨水井计算单元内增加管网汇项实现管 网过程概化模拟计算，并可根据街区管网排水标准对排出水量进行修 正，方法简单、便于实现，可对无管网资料区洪涝过程精确概化模拟。
附图说明
图1是本发明一种无管网资料城区的管网排水过程概化计算方 法的实施例中的西咸新区沣西新城2016年8月25日降雨下实测积水 与本方法计算的积水过程对比图；
图2是本发明一种无管网资料城区的管网排水过程概化计算方 法的实施例中的沣西新城在设计降雨下耦合模型与本方法的积水过 程对比图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明一种无管网资料城区的管网排水过程概化计算方法，具体 包括如下步骤：
步骤1，通过实际踏勘测量或参考相关规范和文献概化出所研究 区域的街区数K、每个街区的雨水井个数、雨水井的分布位置、雨水 井的周长lI；
雨水井信息可通过实际调查获取，也可通过相关规范或文献进行 取值，如雨水井口间距宜为25m～50m，当道路纵坡大于0.02时，雨 水井口间距可大于50m。
步骤2，采用基于全水动力法的洪涝过程数值方法计算整体研究 区域的地表水深；
步骤2中通过全水动力法的洪涝过程数值模型的计算水深的方 法为：模型通过联立求解二维浅水方程组(简称SWEs)计算区域水 深。求解过程中忽略了运动黏性项、紊流黏性项、风应力和科氏力， 二维非线性浅水方程的守恒格式可用如下的矢量形式如公式1所示：
Figure RE-GDA0002680092620000061
式中，t为时间，s；R——为净雨速率，等于降雨强度减去入 渗速率及管网排出水量；q为变量矢量包括水深h，两个方向上的单 宽流量qx和qy；u、v为x、y方向上的流速；f、g为x、y方向上 的通量矢量；S——源项矢量，包括降雨或下渗源项R、底坡源项及 摩阻力源项；zb为河床底面高程，m；Cf为谢才系数，Cf＝gn2/h1/3， 其中n为曼宁系数。通过上述方法计算地表汇流演进过程，得到地 表计算单元水深。其中R＝i-f，i为降雨雨强，f下渗强度，本发明主要通过在R中增加雨水井汇项实现管网排水过程概化模拟。
步骤3，基于步骤2所得的地表水深，通过堰流公式初步计算从 地表进入单个雨水井的水量，即单个雨水井的排出水量qI；
步骤3的具体过程为：通过如下公式(2)计算从地表进入单个 雨水井的水量，即单个雨水井的排水量qI，单位为m3/s：
Figure BDA0002547758330000073
其中，
Figure BDA0002547758330000074
为堰流系数；lI为雨水井周长，单位m；h为地表水深，单 位m。
步骤4，计算同一街区所属雨水井的总排出水量Qm；
步骤4的具体过程为：通过如下公式(3)计算同一街区所属雨 水井的总排水量Qm：
Figure BDA0002547758330000081
其中，m为管网的ID，N为该街区的雨水井数量，j为该街区的雨水 井ID。
步骤5，根据排水管道的管径和坡度，对步骤4计算所得的同一 街区的总排出水量进行限制修正，得到修正后单个雨水井排出水量； 步骤5的具体过程为：
步骤5.1，参考相关规范确定排水管道管径dp、坡度ipipe，根据 排水管道材料确定管道糙率np；
管道粗糙系数根据不同材质取值不同，钢管粗糙系数取值为 0.012、陶土管和铸铁管粗糙系数取0.013、混凝土管道粗糙系数取 0.013～0.014，综上管道粗糙可取0.012～0.014。
步骤5.2，通过如下公式(4)计算排水管道满管时的最大管道流 量QPmax：
Figure BDA0002547758330000082
步骤5.3，将步骤5.2所得的最大管道流量和步骤4所得的总排 出水量Qm进行比较，具体为：
若Qm＜QPmaxm，则不需要对该管网的雨水口地表入流进行修正， 可直接进行步骤6；
若Qm＞QPmaxm，则需要对该管网的雨水口入流进行修正，需实施 步骤5.4；
步骤5.4，根据步骤3中通过堰流公式初步计算出的单个雨水井 排出水量，按照最大管道流量和管道初步排出水量比值进行削减，具 体通过如下公式(5)进行修正：
Figure BDA0002547758330000091
其中qInlet为修正后的雨水井排出量。
步骤6，重复步骤4～5，直至将步骤1确定的所研究区域的K个 街区的所有雨水井排出水量均计算完为止；
步骤7，在雨水井位置处的地表单元上，计算单个雨水井的净雨 速率Rn。
步骤7的具体过程为：通过如下公式(6)计算单个雨水井的净 雨速率Rn：
Figure BDA0002547758330000092
其中，As为雨水井所在的单元面积，n为雨水井编号。
