（环境工程专业论文）排水系统模型在城市雨水水量管理中的应用研究.pdf

摘要 摘要 计算机技术的发展推动了排水系统模型软件的开发和应用。在城市雨水管理 中，排水系统模型正成为不可或缺的手段。推动相关模型在国内雨水管理中的 应用是缩小国内排水行业建设管理与发达国家差距的必要途径。为此，本文对 常用排水系统模型的构成和原理进行了归纳总结，并利用i n f o w o r k sc s 软件建 立上海市雨水排水系统水力模型，从理论和方法层面为上海及国内其他城市的 雨水水量管理提供支持。 降雨一径流模型是排水管网模型的基础，其模拟结果的准确性直接影响整个 雨水排水模型的性能。本文通过上海市某居民小区的实测流量数据，进行了降 雨一径流模拟的实例分析，在此基础上对国内排水系统降雨一径流模型及其参 数的确定提出建议。研究结果表明：国外常用的模型组合在合理确定参数时都 得到较好的模拟结果，模型应用中应当根据可获得数据和研究需要选择恰当的 降雨一径流模型组合作为分析的手段；对产汇流模型的主要参数进行的灵敏性 分析结果表明，对径流体积与洪峰流量，最主要的影响因素是不透水表面径流 系数有效不透水面积因子和不透水表面比例，影响较小的参数是透水表面的渗 透性能、管壁粗糙系数和地面坡度；经恰当储量补偿的整体集水区简化模型同 样获得较好的模拟结果。这为后续降雨一径流模型的选用及其参数的选择和率 定提供了依据 、 建设标准偏低的已建排水系统通常遭遇暴雨积水问题，采用雨水调蓄池能高 效经济地提高排水系统的除涝能力，更好地解决城市化带来的洪峰水量问题。 本文对调蓄池在上海市雨水水量管理中的应用进行了案例分析，确定采用排水 系统模型在规划雨水调蓄池体积上的作用。通过模型计算，为已建真如系统提 高排水标准所需调蓄池规模提出了建议。研究结果表明，调蓄6 m m 水量能将真 如高标区排水标准从1 年一遇提高到3 年一遇。采用可调节堰等工程性措施调 控上游干管和系统间连通管道，控制流入高标区的径流，可以减小改造规模和 成本。从造价来看，建造调蓄池较翻排管道节省投资5 0 以上。这为上海市及 国内其他城市排水系统采用雨水调蓄池进行达标改造提供了借鉴。 给定池容的初期雨水调蓄池在长期运行中所能发挥的调蓄效率和污染物去 摘要 除效果是雨水管理中广受关注的问题。采用排水系统模型进行长期模拟，可对 初期雨水调蓄池的运行效率进行预测，评价初期雨水调蓄池方案的环境效益。 本文根据代表性年份1 9 9 1 年的实际降雨纪录，对上海世博园浦东片区半分流制 雨水系统进行了水力模拟，以考察初期雨水调蓄池的长期运行效果，结果表明： 按照调蓄容量3 0 m 3 h m 2 的设计标准，在上海市平水年降雨条件下，调蓄池每年 能够拦蓄约5 0 的雨水径流。对半分流制系统，在降雨期间允许向污水总管截 流初期雨水条件下，调蓄池具有更高的调蓄比例。相关成果为初期雨水调蓄池 的体积规划、运行模式和效果评价提供了参照依据。 大型合流管网的水力模型分析是提高合流制系统溢流控制水平的重要技术 手段。本文建立了上海合流污水治理一期工程水力模型，对合流制溢流水量问 题进行了分析研究。结果表明，台风暴雨和高潮位时期苏州河水位大幅升高引 起河水异常流入，使合流一期系统实际截流水量超过合理的截流水量，泵站部 分丧失排涝功能，合流一期服务范围的面源污染治理以及积水点改造工作，需 要考虑进一步排查苏州河沿岸未有效封堵的原重力流排放口，将合流一期的流 入水量控制在合理的范围之内。多数情况下，彭越浦泵站和截流输送管道不是 合流一期系统溢流水量的限制因素。通过增加泵站截流量，优化系统运行，可 以将合流一期系统降雨溢流的次数控制到比现状更低的水平。上海市排水系统 之间相互连通、排水管道坡度小、管网存储能力强的特性，以及大面积流域的 降雨存在的时空分布差异，使得合流系统具有发挥较大的调节能力，减少溢流 频率的潜力。上海市合流系统在特定的管网系统条件下，溢流造成的实际面源 污染负荷并不比分流制系统高，因此有充分的理由关注合流制系统的优势。国 内城市地区应当合理利用符合本地情况的排水体制，实现城市雨水管理中环境 效益和经济效益的最大化。 论文所得成果不仅为上海市的雨水水量管理提供了依据与参考，也为国内其 他城市利用模型进行雨水管理提供了借鉴。 关键词：排水系统模型，降雨一径流模型，水力模型，雨水管理，调蓄池，合 流制溢流，城市面源污染 n a b s t r a c t a b s t r a c t c o m p u t e rt e c h n o l o g yp r o p e l l e dt h ed e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o no fd r a i n a g e m o d e ls o f t w a r e ，w h i c hb e c o m e san e c e s s a r ym e a n si nu r b a ns t o r m w a t e rm a n a g e m e n t i nt h i sp a p e r , t h ec o m p o s i t i o na n dr e l a t e dt h e o r i e so fc o m m o n l yu s e dd r a i n a g em o d e l s w e r ei n t r o d u c e d i n f o w o r k sc ss o f t w a r ew a su s e dt oe s t a b l i s hs t o r md r a i n a g em o d e l i no r d e rt ot h e o r e t i c a l l ya n dt e c h n i q u e l yp r o v