不同降雨情境下某建筑小区雨水管网运行性能分析
时间：2023-02-28 09:15:04 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
唐 兵
（新疆铁道勘察设计院有限公司，新疆 乌鲁木齐 830011）
当下城镇化率节节攀升，城镇不透水区域比例不断扩大，地表的渗透能力明显下降。传统开发的雨水系统因其快排设计和灰色基础，在设计年限以上易发生大面积积水，甚至形成内涝［1］。我国在设计雨水系统时，计算主要是结合经验、半经验公式并以恒定流水力学作为理论基础［2］。采用暴雨强度公式计算累计降雨量作为管道设计流量的参考值，能满足设计要求，但不能同时反映雨水在管渠内的流动情况，无法直观显示在排水过程中各阶段管道流量以及查找建成后管网可能存在的瓶颈。利用排水系统模型探究解决内涝方面，前人多采用单因素条件进行管网模型的水文、水力效应研究［3］，如不同降雨强度、重现期、降雨历时及雨型等，虽获得较好的模拟效果，具有一定参考价值，但均与实际降雨出入较大，并不能作为区域管网实际水文状态的真实体现［4-5］。
笔者以成都市郫都区某综合住宅小区为研究区域，该小区为典型的综合住宅小区，硬化区域比例高，提出借助均匀设计法组合复杂降雨情境，建立传统开发模式下管网模型，通过可视化模拟，分析传统雨水管网在不同降雨情境下的产流、汇流、下渗及传输过程的运行变化情况。
该小区地势整体平坦，西北略高，西南低，地面坡度2‰～7‰。该地区属亚热带湿润季风气候，雨水充沛，多年年平均降水量947 mm，丰水期为6—9月，降水量占全年降水量的74%。小区建设净用地面积约73 464 m2，其中总建筑面积约25 177 m2，绿地面积32 240 m2，道路及硬化地面面积16 047 m2。根据区域内的土地利用类型，分为建筑地块、道路及硬化地块、绿地三类，分别占总面积的28.6%、27.6%和43.8%。小区雨水管网设计重现期为3年，综合径流系数为0.65，采用雨污分流排水。
2.1 模型建立
本研究区域范围适中且地形起伏小，采用泰森多边形法结合人工手动修正划分汇水区域面积，将小区划分为87个子汇水区，88个管段（圆形断面）和90个雨水节点（含2个排放口）。结合实际工程中用地类型及屋面特性，其中绿化地块径流系数取0.24，屋顶径流系数取0.9，道路及硬化地块的径流系数取0.82。本研究选择修正Horton方程作为子汇水区的渗透模型。
2.2 设计降雨
芝加哥雨型在拟合降雨数据时比较容易，降雨资料要求低，使用范围更广，是国内城市排水设计中常用的一种雨型［6］。本研究采用芝加哥雨型对降雨量进行时间尺度上的分配，通过SWMM模型中降雨时间序列作为初始变量推动降雨-径流-流量演算的进行［7］。
2.3 降雨情境设计
我国降雨雨型有单峰、双峰及多峰，多峰雨型只出现在较长降雨历时中，其出现概率和双峰雨型出现概率均较低，故笔者只研究单峰雨型［8］。不同降雨量由重现期体现，设1、3、5、10、30年五个重现期水平；
成都市降雨历时总体并不长，多集中在1～3 h内，设置30、60、90、120、150 min五个水平；
我国平均雨峰相对位置较一致，暴雨强度最大时多出现在降雨中期即r=0.4，设置0.2、0.3、0.4、0.5、0.6五个水平。研究因素有降雨量、降雨历时和雨峰系数，每个因素均设置5个水平，依照组合可生成125组降雨数据，数据量较大，引入均匀设计法，选用U5（53）均匀设计表，基于均匀设计的降雨过程曲线如图1所示。
图1 不同重现期下排放口径流量变化曲线
2.4 模型参数校准与验证
通过逐步迭代法调整模型参数［9］，校准结果为：渗透性地块曼宁系数0.35，不渗透性地块曼宁系数0.015，渗透性地块洼蓄量6.57 mm，不渗透性地块洼蓄量2.54 mm，修正Horton模型中的最大下渗速率79.6 mm/h，最小下渗速率7.36 mm/h，衰减系数2.81 h-1，模型演算的径流系数0.652，满足设计三年一遇0.65的要求。选取重现期分别为1年和5年，r=0.4，T=120 min的降雨进行验证，演算的径流系数分别为0.552、0.692，符合规定的综合径流系数要求，雨水排放口的峰值流量出现时间及流量过程曲线满足产流规律，验证结果表明，校准的模型参数可应用于该研究区域降雨产汇流模拟。
