水力模型用于排水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)優(yōu)化

徐建祥

水力模型用于排水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)優(yōu)化

徐建祥

Shui li mo xing yong yu pai shui xi tong de she ji you hua

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，水力模型用于排水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)優(yōu)化已經(jīng)逐漸獲得了人們的高度重視，并且已經(jīng)取得了一定的研究成果。現(xiàn)階段，隨著現(xiàn)代化信息技術(shù)手段信息競(jìng)爭環(huán)境錯(cuò)綜復(fù)雜和日益增多，以至于不能依賴管理者自身的智慧來確保排水系統(tǒng)管理的有效以及決策的成功與否。因此，有必要參照?qǐng)F(tuán)隊(duì)精神和集體智慧，才能在信息競(jìng)爭中立于不敗之地。本文簡要敘述了用于排水系統(tǒng)的水力模型，并深入研究了排水系統(tǒng)的評(píng)估和優(yōu)化,最后參照研究結(jié)論提出了相應(yīng)的建議，目的是為了在實(shí)際工作中更好地發(fā)揮作用。

一、模型概述

1.模型建立

管網(wǎng)模型：研究團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)用InfoWorksCS軟件建立管網(wǎng)模型，針對(duì)某市建成區(qū)內(nèi)6座防汛泵站、8100余處檢查井、160多公里雨水管道的15臺(tái)污水泵與34臺(tái)雨水泵數(shù)據(jù)進(jìn)行了整理，同時(shí)基于此數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)上相應(yīng)的進(jìn)行建模。參照已經(jīng)了解的最新的排水設(shè)施竣工資料、GIS數(shù)據(jù)庫資料以及排水?dāng)?shù)據(jù)管理系統(tǒng)等數(shù)據(jù)進(jìn)行查找。除此之外，相關(guān)的工作人員探討了管道相關(guān)屬性異常、管道縱斷面數(shù)據(jù)異常、GIS數(shù)據(jù)中未連接的孤立管網(wǎng)以及管道上下游連接關(guān)系等，對(duì)不確定的數(shù)據(jù)進(jìn)行了修正和勘測(cè)等,如下圖所示：

研究區(qū)域管線圖

管道儲(chǔ)量調(diào)蓄：該方法假設(shè)匯水面積沿管道長度線性分布，也就是相當(dāng)于均勻地把路面、屋面徑流借助于連接管連接到模型管道。所以，分析借助InfoWorksCS的WaPUGUserNote15方法自定義參數(shù)進(jìn)行儲(chǔ)水補(bǔ)償。管網(wǎng)模型未完全包括社區(qū)內(nèi)部雨水管道、連接支管以及雨水管，如果不考慮上述這些井深和管道具備的儲(chǔ)水容量調(diào)蓄，就會(huì)極大地高估管道超載，不可以真正反映排水系統(tǒng)的儲(chǔ)量。

2.模型率定驗(yàn)證

模型率定驗(yàn)證資料：確定模型參數(shù)后，設(shè)定數(shù)據(jù)頻率為5min，該模型選取2012年7月6日“1年一遇標(biāo)準(zhǔn)降雨”以及2013年6月23日“小雨”兩種類型雨情分別進(jìn)行驗(yàn)證。

率定驗(yàn)證成果：已知2012年7月6日的最大小時(shí)降雨強(qiáng)度為43.2毫米每小時(shí)，降雨歷時(shí)5h，降雨總量為55mm，選取其作為“1年一遇標(biāo)準(zhǔn)降雨”雨情下的率定驗(yàn)證的降雨事件。模擬結(jié)果表明，其系統(tǒng)總排放量誤差為-8.97%～2.8%，滿足相關(guān)的率定標(biāo)準(zhǔn)。已知2013年6月23日的最大小時(shí)降雨強(qiáng)度為17.5毫米每小時(shí)，降雨歷時(shí)2h，降雨總量為25mm，選取其作為“1年一遇標(biāo)準(zhǔn)降雨”雨情下的率定驗(yàn)證的降雨事件。模擬結(jié)果表明，其系統(tǒng)總排放量誤差為-8.97%～2.8%，滿足相關(guān)的率定標(biāo)準(zhǔn)。模擬結(jié)果表明，其系統(tǒng)總排放量誤差為-9.37%～0.19%，系統(tǒng)集水池水位曲線趨勢(shì)基本一致，滿足相關(guān)的率定標(biāo)準(zhǔn)。

模型率定驗(yàn)證基本方法：與此同時(shí)，借助于模型對(duì)不同的雨情進(jìn)行驗(yàn)證，最終確定模型的可靠性與否。對(duì)于模型參數(shù)進(jìn)行率定，參照模型的實(shí)測(cè)值和計(jì)算值的相互關(guān)系特性，當(dāng)實(shí)測(cè)值和計(jì)算值的相互關(guān)系符合標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，對(duì)應(yīng)的模型參數(shù)滿足管網(wǎng)現(xiàn)狀的情況。

二、系統(tǒng)評(píng)估與優(yōu)化

1.系統(tǒng)評(píng)估

設(shè)計(jì)雨型：該模型借助的設(shè)計(jì)暴雨分別為5年一遇、3年一遇以及1年一遇，相應(yīng)的，最大小時(shí)降雨強(qiáng)度分別為56mm、49.6mm、35.5mm。該設(shè)計(jì)峰值時(shí)間為降雨歷時(shí)的0.398，暴雨降雨總歷時(shí)為2h。設(shè)計(jì)的暴雨借助于被廣泛應(yīng)用在該地區(qū)的降雨過程線，其各時(shí)段對(duì)應(yīng)的暴雨強(qiáng)度能夠根據(jù)該市最新暴雨強(qiáng)度公式推導(dǎo)得出。