i d es u g g e s t i o na n dr e f e r e n c eo nt h e s t o r mw a t e rq u a n t i t ym a n a g e m e n tf o rs h a n g h a i 雒w e l la so t h e rc i t i e si nc h i n a c o r r e c ts e l e c t i o no fr a i n f a l l - r u n o f fm o d e la n dc o r r e s p o n d i n gp a r a m e t e r si sa p r e m i s ef o rs u c c e s s f u l s i m u l a t i o no fu r b a ns t o r mw a t e rd r a i n a g es y s t e m w i t h m e a s u r e df l o wd a t aa tar e s i d e n t i a ld i s t r i c to fs h a n g h a i ，c o m m o n l yu s e d r a i n f a l l - r u n o f fm o d e l sw e r ec a l i b r a t e d s e n s i t i v i t ya n a l y s i sf o rm a j o rp a r a m e t e r sw a s c a r r i e do u t 龉w e l l a l lt h e s em o d e l sa c h i e v e dg o o ds i m u l a t i o nr e s u l t s p a r a m e t e r s w e r er a n k e db yt h e i re f f e c t0 1 1r u n o f fv o l u m ea n dp e a k 勰w e l l l u m p e dm o d e lg i v e s ag o o dr e s u l tw i t hp r o p e rs t o r a g ec o m p e n s a t i o n t h er e s u l t sw e r eu s e df o rr e f e r e n c e i nt h el a t e rb u i l da n dc a l i b r a t i o no f u r b a nd r a i n a g em o d e l s s t o r md e t e n t i o nt a n k sc a np r o v i d et e m p o r a r ys t o r a g eo fr u n o f fp e a ka n dt h u s m i t i g a t et h ef l o o d i n gp r o b l e me s p e c i a l l yf o re x s i t i n gd r a i n a g es y s e t e m sw i t l ll o w d e s i g nr e t u r np e r i o u d z h e n r us y s t e mw a sc h o s e na sar e p r e s e n t a t i v ed r a i n a g es y s t e m f o rs h a n g h a it os t u d ye f f i c i e n c yo fd e t e n t i o nt a n kf o rf l o o d i n gc o n t r o li nu r b a na r e a s a n dt h ea d v a n t a g eo fd e t e n t i o nf a c i l i t i e sa sw e l l h y d r a u l i cm o d e lw a su s e dt op r e d i c t r e q u i r e dt a n kv o l u m ei fc u r r e n tp i p ea n dp u m p i n gs t a t i o ns i z ew e r em a i n t a i n e d r e s u l ts h o w st h a t ，w h e ns e t t i n gad e t e n t i o nt a n kv o l u m eo f6 m m ，t h ek e ya r e ao f z h e n md r a i n a g es y s t e mc a nw i t h s t a n dr e t u r np e r i o d so fd e s i g ns t o r mu pt o3 y r , a n d o v e r5 0 c o n s t r u c t i o ni n v e s t m e n tc a l lb es a v e dt o 彻f i lt h es y s t e mu p g r a d e t h e s t u d yc a np r o v i d er e f e r e n c et o o t h e rd r a i n a g es y s t e mu s i n gd e t e n t i o nt a n kf o r f l o o d i n gc o n t r 0 1 c o n c e r n i n gt h ee f f i c i e n c yo fi n t e r c