本发明在计算管网最大排水能力时，主要以一个街区或片区进行 概化计算，对于仅有几个雨水井的区域可不进行修正。
西咸新区沣西新城作为我国首批国家海绵城市建设试点，研究区 域内布设有完善的监测设备，内涝监测也比较成熟，本方法以该区域 为例，计算该地区内涝积水过程。
首先对区域雨水井和管网进行概化，该区域共计81个雨水节点，4个出口和81条管道，其中管道管径为0.8m。并选取2016年8月 25日实测降雨对参数进行率定，总降雨量共计66mm，最大雨强为 65.4mm/h。经核算该场次降雨为50年一遇重现期，在第五小时测得 积水点处的积水面积为1600m2。采用本发明方法对该场次降雨径流 过程进行模拟，地表积水过程与实测数据如图1所示，本发明方法与 实测积水吻合度较高。
如图2所示，为本方法在2年一遇重现期降雨下的地表积水过程 和考虑完整管网的耦合模型计算结果对比，最终积水面积相较于耦合 模型误差仅为6.52％，再次验证了本发明的计算精度。

Claims (6)

1.一种无管网资料城区的管网排水过程概化计算方法，其特征在于：具体包括如下步骤：
步骤1，通过实际踏勘测量出所研究区域的街区数K、每个街区的雨水井个数、雨水井的分布位置、雨水井的周长lI；
步骤2，采用基于全水动力法的洪涝过程数值方法计算整体研究区域的地表水深；
步骤3，基于步骤2所得的地表水深，通过堰流公式初步计算从地表进入单个雨水井的水量，即单个雨水井的排出水量qI；
步骤4，计算同一街区所属雨水井的总排出水量Qm；
步骤5，根据排水管道的管径和坡度，对步骤4计算所得的同一街区的总排出水量进行限制修正，得到修正后单个雨水井排出水量；
步骤6，重复步骤4～5，直至将步骤1确定的所研究区域的K个街区的所有雨水井排出水量均计算完为止；
步骤7，在雨水井位置处的地表单元上，计算单个雨水井的净雨速率Rn。
2.根据权利要求1所述的一种无管网资料城区的管网排水过程概化计算方法，其特征在于：所述步骤2的具体过程为：通过求解如下二维浅水方程组计算地表水深h：
Figure FDA0002547758320000021
其中，t为时间，单位s；R为净雨速率；q为变量矢量包括水深h，两个方向上的单宽流量qx和qy；u、v为x、y方向上的流速；f、g为x、y方向上的通量矢量；S为源项矢量，包括降雨或下渗源项i、底坡源项及摩阻力源项；zb为河床底面高程，m；Cf为谢才系数，Cf＝gn2/h1/3，其中n为曼宁系数，其中R＝i-f，i为降雨雨强，f下渗强度。
3.根据权利要求2所述的一种无管网资料城区的管网排水过程概化计算方法，其特征在于：所述步骤3的具体过程为：通过如下公式(2)计算从地表进入单个雨水井的水量，即单个雨水井的排水量qI，单位为m3/s：
Figure FDA0002547758320000022
其中，
Figure FDA0002547758320000023
为堰流系数；lI为雨水井周长，单位m，h为地表水深，单位m。
4.根据权利要求3所述的一种无管网资料城区的管网排水过程概化计算方法，其特征在于：所述步骤4的具体过程为：通过如下公式(3)计算同一街区所属雨水井的总排水量Qm：
Figure FDA0002547758320000024
其中，m为管网的ID，N为该街区的雨水井数量，j为该街区的雨水井ID。
5.根据权利要求4所述的一种无管网资料城区的管网排水过程概化计算方法，其特征在于：所述步骤5的具体过程为：
步骤5.1，确定排水管道管径dp、坡度ipipe，根据排水管道材料确定管道糙率np；
步骤5.2，通过如下公式(4)计算排水管道满管时的最大管道流量QPmax：
Figure FDA0002547758320000031
步骤5.3，将步骤5.2所得的最大管道流量和步骤4所得的总排出水量Qm进行比较，具体为：
若Qm＜QPmaxm，则不需要对该管网的雨水口地表入流进行修正，可直接进行步骤6；
若Qm＞QPmaxm，则需要对该管网的雨水口入流进行修正，需实施步骤5.4；
步骤5.4，根据步骤3中通过堰流公式初步计算出的单个雨水井排出水量，按照最大管道流量和管道初步排出水量比值进行削减，具体通过如下公式(5)进行修正：
Figure FDA0002547758320000032
其中qInlet为修正后的雨水井排出量。
6.根据权利要求5所述的一种无管网资料城区的管网排水过程概化计算方法，其特征在于：所述步骤7的具体过程为：通过如下公式(6)计算单个雨水井的净雨速率Rn：
Figure FDA0002547758320000033
其中，As为雨水井所在的单元面积，n为雨水井编号。
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