系統(tǒng)能力：研究團(tuán)隊(duì)所校驗(yàn)的該建成區(qū)共有A、B、C、D、E共5座雨水泵站，配泵總數(shù)為34臺(tái)，其中，12臺(tái)截流泵流量較小，22臺(tái)防汛泵流量較大。研究結(jié)果顯示，各泵站排水能力不盡相同，其中，E泵站排水能力最小，其匯水區(qū)域內(nèi)單位面積排水能力僅為4.3立方米每秒。A泵站以及B泵站排水能力最大，分別達(dá)到34.2立方米每秒和31.0立方米每秒。此外，系統(tǒng)總排水能力為110.1立方米每秒。所以，當(dāng)面臨暴雨時(shí)，E區(qū)域內(nèi)低洼地帶的積水概率將遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他地區(qū)。

2.優(yōu)化方案

雖然在面臨1年一遇及以上降雨事件時(shí)，A泵站雖然設(shè)計(jì)抽排能力很大，但由于所處區(qū)域匯水量大，因此，排水系統(tǒng)已經(jīng)沒有更大的排水能力。在現(xiàn)行的運(yùn)行方案條件下，C泵站、D泵站和E泵站所處區(qū)域排水系統(tǒng)的控制水位比A系統(tǒng)高出3～5m，系統(tǒng)內(nèi)水位相差較大，同時(shí)和A區(qū)系統(tǒng)都有連通，峰值時(shí)周邊系統(tǒng)都有流量進(jìn)入A區(qū)系統(tǒng)，引起A區(qū)系統(tǒng)末端地區(qū)易發(fā)積水情況。因此，現(xiàn)擬通過降低C泵站、D泵站、E泵站所處區(qū)域3座泵站的降雨控制水位，使峰值時(shí)3系統(tǒng)流入A區(qū)系統(tǒng)的流量減少，降低A區(qū)系統(tǒng)壓力，同時(shí)結(jié)合氣象部門的預(yù)測(cè)，在降雨前將A、B、C等各區(qū)系統(tǒng)管網(wǎng)預(yù)前抽空，增加系統(tǒng)調(diào)蓄能力，實(shí)現(xiàn)降低系統(tǒng)管道內(nèi)整體水位，從而及時(shí)的應(yīng)對(duì)徑流峰值的挑戰(zhàn)。

3.優(yōu)化結(jié)果

系統(tǒng)調(diào)蓄容量分析：在降雨前，利用預(yù)抽空降低管道內(nèi)水位的做法確實(shí)可以得到可觀的調(diào)蓄儲(chǔ)量。參照系統(tǒng)內(nèi)部的靜態(tài)管道儲(chǔ)量分析，考慮到該地區(qū)地下水滲入量要比設(shè)計(jì)時(shí)借助的系數(shù)大得多，多數(shù)地區(qū)在20%～30%。所以，當(dāng)系統(tǒng)水位從2.2m降低到-4.35m時(shí)，理論上系統(tǒng)能夠預(yù)留約幾十萬立方米的調(diào)蓄容量，相當(dāng)于該地區(qū)全部3～5mm的降雨量。

開泵時(shí)間分析：C泵站、D泵站、E泵站運(yùn)行時(shí)間均有略微提升，降低C泵站、D泵站、E泵站所處區(qū)域排水系統(tǒng)的運(yùn)行水位后。而A泵站的開機(jī)時(shí)間則從現(xiàn)行方案的1725min減少到優(yōu)化方案的1670min，減少了45min。以C泵站為例，在應(yīng)對(duì)1年一遇設(shè)計(jì)降雨過程中，將泵站運(yùn)行水位降低后，雖然同樣是開啟6臺(tái)防汛泵的滿負(fù)荷運(yùn)行，但泵機(jī)運(yùn)行時(shí)間較現(xiàn)行方案多出15min。這說明降低其他3泵站的運(yùn)行水位確實(shí)可以減少這3個(gè)系統(tǒng)在降雨過程中對(duì)A系統(tǒng)產(chǎn)生的壓力，從而緩解A系統(tǒng)末端的積水情況。

三、結(jié)語

總之，針對(duì)用于排水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)優(yōu)化的水力模型中出現(xiàn)的問題已經(jīng)逐漸得到了人們的高度重視，而且也取得了豐碩的成果。眾所周知，排水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)優(yōu)化在城市排水防澇建設(shè)和管理中扮演了不可或缺的重要角色，其不單單是一門科學(xué)，在一定意義上更是以一門藝術(shù)的身份存在著。本文通過分析與研究排水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)優(yōu)化，旨在讓人們能夠直觀地了解該系統(tǒng)在防汛排澇的系統(tǒng)管理和決策中的重要性，從而更好地開展排水防澇管理工作，服務(wù)于城市人民群眾的生產(chǎn)生活以及城市安全。與此同時(shí)，我們堅(jiān)信建立健全和完善防汛應(yīng)急管理的相關(guān)制度，也會(huì)相應(yīng)推動(dòng)該項(xiàng)技術(shù)的精進(jìn)和開發(fā)出其巨大的潛在能力。系統(tǒng)基于對(duì)話框結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),允許用戶實(shí)時(shí)輸入相關(guān)參數(shù)以及檢驗(yàn)公式,其自身的特點(diǎn)是使用方便，界面友好。該系統(tǒng)開發(fā)應(yīng)用以來，經(jīng)過多地排水管理部門或水文站的檢驗(yàn)，在實(shí)際工作中發(fā)揮了十分重要的積極作用,得到較高的評(píng)價(jià)。

（作者單位：漯河市市政管理處）