（环境工程专业论文）城市雨水系统工况模拟与内涝风险评价.pdf

摘要 随着城市建设的迅速发展、城市化程度的进一步提高，尽管排水系统建设 力度随之加大，但是城市内涝问题仍呈现日益显著的态势。由于城市内涝灾害 多年来持续威胁城市安全，给城市的正常运转带来风险，因此本文将风险的概 念引入城市内涝问题研究，结合先进的计算机模拟手段模拟雨水系统不同工况 并进行城市内涝风险评价。风险技术与模拟技术的结合，使得水力模型的应用 更具实用性，可以为其他城市或地区的雨水系统建模以及内涝风险分析提供借 鉴，为城市暴雨管理、解决内涝问题提供了决策参考。 首先，本文对城市雨水的计算机模型进行了比较并详细介绍了i n f o w o r k s c o l l e c t i o ns y s t e m 模型的理论和方法。 其次，给出城市内涝的定义，系统分析了城市内涝问题的成因是气候、地 面及人类活动的影响三个方面，其中气候因素中的暴雨是构成内涝的直接成因。 再次，根据风险研究的理论和方法，确定了城市内涝问题的研究方法，即 利用综合分解分析法、检查表法进行内涝风险辨识：利用概率分析法和蒙特卡 洛法进行风险估计；利用模糊综合评价法进行风险评估。 最后，在利用i n f o w o r k sc o l l e c t i o ns y s t e m 软件建立动态水力模型并利用泵 站记录资料完成模型率定的基础上，结合实例模拟了降雨强度重现期和水泵失 效情况下雨水系统的反应过程。提出利用积水深度和可恢复性作为内涝风险后 果影响的量化指标，通过积水深度来表征内涝对城市交通带来影响的程度，通 过可恢复性来表征地面遭到淹水后恢复正常的能力，并利用软件数据自编程序 计算上述指标。根据模拟结果进行以节点积水风险代替地面内涝风险的评估并 绘制特定重现期下的研究区域节点风险图，直观显示内涝风险程度，同时识别 系统瓶颈，为日后暴雨管理、解决内涝问题提供科学的依据。 关键词：城市雨水系统；内涝；风险评价；重现期；水泵失效；蒙特卡洛法 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fu r b a nc o n s t r u c t i o na n dt h ef u g h e ri n c r e a s eo f u r b a n i z a t i o np r o c e s s ，t h o u g hg o v e r n m e n tp a y sm o r ea t t e n t i o nt ot h ec o n s t r u c t i o no f u r b a ns t o r ms y s t e m , t h ep r o b l e mo f c i t yw a t e r l o g g i n gi ss t i l li na ni n c r e a s i n gt r e n d s i n c et h eu r b a ns e c u r i t yi sc o n s t a n t l yt h r e a t e n e db yw a t e r i o g g i n gd i s a s t e ra n dt h e r e a r es o m er i s k si nt h en o r m a lo p e r a t i o n ，i nt h i sp a p e rr i s ka s s e s s m e n ti sa p p l i e dt ot h e s t u d yo fc i t yw a t e r l o g g i n ga n dc o m p u t e r i z e ds i m u l a t i o nm e t h o di su s e dt om o d e l d i f f e r e n ts i t u a t i o n s t h ec o m b i n a t i o no fr i s k s t u d ya n dc o m p u t e r i z e ds i m u l a t i o n w h i c h m a k e st h ea p p l i c a t i o no f h y d r a u l i cm o d e lm o r ep r a c t i c a lc a nb eu s e dn o to n l y f o rr e f e r e n c et om o d e l i n ga n dr i s ka s s e s s m e n tf o ro t h e rc i t i e sa n dr e g i o n sb u ta l s o f o rd e c i s i o nm a k i n gi nu r b a ns t o r mw a t e rm a n a g e m e n ta n d w a t e r l o g g i n gs o l u t i o n f i r s t l y ，m a n yu r b a ns t o r mw a t e rm o d e l sd e v e l o p e db ya c a d