城市雨水排水系統設計不確定性研究進展

張明，周潤娟，李濟源，孫俊偉

（安徽工程大學建筑工程學院，安徽蕪湖241000）

城市雨水排水系統設計不確定性研究進展

張明，周潤娟，李濟源，孫俊偉

（安徽工程大學建筑工程學院，安徽蕪湖241000）

針對應對環境變化對城市雨水排水系統設計帶來的影響，從城市暴雨分布規律、城市化進程、雨水管網模擬等方面，分析了國內外研究成果。提出應綜合考慮隨機、模糊、區間、粗糙等多種不確定性信息，構建城市雨水排水系統的設計模型。研究結果顯示，環境變化改變了城市雨水排水系統的原有規律，且存在較大不確定性，可基于信息熵理論構建城市雨水排水系統設計模型，減小不確定性。

城市雨水；排水系統；管網系統；設計；不確定性

0　引言

目前城市雨水管網系統設計沒有完全發揮作用，暴雨時常導致內澇現象發生［1］，城市內澇積水災害問題日益嚴重，威脅生命、財產安全，影響城市發展［2］。雨水管網系統失效的根本原因，則是由于在雨水管網系統設計過程中存在的大量不確定性［3-4］，從而造成設計輸水能力嚴重小于設計雨量，導致出大范圍的城市內澇現象。總結內澇損失原因，改進已有的雨水排水系統設計辦法，才能促進城市持續發展。

1　城市雨水排水系統設計中不確定性的來源

設計過程中存在的不確定性，包括氣候變化導致暴雨強度分布規律改變、城市化進程不斷推進導致徑流系數變化［5-6］，匯水面積量測誤差、設計計算誤差以及管段淤塞導致的管徑變化等［3］。

傳統設計中假定暴雨分布規律在設計期限內保持不變，采用2～5 a暴雨重現期設計計算暴雨量。所選重現期過小易直接導致設計暴雨量過小，雨水管網系統無法及時排出，造成積水災害；過大則造成系統建設費用過高。

在全球氣候變化的影響下，暴雨歷時—強度—重現期規律也在發生變化［7-8］，沿用已有暴雨強度分布規律進行雨水管網設計，勢必增加設計排水能力的不確定性。

徑流系數在一般設計中均根據城市發展規模選擇一個確定值，或根據植被、土壤分布情況用加權平均方式確定一個加權值［9-10］。過大的徑流系數易造成實際過水能力下降，過小的徑流系數又易造成造價過高等問題。顯然，傳統的徑流系數確定方法難以適應不斷推進的城市化進程，也造成城市內澇積水災害發生的頻率增加。

匯水面積量測誤差、設計計算誤差及使用過程管徑的變化，同樣給設計管網的過水能力帶來不確定性。

2　國內外研究及發展動態分析

2.1城市設計暴雨分布規律研究

暴雨資料的統計分析是城市雨水管網系統設計的基礎，分析結果的準確性直接關系到雨水管網系統的設計流量，進而影響雨水管網系統的可靠性和工程投資大小［3-4］。城市設計暴雨分布規律研究主要包括暴雨資料的選樣、頻率分析及暴雨強度公式選擇與參數確定等方面的研究內容。

國內外根據觀測到的資料長短及對城市雨水排水設計重現期要求的高低，相繼提出了年最大值法、年超大值法、年多個樣法、超定量法等選樣方法，各種選樣方法均有其優缺點，給設計暴雨強度大小帶來不確定性［11］。暴雨頻率分析研究方面主要集中于研究皮爾遜Ⅲ型分布曲線、負指數分布曲線和耿貝爾分布曲線等各種理論分布曲線的適應性，研究結果分歧較大，目前各城市尚無統一的分布線型，也給城市雨水設計帶來不確定性［12］。

暴雨強度公式方面國內外均提出了適合國情的計算公式，美國采用

式中：i為暴雨強度，單位：mm/min；a為雨力參數，即不同重現期下的1min設計降雨量，單位：mm；t為降雨歷時，單位：min；b為降雨歷時修正參數，單位：min；n為暴雨衰減指數，無量綱。

日本采用i=a/（t+b），我國較多采用式（1）或

式中：A1為重現期為1a時的1 min設計降雨量，單位：mm；C為雨力變動參數，無量綱；T為重現期，單位：a；其它符號同前。

在確定暴雨強度公式后，采用遺傳算法等較適合的參數確定方法可適當減小公式選擇帶來的不確定性［13］。

2.2城市化進程對城市雨水排水影響研究

隨著城市化進程的不斷推進，城市的數量、規模、人口有了很大的增長，對城市當地水文狀況造成了較大的影響［10］。國外對該問題研究較早，Singh等［14］對城市化帶來城市化區域氣候變化和降雨變化進行了研究，結果表明城市化區域降雨雨量比農村降雨雨量多5%～10%。Deletic等［15］提出植被滲透淺溝模型，研究了不同材質的地表，對城市暴雨徑流量及洪峰流量的影響，結果表明滲透的增大可有效削減城市暴雨洪峰流量，減少內澇積水災害的發生，汪艷寧等［9］用實驗手段進一步驗證了該理論模型分析結果。