3.1 不同重现期下管网运行分析
3.1.1 地表径流分析。如图2所示，小区地表径流总量、总下渗量、地表蓄水量都随重现期的增大而增大，径流总量增大趋势与降雨量增大趋势一致，总下渗量和地表蓄水量增加趋势平缓。当重现期超过3年之后，总下渗量逐渐接近稳定值，表明小区下垫面已经趋于饱水状态。随着重现期的提高，小区的径流系数也随之增加，但地表下渗率和径流控制率却随重现期增大而减小，表明硬化地块比例较高的地块抵御高重现期暴雨的能力逐渐降低，形成内涝的风险在逐渐增加。
图2 不同重现期地表径流模拟图
3.1.2 节点及排放口运行状态分析。
①管网节点分析。不同重现期下节点溢流情况如表1所示。根据表1可知，管网溢流节点数量、溢流持续时间、溢流量均随重现期增大而不断递增。在设计三年一遇的重现期下仅有4.6%的节点溢流，且溢流持续时间较短，累计溢流量仅有14 m³，当前雨水管网排水能力能满足低重现期下不内涝。当遭遇10年、30年重现期特大暴雨时，节点溢流百分比高达52.3%和78.4%，部分区域出现内涝。
表1 不同重现期下节点溢流情况
②管网排放口分析。如图2所示，重现期提高，排放口流量不断增大。排放口的流量变化曲线均相对滞后于各个降雨过程，排放口处的峰值流量出现时刻均滞后于最大降雨强度出现时刻，这是由于在降雨过程中地表存在坑洼、下渗及雨水汇集到管网等过程，地表径流、管网水流并未立即形成，中间存在时间差。
3.1.3 管段运行状态分析。由表2可知，重现期增大，过载管段数量持续增加，过载百分比增速在下降，依次为411.25%、19.56%、18.16%、16%。在小重现期下过载管段增速较快，雨水管网大部分为未充满运行状态，大重现期下增速较缓，雨水管网超半数为满流运行状态。
表2 不同重现期下管段过载情况
3.2 不同降雨历时下管网运行分析
3.2.1 地表径流分析。如图3所示，小区地表径流总量、总下渗量、洪峰流量均随降雨历时增大而增大，径流总量与总降雨量增大趋势一致，总下渗量和洪峰流量增加趋势平缓，地表蓄水量在短历时降雨中基本保持不变，长历时下有所增加。当降雨历时超过120 min之后，总下渗量趋于稳定，说明小区下垫面趋于饱水状态。随着降雨历时增加，小区的径流系数缓慢增加后趋于稳定，地表下渗率和径流控制率随降雨历时增大而减小，其减小趋势表明降雨历时对研究小区地表径流的影响次于降雨重现期。
图3 不同降雨历时地表径流模拟图
3.2.2 节点及排放口运行状态分析。
①管网节点分析。如表3所示，管网溢流节点数量、溢流持续时间、溢流量随降雨历时增加而线性递增，三者的递增趋势相同，均为先大后小。降雨时长从30 min增加到150 min时，降雨时长增加4倍，溢流百分比仅增加1.38倍。不同降雨历时，溢流总量较低，可见降雨历时增加对传统开发模式下雨水管网节点的溢流情况影响较小。
表3 不同降雨历时下节点溢流情况
②管网排放口分析。如图4所示，降雨历时增大，排放口总流量负荷增加，峰值流量随之增加，但增量较小，排流时长延长。当为短历时强降雨时，排放口的径流急剧增加，对雨水管网冲击较大，当为长历时强降雨时，对雨水管网冲击较小，但却提高了管网排水容量要求。不同降雨历时的排放口峰值流量出现时刻均滞后降雨峰值时刻，表明降雨历时对延迟雨水系统峰值流量的形成无关。
图4 不同降雨历时下排放口径流量变化曲线
3.2.3 管段运行状态分析。由表4可知，不同降雨历时下，过载管段数量稳定，不随降雨时长增加而增加，且不同降雨历时下过载管段大致相同，说明降雨历时对雨水管网的管道过载无影响。
表4 不同降雨历时下管段过载情况
3.3 不同雨峰位置下管网运行分析
3.3.1 地表径流分析。如图5所示，小区地表径流总量随雨峰系数变大而缓慢增加，总下渗量随之缓慢减小，地表蓄水量保持不变，不受雨峰位置的影响，但洪峰流量随着雨峰位置后移而显著增加。雨峰位置后移，小区的径流系数缓慢增大，地表下渗率和径流控制率随之减小，两者减小趋势相同，表明雨峰位置对小区地表径流的影响较小。
图5 不同雨峰位置地表径流模拟图
3.3.2 节点及排放口运行状态分析。