e m i ci n s t i t u t i o n s ， r e g u l a t o r ya u t h o r i t i e s ，g o v e m m e n td e p a r t m e n t sa n de n g i n e e r i n gc o n s u l t a n t st h a ta r e c a p a b l eo fs i m u l a t i n gw a t e rq u a n t i t yi n 锄u r b a nc a t c h m e n ta f ec o m p a r e d t h e t h e o r i e sa n dm e t h o d so fi n f o w o r k sc o l l e c t i o ns y s t e mm o d e la r ei n t r o d u c e d s e c o n d l y ，t h ed e f i n i t i o na b o u tc i t yw a t e r l o g g i n gi sg i v e n t h er e a s o n sc a u s e d c i t yw a t e r l o g g i n ga r ew e a t h e r ，g r o u n da n dt h ea c t i v i t i e so f h u m a nb e i n ga n ds t o r mi s t h ed i r e c tr e a s o ni nw e a t h e r t h i r d l y , t h et h e o r i e s a n dm e t h o d so fr i s k s t u d y a r ed e m o n s t r a t e da n d c o m p r e h e n s i v ed e c o m p o s i t i o na n a l y t i c a lm e t h o dc o m b i n e dw i t hc h e c kl i s tm e t h o d a r ea p p l i e dt or i s ki d e n t i f i c a t i o n ，t h e nt h em e t h o d so f p r o b a b i l i t ya n a l y s i sa n dm o n t e c a r l os i m u l a t i o na r ea p p l i e dt or i s ke s t i m a t i o na n df u z z yc o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o n p r o v i d e st e c h n i q u e sf o rr i s ke v a l u a t i o n f i n a l l y ，ah y d r a u l i cm o d e lb a s e do nc a s ei sb u i l tu s i n gi n f o w o r k sc o l l e c t i o n s y s t e ms o f t w a r ea n dv e r i f i e du s i n gp u m ps t a t i o nr e c o r d s m o d e lr e a c t i o n su n d e rt h e s i t u a t i o n so fs e v e r a lr e t u r np e r i o d sa n dp u m pf a i l u r ea r ed i s c u s s e d s e e p e rd e p t ha n d r e c o v e r a b i l i t ya r es e l e c t e da sq u a n t i t a t i v ei n d e x e so fr i s kc o n s e q u e n c ea n di no r d e r t oc a l c u l a t et h o s ei n d e x e su s i n gc sd a t e sp r o g r a m sa r ec o m p i l e d t h ei n d e xo f s e e p e rd e p t h i sc h a r a c t e r i z e dt h ei n f l u e n c e o nt h eu r b a nt r a f f i cc a u s e d b y w a t e r l o g g i n ga n dt h ei n d e xo fr e c o v e r a b i l i t yi sc h a r a c t e r i z e dt h ec a p a c i t yr e s t o r e dt o n o r m a lf r o mw a t e r l o g g i n g r i s ka