我國1980年代上海市水文總站研究了上海老市區城市化對降雨影響的程度和范圍，實驗中設置了13個雨量觀測點，與各郊縣的55個雨量站平行觀測，結果表明降水強度以市區為中心向外依次減小，城市化后使暴雨雨日增多［16］。周玉文等［17］通過兩次暴雨徑流無因次單位過程線比較顯示，城市化進程使不透水面積已達全流域面積的25%以上，洪水峰值明顯提高，洪峰流量增大、洪峰出現時間提前，按原城市化規模設計的雨水管網已遠不能滿足及時排出暴雨洪水的要求。

2.3城市雨水管網系統模擬與優化設計研究

隨著計算機技術的發展，國內外對城市雨水管網模擬與優化問題進行了廣泛的研究。美國等發達國家自20世紀60年代起，先后研究并完善了雨水管理模型SWMM、沃林福特程序、蓄水處理與溢流模型STORM、MIKE模型、澳大利亞XP-SWMM模型等多種雨水管網系統模擬模型［18］。

結合我國實際，我國學者相繼提出了各種城市雨水徑流計算模型，周玉文等［17］基于地理信息系統開發的城市雨水徑流模型實時模擬技術，得到國內外廣泛關注。國內外對城市雨水管網模擬的研究多側重于對降雨-徑流系統中間過程的物理過程的描述，而輸入不確定性對系統輸出的影響方面的研究尚未得到重視，主要原因在于實際降雨-徑流過程是一個復雜性系統，受制于不確定性系統理論與方法的研究水平。

對城市雨水管網系統參數的優化研究中，傳統的優化思路主要是通過調整各管道管徑使建造費用目標最小，難以保證設計出的管網系統具有較高的可靠性，國內外相繼提出了度量管網不確定性的研究方法［17-18］，但研究思路多是將不確定性因素轉換為確定性的約束條件，仍沿用傳統優化思路設計管網，管網系統優化結果的可靠程度仍較低。

2.4不確定性理論研究進展

不確定性研究一直是系統科學、信息科學等學科領域的研究熱點，近年來取得了大量研究成果［11］。目前對不確定性的研究多集中于隨機信息、模糊信息、區間信息、粗糙信息等各種不確定性的處理［19］。為便于不確定性計算，傳統研究思路主要是針對各種具有特定性質的不確定性信息給出特定的計算方法，通過數學變換轉換為確定性信息，便于傳統方法處理。然而，這種研究思路一方面難以處理包含多種不確定性信息的研究問題，另一方面將不確定性轉換為確定性的過程丟失了大量信息，給計算結果增加了新的不確定性。

信息科學中的信息熵理論被認為是研究不確定性的有效工具之一，是一種人為影響最小的客觀準則，在通信、能源、環境、金融、水文等多學科領域內都取得了一系列的研究成果［20-21］。為解決信息熵理論在應用中存在的優化求解困難等問題，張明等［22］在前期工作中開發、驗證了一整套基于智能計算平臺的信息熵模型，如遺傳熵譜模型、遺傳最大熵模型等，可更容易地與模糊數學、神經網絡、層次分析等智能算法融合，在水資源系統模擬、預測、評價、決策等問題中取得了較好的研究成果，擴展了傳統信息熵理論的研究范圍。應用該理論方法，處理城市雨水管網優化設計中的不確定性，構建包含各種不確定性信息的可靠性目標函數，減小城市雨水管網設計中的不確定性，提高城市內澇積水災害風險管理水平，在防災減災理論與實踐方面具有重要意義。

3　結語

1）全球氣候變化的影響日益顯著，城市化進程日漸加快，將給城市雨水管網設計帶來新的挑戰。

2）當前急需改進傳統的確定性設計方法，提出綜合考慮隨機、模糊、區間、粗糙等多種不確定性信息的城市雨水管網設計模型，服務于各種新建城市雨水管網設計和已有城市雨水管網系統的改造。

3）開展基于不確定性的城市雨水管網優化設計研究，具有較強的現實意義，還可形成不確定性優化理論與方法，推動資源與環境科學等相關學科領域的發展，具有一定的理論研究價值。

［1］周玉文，李振華.排水管網可靠性計算基礎［J］.沈陽建筑工程學院學報，1998，14（2）:105-108.

［2］黃澤鈞.關于城市內澇災害問題與對策的思考［J］.水科學與工程技術，2012（1）:7-10.