e p t i o na n dp o l l u t a n tr e m o v a lo fd e t e n t i o n t a n k s ，h y a r a u l i cm o d e lw a su s e dt op r e d i c tt h el o n gt e r me f f i c i e n c yo fd e t e n t i o nt a n k i i i a b s t r a c t i ns h a n g h a ie x p oa r e af o rc o n t r o l l i n gu r b a nn o n p o i n tp o l l u t i o n s i m u l a t i o nr e s u l t s h o w st h a t , d e t e n t i o nt a n k sd e s i g n e do f3 0 m 3 h ac a nr e t a i na b o u t5 0 s t o r mr u n o f f a n n u a l l yi na v e r a g er a i n f a l ly e a r si ns h a n g h a i f o rs e p a r a t es y s t e mw i t hs t o r ms e w e r i n t e r c e p t i o n , i fi n t e r c e p t i o ni sa l l o w e dd u r i n gr a i n f a l l ，t h ep e r c e n t a g eo fd e t e n t i o n r u n o f fw i l lb eh i g h e r t h i ss t u d ym a yp r o v i d ev a l u a b l ei n f o r m a t i o no nd e t e r m i n i n g r e l i n e , o p e r a t i o nm o d ea n de f f e c t so fd e t e n t i o nt a n k s h y d r a u l i cm o d e lo fs h a n g h a i sc o m b i n e ds e w e r a g et r e a t m e n tp r o j e c tp h a s ei ( s s p i ) w a su s e dt oa n a l y z et h ei s s u eo fc o m b i n e ds e w e ro v e r f l o w s ( c s o s ) i n s h a n g h a i r e s u l ts h o w st h a td u r i n gt y p h o o ns t o r ma n dh i g ht i d el e v e lp e r i o d so f s u z h o uc r e e k , t h ef i v e rw a t e rf l o w sb a c k w a r dt od r a i n a g en e t w o r k sb yt h eo u to fd a t e g r a v i t yd i s c h a r g ep i p e sw h i c ha r en o tc o m p l e t e l yb l o c k e da f t e ri n t e r c e p t i n gs y s t e m p u ti n t ou s e t h i sp r o b l e mb r i n g sg r e a td a m a g et ot h ee f f i c i e n c yo fs s p ia n d m e a s u r e ss h o u l db et a k e nf o ri m p r o v e m e n t f o rm o s tc a s e ，t h ei n t e r c e p t i o np i p e sa n d p e n g y u e p up u m ps t a t i o na r en o tt h el i m i t i n gf a c t o rf o rt h eo c c u i t e n c eo fc s o s b y m e a n so fi n c r e a s i n g i n t e r c e p t i o nc a p a c i t y ,o p t i m i z i n gs y s t e mm a n a g e m e n t , t h e o v e r f l o wt i m e so fs s p ic a nb er e d u c e dt oal o w e rl e v e l t h ei n t e r c o n n e c t i o nb e t w e e n s e w e rs y s t e m s ，f l a tp i p es l o p e ，a n dl a r g es e w e rs t o r a g ec a p a c i t y , 鹤w e l la st h es p a t i a l d i f f e r e n c eo fr a i n f a l lo nl a r g ec a t c h m e n t s ，g i v et r e m e n d o u sd e t e n t i o nc a p a b i l i t yo f t h o s ec