s s e s s m e n to nw h i c hn o d er i s ki ss u b s t i t u t e df o r d i s t r i c tr i s ki sc a r r i e do u ta c c o r d i n gt ot h er e s u l t so ft h es i m u l a t i o n sa n dr i s km a po f s p e c i f i cr e t u r np e r i o di sd r e wt h a tc a l lr e f l e c tt h ed e g r e eo fc i t yw a t e r l o g g i n ga n d i d e n t i f yt h eb o t t l en e c ko ft h es y s t e ma n dp r o v i d et h es c i e n t i f i cb a s i so fs t o r mw a t e r m a n a g e m e n ta n dw a t e r i o g g i n gs o l u t i o n k e yw o r d s ：u r b a ns t o r ms y s t e m ；w a t e r l o g g i n g ；r i s ka s s e s s m e n t ；r e t u r n p e r i o d ；p u m pf a i l u r e ；m o n t ec a r l om e t h o d 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨盗盘堂或其他教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在 论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：掀 签字日期： 沙7 年 月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨鲞态堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权丞鲞盘堂可以将学位论丈的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学 校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：矛圻欠 签字日期：洳矽年 月 日 第一章绪论 1 1 课题研究背景 第一章绪论 作为城市不可缺少的重要市政基础设施，排水系统集排除雨污水、改善居 住环境、防止公共水域污染于一身，促进了城市用水的健康循环。如果把供水 系统比作城市的动脉，那么排水系统就是城市的静脉，是恢复水环境、使城市 健康发展的生命线工程。它使城市免受污水、暴雨积水之害，为城市创造出安 全卫生的生存、生产环境，使城市生态系统的能量流动和水文循环正常进行， 保证了城市的可持续发展。 随着城市建设的迅速发展、城市化程度的进一步提高，尽管包括排水系统 在内的市政设施建设力度随之加大，但是城市内涝问题仍呈现显著的态势，特 别是地处沿海的城市，往往由风、暴、潮等自然因素所引发的内涝灾害则更为 严重，它造成房屋的积水、大片农田的淹没、交通枢纽的瘫痪，严重的甚至使 得汽车、高层建筑的地下动力设备浸水失效以及电、水、煤气、通讯等城市生 命线系统遭到破坏。例如杭州市，自1 9 8 8 年以来几乎每年都有内涝问题出现， 特别是从1 9 9 6 年以来，已经连续4 年遭受特大内涝灾害。1 9 9 9 年梅雨季，间 歇性的连续暴雨，市区累计降雨量为4 2 1 9m i l l ，全市有10 9 处积水点，其中道 路积水4 l 处，仅下城区有10 0 多个居民区处于积水地段。在2 0 0 1 年6 月2 2 日至2 6 日，杭州又连降大雨，市区连续5 天累计降雨量为2 4 2 4m m ，日最大 降雨量为7 8 3l i l m ，尽管上述数据是近10 年中最低的，但杭州城西北部的内河 仍水满为患，城区多处积水，杭州城再次发生严重内涝灾害。 不仅华东的城市如上海、杭州多年来受到内涝灾害的影响，东北、华北的 很多城市也一直饱尝雨季内涝之苦，如图1 1 所示。截止至2 0 0 7 年，哈尔滨主 城区内仍有2 3 处内涝严重的积水点，积水最深可达到1 5 “2 1 。自9 0 年代以来， 石家庄几乎每年都会发生不同程度的内涝问题：1 9 9 5 年7 月，一场大雨使中山 路以东积水1m 多深；1 9 9 6 年的汛期暴雨几乎让市区一片汪洋；2 0 0 6 年7 月 1 4 日的一场暴雨，造成全市9 座地道桥下积水，中山路、新华路、裕华路等交 通干道断交【3 】。据统计，天津市市区沥涝淹泡也几乎年年发生。l9 9 4 年8 月6 日，市区平均降水9 4 6m m ，尚不足5 年一遇，有4 2 处积水，最大积水深0 9m 。 2 0 0 3 年8 月5 日1 6 时，一场降水量为9 4 3m m 的短历时暴雨使津城变为水城， 大沽南路河西图书馆地段地面积水深达lm 。