［3］郭瑞，禹華謙.雨水管道的概率極限狀態水力計算［J］.中國給水排水，2006，22（24）:51-54.

［4］SCHUSTER G，EBERT E E，STEVENSON M A，et al.Application of Satellite Precipitation Data to Analyse and Model Arbovirus Activity in the Tropics［J］.International Journal of Health Geographics，2011，10（1）:186-196.

［5］丁一匯，張錦，徐影.氣候系統的演變及其預測［M］.北京:氣象出版社，2003.

［6］張建云，王國慶.氣候變化對水文水資源影響研究［M］.北京:科學出版社，2007.

［7］IPCC.Climate Change 2007:Impacts，Adaptation and Vulnerability［A］.//Contribution of Working Group II to the Fourth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change［C］.Cambridge，UK and New York，USA:Cambridge University Press，2007

［8］劉春蓁.自然氣候變異與人為氣候變化對徑流影響研究進展［J］.氣候變化研究進展，2008，4（3）:133-139.

［9］汪艷寧，張杏娟，程方，等.植被滲透淺溝對城市暴雨徑流的調蓄效應研究［J］.中國給水排水，2012，28（5）:61-63.

［10］張悅.關于城市暴雨內澇災害的若干問題和對策［J］.中國給水排水，2010，26（16）:41-47.

［11］WANG D.Accelerating Entropy Theory:New Approach to the Risks of Risk Analysis in Water Issues［J］.Human and Ecological Risk Assessment，2010，16（1）:4-9.

［12］馮平，毛慧慧，王勇.多變量情況下的水文頻率分析方法及應用［J］.水利學報，2009，40（1）:33-37.

［13］NICKLOW J，REED P，Savic D，et al.State of the Art for Genetic Algorithms and Beyond in Water Resources Planning and Management［J］.Journal of Water Resources Planning and Management，2010，136（4）:412-432.

［14］SINGH V P.The Use of Entropy in Hydrology and Water Resources［J］.Hydrological Processes，1997，11（6）:587-626.

［15］DELETIC A，FLETCHER T D.Performance of Grass Filters Used for Storm Water Treatment:a Field and Modeling Study［J］.Journal of Hydrology，2006，317（3/4）:261-275.

［16］李樹平，黃廷林.城市化對城市降雨徑流的影響及城市雨洪控制［J］.中國市政工程，2002，（3）:35-37，67.

［17］周玉文，趙洪賓.排水管網理論與計算［M］.北京:中國建筑工業出版社，2000.

［18］POMEROY C A，POSTEL N A，O'Neill P A.Development of Storm-water Management Design Criteria to Maintain Geomorphic Stability in Kansas City metropolitan area streams［J］.Journal of Irrigation and Drainage Engineering，2008，134（5）: 562-566.

［19］金菊良，魏一鳴.復雜系統廣義智能評價方法與應用［M］.北京:科學出版社，2008.

［20］張繼國，劉新仁.水文水資源中不確定性的信息熵分析方法綜述［J］.河海大學學報（自然科學版），2000，28（6）:32-37.

［21］張明，金菊良，張禮兵.信息論方法在水資源系統工程中的應用［J］.中國人口資源與環境，2007，17（2）:79-83.

［22］張明，張建云，金菊良，等.基于最大熵分布的洪災受災率頻率分析方法［J］.四川大學學報（工程科學版），2009，41（5）:65-69.

Reviews on the Design Uncertainty of Urban Rainwater Drainage System

ZHANG Ming，ZHOU Run-juan，LI Ji-yuan，SUN Jun-wei
（College of Civil Engineering，Anhui Polytechnic University，Wuhu，Anhui 241000，China）

In order to deal with the impact of climate change on urban rainwater drainage system，this work provides a reference for the engineering designer.By means of the methods of literature review，this paper analyzes the latest research results from the aspects of the urban storm distribution law，the process of urbanization，the simulation of storm water pipe network and so on.It is proposed that the model for urban rainwater drainage system should be constructed with the consideration of stochastic，fuzzy，interval，rough and so on.The research results show that the original law of urban rainwater drainage system has been changed with the climate changes，and there is great uncertainty that should be solved by the research.

urban rain water；drainage system；design；uncertainty

TU992.02

A

1673-1891（2016）03-0004-03

10.16104/j.issn.1673-1891.2016.03.002

2016-06-02

國家自然科學基金項目（51409001）；安徽省高校優秀青年人才支持計劃重點項目（gxyqZD2016127）；安徽省高等學校省級質量工程項目（2014jyxm180）；安徽工程大學校級本科教學質量提升計劃項目（2014jyxm09）。

張明（1983—），安徽巢湖人，博士，副教授，研究方向：水資源系統工程研究。