基于水力模型的城市排水管网能力评价体系的探讨
2020-10-14谢文敬
谢文敬
摘要：在洪涝灾害频发背景下，排水系统能力分析与评价日益重要，受限于传统经验模式的管理滞后性，本文简介水力模型的基本原理，提出了基于水力模型的排水系统能力评价体系的尝试探讨，为相关管理部门提供了排水系统管理的新途径。
关键词：洪涝灾害;城市排水系统;水力模型;管网能力评价
一、研究区域概况
本次研究选取武汉市某雨水分区为评价对象，该区域现状总汇水面积53.1平方公里，汇流范围东起解放大道沿线，西至姑嫂树路和新华路，北临张公堤，南达汉江。
根据地形地势该区域分为高排系统与低排系统两个区域，现状已建主干管涵约161公里，主干明渠11.8公里。由于系统出口泵站后湖二期和后湖三期的服务范围和入口渠道不同，并且其起排水位相差约2米，故分为高排系统和低排系统两个子汇水区。
该区域汇水范围大，排水管网较长，目前主要依靠传统经验式运维模式，存在多处区域内涝情况。本次采用InfoWorks ICM模型软件对该区域进行水力建模，可视化评析评价排水系统薄弱环节，为相关部门提供科学指导。
二、模型构建
（1）设计雨型
根据武汉市暴雨强度公式，根据重现期可分为以下几类：
0.5a-10a重现期下的暴雨强度公式为
0a-50a重现期下的暴雨强度公式为
100a重现期的暴雨强度公式为
式中：q—设计暴雨强度[L/（s.hm2）];
P—重现期（a）;
t—降雨历时（min）;
本次采用1a、2a、3a、5a、10a、20a、30a、50a这8个重现期分别模拟排水管网排水的状况。采用芝加哥暴雨雨型【1】设计人工降雨过程曲线，如下所示
瞬时降雨强度曲线如图1至图8所示。
（3）概化结果
通过提取cad，gis数据库中的管网与下垫面数据，将其导入模型软件，排水系统概化结果：管段根数共有965根，管网的总长度有180522.2米，管段的管徑最小的为600mm，最大的管径为34*3的明渠，主要的检查井节点有897个，排水出口有3个，节点对应的检查井的井室的底深最小的为16.4，最大的为23.97，有2个泵站前池。
三、评价实施
（1）评价指标
本文选取四个高层次指标：u1淹水的面积比例、u2溢水的节点数比例、u3超负荷管段的数量比例、u4单位汇水面积溢出水量;2个低层次指标：其中u1淹水面积比分为3类，u11水深度为0-0.15轻微积水区，u12淹水深度为0.15-0.4的轻微内涝区，u13淹水深度大于0.4的严重内涝区。u2溢水的节点数比分为5类u21一级0-1000m3，u22二级1000-5000 m3，u23三级5000-10000 m3，u24四级10000-50000 m3，u25五级50000 m3。分别对8个重现期即1a、2a、3a、5a、10a、20a、30a、50a排水系统能力进行综合评价
（2）评价权重
对于高层次的评价指标采用比较矩阵法【2】确定权重，经解得的权重体系为a=（0.45501，0.141145，0.141145，0.2627）。对于低层次的评价指标的权重体系采用专家打分法，淹水面积u1的子评价指标的权重体系为w1 =（w11 ，w12， w13）=（0.2，0.3，0.5），溢水节点数比的子评价指标的权重体系为w2=（w21，w22，w23，w 24，w25）=（0.05，0.1，0.15，0.3，0.4）。
（3）评价结果
将区域根据高低排系统位置划分右上角区域与左上角区域，评价结果如下
低层次指标的综合评价
根据水力模型模拟结果，u1淹水的面积比例原始值为
u1的评价结果
同理评价指标u2 评价结果
高层次评价指标的评价
将选取四个指标对两片区域排水系统进行综合评价，评价结果如下：
通过综合评价值可以看出重现期越大其值越大，说明其灾害风险的可能性越大，通过比较不同重现期的降雨时右上角与左下角主要管道的综合评价值，可以看出左下角的综合评价值都比右上角的综合评价值小即风险较小，此结论风险分布图上直观表达的一致。
四、结论
通过对研究区域的水力建模分析，掌握了排水系统模型构建的基本方法路线，对基于水力模型的排水系统综合评价研究提出了尝试与探讨，并运用于武汉市某排水区域实际案例研究，结果显示该评价体系基本能够反映该区域排水系统的实际排水能力，为其他区域排水系统能力评价提供了理论参考。
本次研究在基础数据获取与模型校核方面不足存在，希望相关部门对排水管网数据进行进一步的规范和管理，且在往后研究中加强模型的校核工作，有条件的情况下，多设置在线监测点，不断修正模型的参数和边界条件。
参考文献：
[1]金光炎， 朱元生.城市水文学. 北京： 中国科学技术出版社， 1991： 101-129.
[2]王磊. 基于模型的城市排水管网积水灾害评价与防治研究[D].北京工业大学，2010.
（作者单位：中工武大设计研究有限公司）