同年1 0 月，天津市又遇到5 0 年 来同期最大的一次暴雨：恰逢农历9 月1 5 日，受望月大潮潮水顶托影响，泄水 不畅，加上海河干流防污染限制排沥，市区又遭内涝灾害，积水深lm 以上的 第一章绪论 地段达3 7 处，积水最深处达到l4m ，耳闸施工围堰险遭溃坝。从上世纪9 0 年代一直到本世纪初，天津市市区内涝问题一直没有得到妥善解决而且短历 时大暴雨或特大暴雨引起的致灾程度还有增长的趋势o i 。 图i 1国内城市内涝情况 由上述可以看出城市内涝灾害多年来持续威胁城市安全给城市的正常运 转带来风险，因此结台先进的计算机模拟手段模拟雨水系统不同工况并进行内 涝风险评估、风险管理，从而减少内涝损失十分必要，闰时也为城市雨水系统 管理者提供决策支持。 2 国内外发展和现状 近代城市雨水系统的产生及发展，从早期的收集输送雨水到点源治理，再 到现在的暴雨雨水管理以及雨水系统综合管理，雨水系统正在逐渐改善其控制 及管理方法以发挥其最大效用。为了实现对雨水的管理，必须对雨水径流过程 有深入的认识、准确的模拟和预测。只有较为准确的反映真实雨水系统的情况 才能为内涝风险研究以及雨水系统管理提供可靠的基础。 发达国家从2 0 世纪6 0 年代起就开始研制城市排水管弼模型，使其在城市 防洪预警、污染治理及术资源利用方面发挥作用。堆早致力于城市排水模型研 究的国家有美国、英国、法国、德国、澳大利亚以及俄罗斯。随着计算机技术 的普及和提高，城市雨水工况模拟越发依赖于计算机模型，上述国家又提出了 可在计算机i 运行的城市暴雨雨水模型、程序和计算方法。例如：( i ) 英国环 境部及全国水资源委员会开发的沃林福特程序( w a l l i n g f o r dp r o c e d u r e ) 12 1 ，其 最新版本称为i n f o w o r k sc o l l e c t i o ns y s t e m ( 简称c s ) ，它可以细致、精确的 模拟雨污水收集系统的工作环境，预测雨污水管道系统的工作状态以及降雨对 第一章绪论 于环境的影响；( 2 ) 丹麦水力学研究所( d h i ) 开发的可以用来计算雨水径流、 实现实时的监控和s c a d a 系统的在线分析排水管网模拟软件包m o u s e ( m o d e l i n go f u r b a ns e w e r ) ； ( 3 ) 美国工程师协会水文工程中心开发的“暴 雨”模型( s t o r m ) ，它可以模拟蓄水、处理、溢流、径流模型，能够模拟城 市流域的径流和污染符合，适用于规划阶段对排水流域长期径流过程的模拟； ( 4 ) 美国环保署( e p a ) 资助，由梅特卡夫埃迪公司( m & e ) 、佛罗里达大 学( u o f ) ，美国水资源公司( w r e ) 等联合开发的雨水管理模型( s w m m ) ， 【6 j ，7 1 。这些程序及模型的功能各有差别，能部分或全部实现以下各项模拟：雨洪 径流及其挟带的污染物质从地面，经过排水管网、贮蓄和处理设施，最终到达 受纳水体的整个运动、变化的复杂过程；可作单一事件或长期连续时期的模拟； 支持二次开发，具有良好的可移植性，能够建立适合不同地区的模型。除此以 外，基于这些模型的软件都在不断更新以适应不同的模拟要求。 。 随着红外遥感和地理信息系统( g i s ) 等技术的发展，建模数据数量增多、 质量提高，为建立高精度雨水系统模型提供了良好的辅助作用【8 】。中央监控系 统( s c a d a ) 对于建模数据的采集监控提供支持，完善的决策支持系统( d s s ) 也为雨水系统模型建立后的应用提供了良好的平台。与此同时，在线实时控制 技术( r t c ) 在设计雨水系统及提供系统运行方案的同时使得对于雨水收集、 处理、排放的水量水质综合管理成为可能【9 】1 0 】。融合多种技术的雨水系统模型， 其功能逐渐完善，应用范围进一步扩大。雨水系统模型作为城市雨水管理的重 要分析和决策辅助工具在西方国家的发展中得到充分地肯定，经验证明采用这 些先进的方法进行系统的设计、运行、管理为他们带来了巨大的经济和社会效 益。 近1 5 年来，国内也逐渐开始了对于暴雨管理的研究和应用，主要表现在自 主建立管网模型以及应用国外模型两个方面。1 9 9 3 年，岑国平、詹道江建立了 我国第一个完整的雨水管道径流计算和设计模型城市雨水管道计算模型 ( s s c m ) ，它包括暴雨、地表产流、地表汇流、管网汇流和雨水管道设计子 模型。主要用于雨水管道系统设计、校核以及城市雨洪的控制和雨水污染的防 治，但是存在无法模拟回水现象以及精度不高等问题】；周玉文建立了城市排 水管网非恒定流模拟模型( c s p s m ) ，应用于沈阳市部分排水管网的模拟计算， 并为改造城市排水管网提出设计方案，根治了沈阳市部分积水区的积水问题 【1 2 ，l3 】；刘俊针对城市化地区水文特性变化和传统水文分析计算方法的不足，提 出了可用于城市化地区水文水力计算和模拟的城市排水管网模型1 4 】。尹剑敏等 人开发了基于一维非恒定流管网模型和二维非恒定流地面流动模型的城市暴雨 积水仿真系统的数学原理，并应用于南昌市根据其地理管网系统确定参数，利 第一章绪论 用实际降雨模拟，积水深度小于2 0c m 的占8 3 ，较接近实际【”j 。 