基于水力模型的城市排水管網能力評價體系的探討

謝文敬

摘要：在洪澇災害頻發背景下，排水系統能力分析與評價日益重要，受限于傳統經驗模式的管理滯后性，本文簡介水力模型的基本原理，提出了基于水力模型的排水系統能力評價體系的嘗試探討，為相關管理部門提供了排水系統管理的新途徑。

關鍵詞：洪澇災害;城市排水系統;水力模型;管網能力評價

一、研究區域概況

本次研究選取武漢市某雨水分區為評價對象，該區域現狀總匯水面積53.1平方公里，匯流范圍東起解放大道沿線，西至姑嫂樹路和新華路，北臨張公堤，南達漢江。

根據地形地勢該區域分為高排系統與低排系統兩個區域，現狀已建主干管涵約161公里，主干明渠11.8公里。由于系統出口泵站后湖二期和后湖三期的服務范圍和入口渠道不同，并且其起排水位相差約2米，故分為高排系統和低排系統兩個子匯水區。

該區域匯水范圍大，排水管網較長，目前主要依靠傳統經驗式運維模式，存在多處區域內澇情況。本次采用InfoWorks ICM模型軟件對該區域進行水力建模，可視化評析評價排水系統薄弱環節，為相關部門提供科學指導。

二、模型構建

（1）設計雨型

根據武漢市暴雨強度公式，根據重現期可分為以下幾類：

0.5a-10a重現期下的暴雨強度公式為

0a-50a重現期下的暴雨強度公式為

100a重現期的暴雨強度公式為

式中：q—設計暴雨強度[L/（s.hm2）];

P—重現期（a）;

t—降雨歷時（min）;

本次采用1a、2a、3a、5a、10a、20a、30a、50a這8個重現期分別模擬排水管網排水的狀況。采用芝加哥暴雨雨型【1】設計人工降雨過程曲線，如下所示

瞬時降雨強度曲線如圖1至圖8所示。

（3）概化結果

通過提取cad，gis數據庫中的管網與下墊面數據，將其導入模型軟件，排水系統概化結果：管段根數共有965根，管網的總長度有180522.2米，管段的管徑最小的為600mm，最大的管徑為34*3的明渠，主要的檢查井節點有897個，排水出口有3個，節點對應的檢查井的井室的底深最小的為16.4，最大的為23.97，有2個泵站前池。

三、評價實施

（1）評價指標

本文選取四個高層次指標：u1淹水的面積比例、u2溢水的節點數比例、u3超負荷管段的數量比例、u4單位匯水面積溢出水量;2個低層次指標：其中u1淹水面積比分為3類，u11水深度為0-0.15輕微積水區，u12淹水深度為0.15-0.4的輕微內澇區，u13淹水深度大于0.4的嚴重內澇區。u2溢水的節點數比分為5類u21一級0-1000m3，u22二級1000-5000 m3，u23三級5000-10000 m3，u24四級10000-50000 m3，u25五級50000 m3。分別對8個重現期即1a、2a、3a、5a、10a、20a、30a、50a排水系統能力進行綜合評價

（2）評價權重

對于高層次的評價指標采用比較矩陣法【2】確定權重，經解得的權重體系為a=（0.45501，0.141145，0.141145，0.2627）。對于低層次的評價指標的權重體系采用專家打分法，淹水面積u1的子評價指標的權重體系為w1? =（w11 ，w12， w13）=（0.2，0.3，0.5），溢水節點數比的子評價指標的權重體系為w2=（w21，w22，w23，w 24，w25）=（0.05，0.1，0.15，0.3，0.4）。

（3）評價結果

將區域根據高低排系統位置劃分右上角區域與左上角區域，評價結果如下

低層次指標的綜合評價

根據水力模型模擬結果，u1淹水的面積比例原始值為

u1的評價結果

同理評價指標u2? ? 評價結果

高層次評價指標的評價

將選取四個指標對兩片區域排水系統進行綜合評價，評價結果如下：

通過綜合評價值可以看出重現期越大其值越大，說明其災害風險的可能性越大，通過比較不同重現期的降雨時右上角與左下角主要管道的綜合評價值，可以看出左下角的綜合評價值都比右上角的綜合評價值小即風險較小，此結論風險分布圖上直觀表達的一致。

四、結論

通過對研究區域的水力建模分析，掌握了排水系統模型構建的基本方法路線，對基于水力模型的排水系統綜合評價研究提出了嘗試與探討，并運用于武漢市某排水區域實際案例研究，結果顯示該評價體系基本能夠反映該區域排水系統的實際排水能力，為其他區域排水系統能力評價提供了理論參考。

本次研究在基礎數據獲取與模型校核方面不足存在，希望相關部門對排水管網數據進行進一步的規范和管理，且在往后研究中加強模型的校核工作，有條件的情況下，多設置在線監測點，不斷修正模型的參數和邊界條件。

參考文獻：

[1]金光炎， 朱元生.城市水文學. 北京： 中國科學技術出版社， 1991： 101-129.

[2]王磊. 基于模型的城市排水管網積水災害評價與防治研究[D].北京工業大學，2010.

（作者單位：中工武大設計研究有限公司）