o m b i n e dn e t w o r k s t h i sl e a dt ot h eo v e r f l o wt i m e so fc s o si ns h a n g h a ia r e m u c hl e s st h a nt h a to fd e s i g n e da n do fj a p a n e s ec o u n t e r p a r t s t h eo v e r f l o wp o l l u t i o n l o a do fc s si sn o tm o r es e r i o u st h a nt h a to fs e p a r a t e ds e w e rs y s t e m sd u r i n gw e t w e a t h e r , w h i c hi sa l la d v a n t a g eo fc s si ns h a n g h a iw i t hr e s p e c tt ot h ec o n t r o lo f u r b a n n o n - p o i n tp o l l u t i o n t h i sa d v a n t a g eo fc s sm a yb ec o n s i d e r e d 弱a no p t i o ni n c h o i c eo fd r a i n a g es y s t e mf o rc i t i e sl i k es h a n g h a i k e yw o r d s ：d r a i n a g em o d e l ，r a i n f a l l n m o f fm o d e l ，h y d r a u l i cm o d e l ，s t o r mw a t e r m a n a g e m e n t ，d e t e n t i o nt a n k ， c o m b i n e ds e w e ro v e r f l o w ,u r b a n n o n p o i n tp o l l u t i o n 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 签名：0 留? 莩签名：1 易? 孑 h 年6 月f 日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名： 请莹 一年舌月厂日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在一年解密后适用 本授权书。 指导教师签名喜固 如7 年6 月f 日 专叭 日 可厂 易彳月 名 e 戳 年 者7 作 嫦 跏 论位 第1 章绪论 1 1 概述 1 1 1 排水系统模型 第1 章绪论 为了系统的排除和处置各种废水而建设的一整套工程设施称为排水系统【l 】。 现代城市大量的生活污水、工业废水和雨水径流必须经排水系统的运输和处理， 以保证城市的除涝安全、清洁卫生以及公众健康，故排水系统是城市基础设施 的重要组成部分，是城市水循环的关键环节。 由于排水系统组成的复杂性和影响因素的多样性，一般很难对其运行情况 进行全面而准确的描述。早期排水系统设计以水文水力学理论和工程经验为基 础，设计的排水管道或构筑物能否满足实际需求，往往只能在实际运行之后评 价掌握。即使依据相似定律进行物理模拟，也存在需时长、耗费大的缺陷，仅 适于小范围、对三维精度要求较高的水环境模拟问题；而且物理模型的边界往 往只适应于某一特定问题，改变问题或改变边界条件往往需要重新建模【2 j 。随着 排水系统中构筑物的增加，很难事先预测排水系统的行为，不能很好的平衡排 水系统设计的安全性和经济性之间的矛盾。 计算机技术的发展推动了排水系统模型软件的开发和应用，从而很好的满 足了排水系统的规划、设计和预测的需要。自上世纪七十年代以来发达国家累 积大量工程经验，结合水文水力学基础理论，开发了计算机模型软件用于城市 排水系统的数值模拟，辅助设计、评价和工程性措施的改善工作。这些模型利 用已有管网信息，包括管道参数、排水区域与泵站等设施的状况，通过计算机 技术模拟不同条件下管网的运行状况；由此获得设计降雨情况下的泵站水位、 流量模拟值，寻找和解决可能存在的问题。同时在水力模型基础之上建立水质 模型，综合考察生活污水、地表累积和冲刷、管道沉积物冲刷等污染因素，模 拟排水系统出流污染物浓度和负荷，以改善城市排水和污染控制的建设与管理。 计算机数值模型具有不受实验条件限制，数值分析速度和效率高，耗时少， 具有通用性，可重复的优点【2 ，3 】。迄今，包括水力模型和水质模型在内的排水系 统模型在世界范围内，尤其是发达国家已广受重视，成为排水系统规划、改造 第1 章绪论 与新的项目建设的基础。发达国家已经实行了区域土地开发、排水系统建设项 目立项，均要首先通过排水管网模型评估的建设项目管理程序“1 。我国的世界 银行贷款项目，按国外咨询公司的要求也开始执行这一程序，排水系统模型已 经在上海、深圳等地的排水行业规划建设中投入使用。 1 1 2 城市雨水水量管理 宏观上，雨水管理是指利用经济、法律和技术手段，使降水尽可能地进行 自然的水循环，以保持生态平衡，控制雨水对环境的污染；技术上，雨水管理 体现为雨水的合理处置和利用：通过安全、经济、可靠的技术手段对降雨进行 收集、传输和处置，以减少排入公共雨水或污水管道的水量和污染物，并使降 雨尽可能得到处理和使用【7 】。 城市雨水管理关注如何解决城市化给雨水径流排放带来的一系列问题，包 括水量管理和水质管理两方面。水量管理涵盖收集和排放雨水径流，实现城市 的防洪排涝安全；水质管理控制雨水产生的面源污染问题【s 一】，即径流冲刷地表 和管道沉积物引起的非点源污染】。