由于国外模型发展起步早，模型较为完善，因此我国学者将国外模型直接 应用或者改进后应用于国内城市排水系统的研究近年来呈现上升趋势。2 0 0 1 年 赵雅娟等将s w m m 模型用于深圳罗湖小区排水系统动态模拟i l6 j ；王喜冬分别 应用h y d r o w o r k s 和m i k e1 1 建立香港岛南区市政雨水管网系统模型和郊区排 洪沟系统模型，在对水文水力模型进行校准的基础上，根据现状模型的运行结 果对管网进行现状评价和洪水风险评估，利用规划模型辅助管网改造设计和方 案最优化，此外，还应用i n f o w o r k s3 0 对香港岛污水管网系统总体规划进行了 研刭 】；高林峰应用i n f o w o r k s 水力模型软件建立了上海市污水治理二期工程 中大型污水输送系统的水力模拟模型，根据实际运行数据校正了阻力系数，模 拟水力特征良好地体现出上海市污水治理二期工程污水输送系统的运行状况， 通过r t c 模拟可以看出采用自动水泵运行顺序可以获得比手动控制更稳定的 水位【1 8 】；董欣等探讨了s w m m 在城市排水系统规划中的应用，对城市系统进 行全过程模拟，定量分析区域的排污情况并给出治理建议u 9 ；刘俊等将基于 s w m m 建立的水力模型应用于上海市城区排水系统，开发出适合上海市区产 流及排水特点和防汛管理要求的城市雨洪模型，可在实时和规划条件下动态模 拟各排水片和街区的地面积水全过程，并能满足市区防汛预报、水情分析、工 程规划与管理等工作的要求【2 0 1 ；刘兴坡等将基于s w m m 建立的水力模型应用 于镇江市区排水工程实践，对排水管网计算机实用建模方法进行了探讨，尤其 在汇水区划分、建模参数选取等方面取得了丰富成剽2 1 】。 与雨水管网计算机模拟产生类似，风险分析最早也由发达国家提出。1 9 8 0 年，美国风险分析协会( t h es o c i e t yf o rr i s ka n a l y s i s ，s r a ) 成立1 2 2 j ，标志着 风险分析在发达国家开始广泛的发展。目前风险分析己经在金融市场分析、工 程运行、网络安全、企业财务状况分析、投资分析、灾害规避和信息安全等方 面有了深入的研究和广泛的应用【2 3 1 ，并且近几年已经开始渗透到水系统领域。 1 9 8 9 年，d a l e sm y 等人在研究地区性洪水的过程中，给出了水库设计的风险 评估步骤，并应用于实例中，效果良好 2 4 1 。2 0 0 0 年，g h e o r g h e 等提出了区域 综合风险分析和安全管理( i r r a s m ) 的框架，并阐述了现代化工具如g i s 技 术和决策支持系统等对于风险问题解决和管理决策的必要性【2 5 】。2 0 0 2 年，欧洲 的d a yw a t e r 项目旨在发展一项适应决策支持系统( a d s s ) ，以达到基于可持 续水资源管理策略的雨水水源控制和综合利用目的，该项目第四个工作包就是 风险和影响评价，不仅使工作人员对于风险的特征与决策制定的关系有了更加 全面的了解，而且通过风险管理对暴雨源进行了更好地控制。2 0 0 7 年，希腊在 借鉴d a yw a t e r 项目经验的基础上对该地区暴雨源污染控制进行了深入研究， 第一章绪论 并探讨了将欧洲经验应用于本土的可行性【2 6 1 。 我国将风险分析引入水系统主要表现在洪水风险分析、水资源系统风险分 析、给水系统风险分析、排水系统风险分析四个方面，并且随着对于风险研究 的进一步深入，派生出了很多风险分析方法，应用的领域也进一步扩展。例如 情景分析法用于高压输气管道的风险分析【2 丌，肯特指数评分法用于输气管网风 险分析，蒙特卡洛法用于洪水风险分析及地下水允许开采量风险分析，灰色理 论用于水资源风险分析，马尔科夫链法用于水灾风险估算，多目标模糊优选动 态规划理论用于水资源优化分配研究等。 尽管风险分析研究和应用取得了很大的进展，国内外学者发表了很多有关 风险分析的论文，但应用到排水系统风险的研究还不多见，一些方法还不成熟， 尚处于探索阶段，如王彪等通过借鉴国内外油气行业普遍使用的肯特风险分析 法，对风险分析在排水管道维护管理中的应用进行了初步探讨，并提出了排水 管道半定量风险分析模型，同时对排水管道风险分析的相关工作提出了建议 【2 引。朱婷提出了雨水管网运行风险分析和模拟方法，创造性地将风险分析技术 的幕景分析及模糊理论与s w m m 模拟技术相结合，以工程实例为背景进行了 探索性的研究【2 9 1 。之所以此领域研究还不多见，原因主要表现在以下两个方面： 一方面由于风险分析的方法众多，应用范围有所差异，需要进一步应用实践； 另一方面排水模型也种类繁多，对于雨水系统的模拟也正处于逐渐成熟和发展 阶段，因此以建立在雨水系统模拟基础上的风险分析自然也处于起步阶段。 1 3 研究的目的和意义 此次研究旨在通过对雨水系统不同工况的计算机模拟，分析城市内涝风险 问题并研究适用于雨水系统风险分析的方法，为城市排水管理者提供决策支持， 为减少城市内涝损失做出有益的探索。研究的意义如下： ( 1 ) 利用先进的计算机模拟软件对城市雨水系统进行模拟分析，为雨水系 统服务性能的总体评价及系统瓶颈的识别提供科学依据。 ( 2 ) 利用软件的多数据接口支持技术建立数据库，为日后研究区域数据的 整理录入提供便利，同时对其他区域建模的基础数据整理也具有参考价值。 ( 3 ) 能够对传统方法计算得到的雨水系统设计方案进行二次优化，模拟不 同系统运行方案下区域的内涝情况，为日后雨水系统的运行提供有力指导。 ( 4 ) 将风险分析的理论与方法引入城市内涝分析，为城市暴雨事故抢险和 雨季交通管理等提供科学的决策依据，对管网模型的进一步应用具有重要价值 和意义。 第一章绪论 1 4 研究内容和技术路线 1 4 1 研究内容 本文在雨水系统的计算机模拟基础上， 水系统不同工况，通过城市地面积水深度、 析。主要的研究内容如下： 以暴雨因素和水泵失效因素产生雨 可恢复性两项衡量指标进行风险分 ( 1 ) 介绍i n f o w o r k sc s 软件的背景、运用的基本理论方法，分析其进行 动态模拟的功能和特点以及在风险分析过程中该软件所能发挥的作用，给出建 立、率定雨水系统的动态水力模拟模型的方法和步骤。 ( 2 ) 系统分析城市内涝问题的成因，阐述风险研究的理论和方法，对众多 风险辨识、分析、评价的方法加以比较，提出本文中使用的内涝风险辨识、估 计、评价方法。 ( 3 ) 对沿海某产业区进行实例研究，通过实地调研、查阅文献等手段获取 基础资料以及资料整理方法，并利用g o o g l ee a r t h 、a c c e s s 、a u t o c a d 等软件 对基础资料进行整理。 。 ( 4 ) 结合实际降雨数据、相关文献确定暴雨因素、水泵失效因素，选择雨 水系统的工况条件。 ( 5 ) 应用i n f o w o r k sc s 软件对研究区域雨水系统进行不同工况下的动态 模拟，评价系统总体性能并分析瓶颈区域。对研究区域展开风险辨识，进而对 模拟区域进行风险估计、风险评价。 1 4 2 技术路线 通过对课题的分析给出具体技术路线，如图1 2 所示： 第一章绪论 图1 - 2 研究技术路线图 第二章城市雨水系统工况模拟 第二章城市雨水系统工况模拟 2 1 城市雨水系统组成 城市排水管网系统涉及城市流域、进水口、地下排水管网、天然排水网络、 用地分布、街道、路网、地形、水工设施等多种构筑物和附属构筑物，是一个 复杂的综合体2 9 1 。城市雨水系统通常包括房屋雨水管道系统、室外雨水管渠系 统、雨水泵站、压力管道、排洪沟及雨水口，但对于每个具体的雨水系统来说 不一定需要全部具备。本文研究的主要对象是城市雨水系统中下述两个部分： ( 1 ) 城市雨水管渠系统及其附属构筑物 城市雨水管渠系统即敷设在地面以下依靠重力流输送雨水的管渠系统，它 属于室外雨水管渠系统。管渠系统的附属构筑物包括检查井、雨水口、溢流井 及出水口，主要作为连接管道、调节水量之用。从材料上看，雨水管渠通常为 混凝土管、钢筋混凝土管、塑料管以及砖砌渠道等。 ( 2 ) 雨水泵站 由于发生内涝的地区通常地势较为低洼或地形平坦且雨水管道长，在这些 地区，雨水在管网中汇流后难以排入附近水体，需要设置雨水泵站。有些情况 下，雨水泵站因其流量局限、水泵损坏等问题成为城市排除雨水的限制因素， 也是内涝发生的一大风险因素。 2 2 计算机模拟方法简介 计算机模拟研究通过建立模型来实现，是进行系统模拟的重要反映形式和 手段。模拟模型是根据实际监测资料所提供的部分信息，通过逻辑推理、数据 分析、物理模型试验或软件计算建立起能代替真实系统的模型，然后通过模型 进行系统变化规律的研究。通过建立模型可以对各种环境现象( 如降雨排水过 程) 进行实时的模拟、控制回溯过去状态、预测未来变化趋势，从而为风险研 究提供依据。在模型模拟过程中可以掌握系统内部因子的变化规律，对系统变 化进行定性和定量的描述，节约了人力、物力、财力，提高了管理工作的效率。 当前，各种计算机模拟软件的开发与应用大大提高了研究的效率与水平。 在城市排水系统水量、水质模拟方面，科研院所、管理机构、政府部门以 及工程顾问公司开发了上百套模型。表2 1 选取了广泛应用的部分雨水水量模 拟模型，并从类型、模拟方式、附加功能等方面进行对比。 第二章城市雨水系统工况模拟 表2 - 1 城市雨水系统模拟模型比较i 驯 第二章城市雨水系统工况模拟 从表2 - l 可以看出，m i k e - s w m m 软件和w a l l i n g f o r dm o d e l 软件兼具规划、 运行、设计的功能，此外，这两个模型也都包括堰、水泵、天然河流等复杂系 统要素的模拟。考虑到课题组条件，本研究应用w a l l i n g f o r dm o d e l 最新版本对 降雨排水过程进行模拟，以反映城市内涝灾害发生的程度，并为进一步风险研 究提供技术支持。 2 3 基于i n f o w o r k sc o l l e c t i o ns y s t e m 的雨水系统模拟 2 3 1 软件的产生与发展 i n f o w o r k sc o l l e c t i o ns y s t e m ( 以下简称i n f o w o r k sc s ) 的前身沃林福 特程序( w a l l i n g f o r dp r o c e d u r e ) 是由英国水力研究院于1 9 7 8 年开发出的一整 套模型，包括降雨径流模型( w a s s p ) 、简单管道演算模型( w a l l r u s ) 、 完整管道演算模型( s p i d a ) 以及水质模拟模型( m o s q i t o ) 。