①管网节点分析。由表5可知，随着雨峰后移，溢流节点的持续时长增加越来越缓慢，表明雨峰后移对溢流时长的影响越来越小。不同雨峰位置下，溢流量增幅较大，表明雨峰越靠后，节点溢流量越大，且随雨峰位置变化明显。因此，雨峰位置对雨水管网节点的溢流情况影响大。
表5 不同雨峰位置下节点溢流情况
②管网排放口分析。由图6可知，雨峰系数增大，排放口总流量保持不变，峰值流量增加，峰值时刻后移，这是由于雨峰越靠后，形成的地表径流越大，径流峰值也越大，表明雨峰位置主要影响地表径流过程，从而影响管网水流运行状态。由两处排放口径流过程可知，前峰雨型更有利于径流控制，后峰雨型对管网承载能力要求更高，需要排放的峰值洪流更大。雨峰位置能够影响排放口峰值滞后时间，前峰雨型滞后时间最长，后峰雨型滞后时间最短。
图6 不同雨峰位置下排放口径流量变化曲线
3.3.3 管段运行状态分析。由表6可知，随着雨峰系数不断增大，过载管段数量有所增加，但增幅较低，过载管段占比45.5%～52.3%，表明雨峰位置对雨水管网的管道过载影响甚微。
表6 不同雨峰位置下管段过载情况
3.4 综合降雨情境下管网运行分析
3.4.1 地表径流分析。由表7和图7可知，地表径流总量先增后减再增加，出现下降点是因为降雨历时较短。总下渗量起初增加是由于重现期和降雨历时均变大，然后减小是因为降雨历时较短，再增加则是重现期增大和雨峰位置靠前，最后因下垫面逐渐趋于饱水状态而下渗速率减小。洪峰流量先增速较小后急剧增加，表明洪峰流量主要受重现期影响，其次受降雨历时影响。地表蓄水量在大重现期长历时后峰降雨情景中最大，其余降雨情境下基本保持不变。研究地块的径流控制率和下渗率在五种降雨情境下呈现出相同的下降变化趋势，转折点出现表明短历时降雨有助于土壤下渗及地表径流控制。
图7 综合降雨情境地表径流模拟图
表7 综合降雨情境下地表径流模拟计算结果
3.4.2 节点及排放口运行状态分析。
①管网节点分析。由表8可知，小区雨水管网能满足三年一遇长历时和五年一遇短历时降雨只出现极少溢流点。对比单因素时的溢流时长，重现期对溢流时长起绝对主导的影响作用。综合降雨情境下，五年一遇重现期下溢流量均较低，十年及三十年一遇降雨溢流量大且增幅也较大。对溢流量而言，重现期的影响较大，降雨历时次之，雨峰位置影响最小。
表8 综合降雨情境下节点溢流情况
②管网排放口分析。由图8可知，一年及三年重现期场降雨时，降雨历时和雨峰位置影响排放口峰值流量出现时间，历时越长，雨峰系数越大，其峰值越靠后。五年及十年重现期场降雨时，排放口表现出相同的行洪过程，但总量和峰值不同，这是因为雨峰系数大致相同，而重现期相差较大。出现暴雨且雨峰靠后时，排放口峰值滞后时长短，排放口在最大雨强出现后便达到峰值，较难快速排出管网内的雨水。
图8 综合降雨情境排放口PFK1径流量变化曲线
3.4.3 管段运行状态分析。由表9可知，重现期变大，降雨历时增加，过载管段数量急剧增加，表明重现期和降雨历时对雨水管网的管道过载影响较大。在三年重现期下，管网运行负荷占比不大，能够承担其排水任务。随着重现期继续增大，缩短降雨历时，并且雨峰位置前移，过载管段数量仅增加9段，说明重现期增大的情况下，降雨历时变短，雨峰位置靠前时能够减少对雨水管网的冲击。
表9 综合降雨情境下管段过载情况
①传统开发模式下对地表径流水力状况影响最大为重现期，其次为降雨历时，雨峰位置影响最小。雨水检查井溢流数量按受影响力大小排序依次为重现期、雨峰位置、降雨历时。重现期对排放口运行状态影响最大，其次为雨峰位置，最小为降雨历时。雨水管网的管段运行状态受降雨重现期影响最大，受雨峰位置影响次之，几乎不受降雨历时影响。
②传统开发模式下的雨水管网在面对综合的复杂降雨情境时，能够保证三年一遇设计降雨重现期正常运行，并满足一定条件的五年一遇降雨场次，如短历时降雨、前峰雨型降雨等，表明设计雨水管网安全合理，并有一定冗余能力。
③在借助芝加哥雨型分配由暴雨强度公式计算出的降雨量，拟合降雨数据时，应首要考虑重现期设置的梯度，雨峰位置及降雨历时可作为次要因素考虑，选取的梯度范围可适当减小。
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