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第 26 卷第 5 期
张小娜等 : 城市雨水管网暴雨洪水计算模型研制及应用
( 41 (
i 峰前 = i 峰后 =
Sp nt 1 1( t 1 / r + b) n t1 + r b
p
式中 , Q( t) 为流量 ; L 为坡面长度 ; S 为地表平均 ( 1) 坡度 ; N c 为地表种类参数。 1. 3. 2 雨水管网汇流计算 采用马斯京根法进行管网汇流计算。该法相 对动力波法和扩散波法计算简单, 经验证其结果 与动力波、 扩散波较接近 , 效果较好
模型检验 选用 雨 号 分别 为 20010812 ( % ) 、 20020728 ( &) 、 20030825( ∋ ) 三场实测降雨资料 和# 24 观 2. 3 测井的实测流量资料 进行模型检验。结果见图 5、 表 2。
( 42 (
水
电
能
源
科
学
2008 年
表 2 小区径流总量和峰 值流量检验结果 Tab. 2 Inspec t ion re sult s of t o ta l runoff and peak f low
随着城市化的高速度发展, 城市下垫面条件 变化很大 , 城市防洪、 排水和水质等问题都面临着 新的挑战、 都依赖于城市降雨径流理论的发展和 城市雨水管网暴雨洪 水计算模型的 改进。国外 20 世纪 40~ 50 年代开始这方面研究 , 60 年代后 研制的城市雨洪模型已取得较大进展。为了让优 化方法在实际工程中能方便地运用, 设计了各种 排水工程系统或过程数学模型, 如英国运输和道 路研究所模型 ( T RRL ) 、 美国辛辛那提大学模型 ( CURM ) 、 城市雨洪管理 模型 ( SWM M ) 、 美国陆 军工程兵团模型 ( ST ORM ) 、 Walligf ord 方法、 伊 利诺雨水管道系统模型( ISS ) 、 水力公司模拟模型 ( H YROSIN ) 、 水文计 算模型 ( H SP ) 等 [ 1] 。我国 对城市径流模型研究起步较晚, 目前研究成果为 对雨水管网模拟的扩散波简化和运动波简化法及 对地表径流系统模拟技术包括城市雨水径流计算 中推理公式法、 等流时线法、 瞬间单位线法、 雨水 管道 计 算 模 型 ( SSCM ) 、 城 市雨水 径流 模型 ( CSYJM ) 。目前 , 我国雨水流量设计计算普遍采 用 室外排水设计规范 ( GBJ14 87 )
[ 2]
1
1. 1
模型的建立
雨量过程线 产汇流计算作为暴雨洪水计算的输入条件,
合理选择雨量过程线至关重要。采用 Keifer Chu ( K. C ) 法 , 不仅能确保所有历时的设计雨量都为 同频率、 雨峰强度不随历时而变, 而且选取历时大 于流域汇流历时就可得到稳定的洪峰流量。该法 对资料要求低, 使用方便。图 1 为 K. C 、 W [ 3] 和 H er field 三种方法的比较( 以西安市为例) 。 K. C 法设计暴雨过程线表达式 ( 以最大强度 出现的时间作为原点的时间标度) 为:
中的公式,
致使城市雨水排水管的输水能力不能满足排水要 求, 遇到暴雨就出现街道积水 , 严重时将引起城市 区域洪水泛滥, 造成巨大的经济损失。鉴此, 本文 利用产汇流理论和方法 , 在确保精度的前提下研 制了城市雨水管网洪水计算模型。
收稿日期 : 2008 03 04, 修订日期 : 2008 06 12 基金项目 : 国家自然科学基金资助项目 ( 50609005) ; 教育部博士点专项科研基金资助 项目 ( 20050294002) ; 霍英东 青 年教师基金资助项目 ( 101075) 作者简介 : 张小娜 ( 1981 ) , 女 , 博士研究生 , 研究方向为水文水资源 , E mail: nanaxiao86@ 163. com Fig . 1 图1 三种雨型方法比较
av
。
2
模型的检验
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( 2)
利用湖南长沙雅华花园小区的降雨径流资料 对模型精度进行检验。 2. 1 小区雨水管网基本情况 小区排水体系为雨、 污分流制 , 雨水管道较完 善, 图 3 为雨水管网图 。管道糙率 0. 013, 汇水 总面积 11. 7 ha, 其中不透水面积占 56% 、 地表粗 糙度 0. 012; 透水面积占 44% , 地表 糙率 0. 023; 平均坡度 0. 3% 。
表 1 小区径流总量 和峰值流量率定结果 Tab. 1 Ev aluat ion re sult s of t ot al runo ff and pe ak flow
径流总量/ ( 103 m 3 ) 实测 2. 29 3. 23 8. 87 模拟 2. 50 3. 69 8. 80 峰值流量/ ( L ( s - 1 ) 实测 804 1 035 1 196 模拟 860 1 120 1 239