模型可以用 1 5 分钟的步长模拟雨水、污水系统或者合流污水系统f 3 0 1 。其中w a s s p 产生于 1 9 8 2 年，是第一个可以在i c l 主框架中运行的城市污水模型软件；w a l l r u s 产生于1 9 8 9 年，是可以在8 0 2 8 6i b mx t 上运行的污水模型软件；s p i d a 是于 1 9 9 2 年产生的在d o s 系统支持下的复杂完整解模型软件；m o s q i t o 是于1 9 9 3 产生的第一个枝状系统的水质模型。 英国水力研究院于1 9 4 7 年成立h rw a l l i n g f o r d 集团公司。公司在8 2 年从 环境部私有化，于1 9 8 7 年成立w a l l i n g f o r d 软件有限公司，着力于软件产品和 系统的开发。最新的软件i n f o w o r k sc s 改进并集成于1 9 9 8 年，可以用于雨污 水收集系统和污水处理厂研究，精确模拟雨污水收集系统的工作状态。该软件 发展迅速，至今已经从版本2 0 改进到9 5 ，十年间进行了1 8 次升级。无论从 界面形式、结果导出途径、表现方式，还是从与多种软件( 如a m o c a d ，a c c e s s ， g o o g l ee a r t h ，g i s 等) 的无缝连接、提高模拟维数、用户可操作性等方面都进 行多次改进，使得软件日趋完善。 i n f o w o r k sc s 软件应用广泛，用户几乎遍及世界各个水力、咨询公司、地 方权威及学术机构。它可以用于城市排水系统的现状评估、改造规划和新建城 市化排水系统的设计与规划；城市降雨径流控制、调储设计及评估；城市积水 和污染预报，提供必备的管网局限性分析和方案优化；为雨、污水系统控制运 行提供可操作的实时模拟功能；评估气候变化对城市排水系统的影响：支持可 持续城市排水系统( s u d s ) 的有效引入；应用于污水处理厂的水力分析；防止 洪涝浸水与预测污染；沉积物输移及污染负荷的模拟：城市排水及雨水系统辅 助评估及管理等。 第二章城市雨水系统工况模拟 全球一千多名用户已经在无数的市政工程中应用了该软件：比利时丹玛流 域实时防汛预报调度决策模型、香港三流域整区排涝规划、马来西亚t a m a n m a y a n g 流域排涝模型1 7 j 、上海污水排放工程水力仿真模型、科威特城市暴雨模 型解决方案、墨尔本污水基础设施的管理维护、东京9 2 0 0 0 个节点的污水系统 模型、澳大利亚维多利亚典型积水区的洪灾控制、苏格兰r e n f r e w s h i r e 郡洪灾 问题的模拟分析等。 2 3 2 模型的功能与特点 i n f o w o r k sc s 是w a l l i n g f o r d 软件公司开发的l n f o w o r k s 水务模型软件包中 的一个模块，它是一套综合、易于使用，可用于城市排水管网模型管理系统。 该系统提供一个数据库来储存管网和水力数据并含有导入、创建、编辑数据的 程序，能够精确模拟雨污水收集系统，预测雨污水管道系统的工作状态以及降 雨对于环境的影响等。 i n f o w o r k sc s 的功能主要通过以下子模块来实现： ( 1 ) 降雨径流模块：采用分布式模型模拟降雨二径流并进行径流计算。 ( 2 ) 集水区计算模块：具有子集水区和产流面积自动提取功能。 ( 3 ) 管流计算模块：水力计算引擎采用完全求解的圣维南方程模拟管道 明渠流。 ( 4 ) 河道模块：模拟不同降雨条件下，河道流量、水位等变化情况。 ( 5 ) 旱流污水模块：可以进行居民生活污水、工商废水以及渗入水模拟分 析。 ( 6 ) 实时控制模块：控制溢流、沉积和污染物排放，控制水泵运行，优化 系统储存容量，最小化资产更新和系统扩容成本。 ( 7 ) 水质模块：预测水质成分污染物浓度和负荷，提供污染和沉积问题的 有效解决方案。 l n f o w o r k s 具有如下特点： ( 1 ) 快速的仿真模拟 由于软件将水文和水动力仿真一体化，而且能够基于前一个时间步长的水 流和水深的迭代误差自动选择合适的模拟时间步长，因此缩短仿真模拟时间， 提高模拟速度。 ( 2 ) 丰富的建模工具 模型能够自动提取子集水区面积，节约建模时间；快速合并分散的模型； 结合s q l 的灵活查询功能；合理推断缺失数据；查看排水系统上下游跟踪，追 踪雨污混接情况等。 第二章城市雨水系统工况模拟 ( 3 ) 便捷的数据连接 与g i s 系统的无缝连接，实现数据的导入、导出，方便提取子集水区相关 数据；可以通过a u t o c a d 导入、导出d w g 、d x f 文件，方便在c s 中构造管网 拓扑结构；实现e x c e l 、a c c e s s 、s q l 中数据的导入、导出，便于数据的统一管 理、数据库化；结合g o o g l ee a r t h 软件，将结果在g o o g l ee a r t h 中呈现；实现 g i s 数据、a u t o c a d 图、卫星图片、航拍图作为背景图片导入；支持目前通用 的检查井数据库数据的导入，如t h ee x a m i n e rc c t v ，s t c2 5 等。 ( 4 ) 灵活的分析工具 能够通过纵断面图显示整条管线的高程连接情况、检查井的冒溢点：自动 绘制等值线图、三维图；制作曲线图表；对多种模拟方案进行比较，方便同时 在特定报告中比较不同的方案或者比较多种工况对于管网的影响。 ( 5 ) 强大的管理能力 在同一个数据库中存储各类模型的资料及数据，方便在同一窗口查看管理； 支持多种数据库类型如j e t 数据库、s q l 数据库、o r a c l e 数据库；软件记录模 拟网络的历史、属性数据、编辑人员信息，保证多用户开发、应用的集中管理； 使用数据标签来标记数据来源，对来源、可靠度、编辑者进行区分，方便日后 管理。 2 3 3 模拟理论与方法 2 3 3 1 降雨模型 模型需要建立降雨事件来为模拟降雨提供支持，通常有实测和人工合成降 雨两种方法。输入的实测降雨事件可以是一场降雨或者是一段时间的多场降雨。 通常利用实测降雨数据并根据流量监测数据及历史淹水记录来率定模型。合成 降雨事件，也称设计降雨事件，是在对多年降雨记录分析基础上建立明确降雨 时间和重现期的统计降雨事件。合成降雨事件通常用于对已经完成率定的模型 的分析和设计，可以使研究的降雨更具代表性。 i n f o w o r k s 软件用强度( 或深度) 一历时一频率关系建立人工设计暴雨， 其中频率的倒数即通常所说的重现期。强度和历时增长相反，随着历时增加强 度减小。软件提供了三种合成降雨类型：法国合成降雨、英国合成降雨、香港 合成降雨。对于香港合成降雨类型，含有三个参数( a ，b ，c ) 来表示降雨最大强 度及其左右两边每一步长的雨强。若城市暴雨强度公式为 i = ( ，+ 6 ) 。 ( 2 一1 ) 则香港合成降雨的峰值强度计算公式为 第二章城市雨水系统工况模拟 f ( o ) = , 4 0 + 6 ) 。 ( 2 - 2 ) 式中厂( 0 ) 峰值雨强( m m h ) ； a ，b ，c 对观测数据分析后得到的参数。 其他步长的降雨强度公式为 厂o ) = ( 口( ( 2 f + 0 2 ) ( 2 t + b + 1 ) ) 一( 口( ( 2 f 一1 ) 2 ) ( 2 t + b 1 ) 。) ( 2 3 ) t 1 式中f 降雨事件中心( 降雨历时的半) 的时间( r a m ) ； ( f ) 降雨强度( m m h ) ； a ，b ，c 对观测数据分析后得到的参数。 香港合成降雨雨型如图2 1 所示。 d5 01 0 01 5 02 0 0 时闻( m i r a ) 图2 1 香港合成降雨事件雨型图 2 3 3 2 产流模型 降雨初期阶段的截留、湿润和填洼等不参与形成径流的降雨部分称为径流 损失。对于城市高强度降雨，初期损失对产流的影响较小，但对于较小的降雨 或者不透水表面比例低的集水区，其影响较大。 产流模型描述暴雨经过扣除损失后产生径流的过程，即当降雨量大于截留 和填洼量且降雨强度超过下渗速度时，地面开始积水并形成地表径流的过程。 该模型决定降雨降落到集水区后扣除初期损失进入排水管网的水量。 i n f o w o r k sc s 模型提供了8 种产流模型，如表2 2 所示。 柏 o ，j 1 ， 1 暑ui一趔曹毛幢世 第二章城市雨水系统工况模拟 考虑上述模型的适用范围，本文中为非渗透表面集水区选取固定比例产流 模型( f i x e d ) ，为渗透表面集水区选取新英国( 可变) 产流模型( n e w u k ) 进行地表产流研究。对渗透表面应用新英国( 可变) 径流模型( n e w u k ) 能够 第二章城市雨水系统工况模拟 考虑土壤湿度并且在降雨过程中反映土壤湿度变化。 2 3 3 3 汇流模型 ( 1 ) 地面汇流 汇流模型决定降雨以多快的速度从集水区进入排水系统。 按模型计算引擎的原理区分，汇流模型可分为双线性水库模型、单线性水 库模型、非线性水库模型，这也是水文学中的区分方法。 单线性水库模型由维萨姆3 1 1 提出，由一个概念水库来模拟蓄水量一出流过 程。水库蓄水量s 为： s = k q ( 2 - 4 ) 式中s _ 水库蓄水量( 肌3 ) ： k 滞后时间水库常数； q 出流量或径流率( 所以) 。 连续性方程： ，一d ：塑i 2 5 ) 讲 式中，水库的入流量( 聊) 将( 2 - 5 ) 代入( 2 - 4 ) 中，假定，= o ，q = 0 得n - q = 巾一p 邮) ( 2 6 ) 假定有效降雨在径流开始后时刻停止了，此时q = 9 _ o ，则f f 1 的出流量 为： q = q _ o e 例肛 ( 2 7 ) 同理，双线性水库方法是用两个连续的具有相同储量一流出关系的假设线 性水库来代表地面和排水沟道具有的存储能力以及降雨峰值和径流峰值之间的 延缓。这种方法使峰值径流量在峰值降雨量后发生。子集水区上雨水量s 是排 入管网的雨水量日与具有时间单位系数k 的乘积值。径流系数与降雨强度、汇 水面积和坡度有关。具体如图2 2 所示，雨水降落到子集水区后灌满一个假设 的水库。在任意一个时间步长，这