[ 5, 6]
S nt2 1[ t 2 / ( 1- r ) + b] n t2 + ( 1- r ) b 式中 , i 为瞬时雨强 ; S p 为某重现期的雨力 ; t 1 为 峰前时间 ; t2 为峰后时间; r 为雨峰相对位置 ( 峰 前历时与总历时之比 ) ; b 、 n 为暴雨参数。 1. 2 地表产流计算 城市地表总体可分为透水区和不透水区两大 类。采用径流系数法计算不透水区上产流过程, 应用 H o rto n 下渗曲线法计算透水区产流过程。 ( 1) 径流系数法。计算公式为 :
图 3 小区 雨水管网图 Fig . 3 Ra inf all piping diag ram o f dist ric t
2. 2
参数率定
选用 雨 号 分别 为 20010812 ( % ) 、 20020728 # ( &) 、 20030825( ∋) 三场实测降雨资料和 10 观 测井的实测流量资料进行参数率定[ 6] , 结果见表 1、 图 4。由图表可知, ∀ 峰值流量的误差 3. 6% ~ 8. 3% , 总径流量最小相对误差为 5. 55% , 最大相 对误差 13. 11% 。 # 实测与计算的流量过程线基 本吻合。
相对误 差/ % 8. 82 13. 11 5. 55
径流总量/ ( 103 m 3 ) 实测 3. 72 5. 36 16. 46 模拟 4. 05 5. 08 15. 80
相对误 差/ % 9. 88 7. 26 - 4. 01
峰值流量/ ( L ( s - 1 ) 实测 1 308 1 603 2 015 模拟 1 489 1 760 2 080
雨号 % & ∋ 观察 井号
# 24 # 24 # 24
法计算汇流才能反映实际情况 , 尚待深入研究。 参考文献 :
[ 1] [ 2] [ 3] [ 4] [ 5] [ 6] [ 7] [ 8] 周玉文 , 赵 洪宾 . 排水管网理论与计算 [ M ] . 北京 : 中 国建筑工业出版社 , 2000. 上海建设委员会 . 室外排水设计规范 ( GBJ14 87) [ S] . 北京 : 中国计划出版社 , 1987. 芮孝芳 . 城 市化流 域降 雨径流 计算 方法 [ Z] . 南京 : 河海大学 , 1994. 任 伯帜 . 城 市 设 计暴 雨 及雨 水 径流 计 算 模型 研 究 [ D] . 重庆 : 重庆大学 , 2004. 岑国平 . 雨水管网的动 力波模 拟及试 验验证 [ J] . 给 水排水 , 1995, 21( 10) : 11 13 岑国平 , 沈晋 , 范荣生 . 马斯京根法在雨水管道流量演 算中的应用 [ J] . 西安理工大学报 , 1995, 11( 4) :275 278 Choi K S, Ball J E. Parameter Estimation for U rban Runoffmodeling[ J] . U rban Water, 2001( 4) : 31 41 程银才 , 李 明华 , 范世 香 . 非线性马 斯京根 模型参 数 优化的混沌模拟退火法 [ J] . 水电能源科 学 , 2007, 25 ( 1) : 30 33
∃
= 1 . 446 ( N c L / # 10 # 10
相对误 差/ % 8. 82 13. 11 - 5. 55
相对误 差/ % 6. 97 8. 21 3. 60
% & ∋
Fig. 2
图 2 两种汇流方法比较 Co mpariso n o n t w o kinds o f co nf lue nce me t hods
[ 3]
式中 , F i 为汇水面积上各类地面的面积 ; i 为相 应各地面的径流系数 ; av 为某个特定区域的区域 综合 径 流 系 数, 一 般 市 区 取 0. 5 ~ 0. 8 , 郊 区 取0. 4~ 0 . 6。 ( 2) H o rt on 下渗曲线法。计算公式为: f p = f o + ( f o - f c ) e- kt ( 3) 式中 , f o 为初始下渗容量; f c 为稳定下渗率; k 为 经验参数 ; t 为下渗时间。 1. 3 汇流计算 汇流计算 法有水动力学法 和水文学 法两大 类。由于水动力学计算模型的初始和边界条件复 杂、 计算繁琐, 在城市雨水汇流的实际工程中应用 困难 , 因此采用水文学法。 1. 3. 1 地表汇流计算 采用等流时线法。 ∀ 与传统推理法相比, 两 者在用暴雨公式设计洪峰流量时相差不明显, 相 对误差控制在 10% 左右。而模拟径流流量过程 时, 等流时线法具有 独特的优 势[ 3, 4] 。 # 非线性 水库法和等流时线法虽计算出的流量过程线十分 接近 , 峰值相差也不明显 ( 图 2 ) , 但等流时线法简 单。等流时线法的计算公式为 : t F( t- ) Q( t) = 0 i( ) d ( 4)