本文主要探讨城市雨水管理中水量管理的 相关问题。 早期国内外城市雨水水量管理主要考虑控制水患，强调末端快速排除雨水。 自2 0 世纪5 0 年代至7 0 年代，城市范围的扩大以及对城市基础设施功能要求的 提高，使得将雨水快速从街道和庭院排入河流的排水系统迅速发展。这一时期 解决问题的主要手段是强化末端快速排放的能力，然而这种方式通常引起流域 性洪灾【1 0 1 。 随着城市市政建设的发展，城市雨水排放系统逐渐演变为分流制和合流制 两类系统。分流制排水系统将污水和雨水分别在两套或以上各自独立的沟道内 排除；合流制排水系统将生活污水、工业废水和雨水混合在同一套沟道内排除。 早期不经任何处理就近排入水体的直排式合流制系统常通过修建截流系统加以 改造。然而降雨造成的来水流量超过截流管道的输水能力时，部分混合污水经 溢流设施直接溢入水体，形成合流制系统溢流( c o m b i n e ds e w e ro v e r f l o w , c s o ) 问题。过去人们仅关心城市的快速除涝，常常采取直接大量排放混合雨污水的 方式缓解合流系统水力负荷。随着人们对降雨污染问题认识的深入，对c s o 排 放量的控制己成为世界范围内关注的焦剧1 2 1 6 】。 2 第l 章绪论 近十余年来将防洪、环境保护、城市生态等统筹考虑的雨水综合管理思想 在国外已得到广泛实践。美国提出的雨水“最佳管理措施 ( b e s tm a n a g e m e n t p r a c t i c e s ，b m p s ) 目标就是从源头开始通过工程性及非工程性措施控制径流水 量及其污染负荷【1 7 ，引。其具体工程性措施包括减少直接连接不透水面积、渗透 设施、滞留调蓄池、截留调蓄池、湿地与渗透性铺面等。最佳管理措施在美国、 欧洲、澳大利亚等国家都得到了很好的应用实践【1 9 1 。随着对雨水管理研究的深 入，源头控制作为一种更加可持续的管理手段取代末端处理成为优先选择方案。 计算机技术的发展和排水系统模型的应用提高了排水系统规划和设计的能 力，其与雨水最佳管理措施相结合成为现代城市雨水管理的先进手段。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 排水系统模型的研发 计算机模型从2 0 世纪7 0 年代起成为排水系统规划与设计的组成部分。应 用于雨水水量管理的模型根据功能可以分为以下三类： 第一类是水文模型：用于模拟排水区域的降雨产汇流过程，包括美国陆军 工程师兵团水文工程中心( h e c ) 开发的s t o r m ，h e c 1 ，h e c 2 系列模型，美 国土壤保持局开发的t r - 2 0 和w s p 2 模型，s w m m 中的r u n o f f 模块也属于 这类水文模型 2 0 一1 1 。水文模型计算排水系统的径流量，既可作为单独的模拟结 果，也可作为后续水力模型、水质模型的输入数据，是整个雨水排水系统模拟 的基础环节。 第二类是水力模型：用于模拟管道中包括污水、渗入、径流在内的雨污水 的流动，分析管段流速、深度和流量等水力要素值，s w m m 中的t r a n s p o r t 和e x t r a n 模块都属于此类水力模型，它既能以水文模型的计算结果作为输入 数据，也可以自定义流入量过程线作为输入数据。 第三类是综合模型，包含水文模型、水力模型，并在水力模拟基础上集成 水质模型，能预测排水系统内污染物的产生、转移及排放【2 2 】。这类综合模型是 城市雨水管理模型的主要手段，当今多数排水系统模型软件皆为此类模型。 美国环保局开发的暴雨雨水管理模型s w m m ( s t o r mw a t e rm a n a g e m e n t m o d e l ) ，是最早提出的、影响较大并广泛用于城市排水系统水量水质模拟的综 第l 章绪论 合模型之一，它已得到连续维护和更新，从d o s 版本发展到了具有窗口界面的 s w m m 5 。s w m m 模型软件由服务模块和四个计算模块i u 肘o f f 、 t r a n s p o r t 、e x t r a n 、s t o r a g e 厂r r e 触口讧e n t 组成。各模块既可独立进行 模拟，也可合并起来模拟大型复杂排水系统。它是一个通用性很好的模型，适 用于市区和非市区的模拟；能对单个降雨事件模拟，也能进行连续降雨模拟； 既可以模拟真实暴雨，还可以根据预报雨量和方案数据进行预测模拟【2 3 】。 美国伊利诺伊斯州城市排水地区模型i l l u d a s ( i l l i n o i su r b a nd r a i n a n g e a r e as i m u l a t o r ) 可根据给定的集水区产流特征、设计暴雨和管网布局计算排水 管道的管径，对于已设计好的管网能够计算整个管道中的流量。该模型是在1 9 世纪6 0 年代英格兰道路研究实验室( r o a dr e s e a r c hl a b o r a t o r y ) 开发的r r l 模 型基础上进行的进一步开发和增耐明。 丹麦水力研究中心( d h i ) 自1 9 7 2 年开始创立城市给排水模型，其中m o u s e ( m o d e l l i n go f u r b a ns e w e r s ) 与m o u s et r a p 分别可以模拟排水系统水力及 水质过程，最新发布的m i k eu r b a n 集成了g i s 模块。通过m o u s e 软件可 动态模拟城市排水和污水系统中水位、流量、浓度等空间、时间变化过程。其 模块结构分为计算模块和扩展模块。计算模块有地表径流、时间面积曲线、 详细水文过程( 包括非线性水库汇流模型、线性水库汇流模型) 、管流模块。 模型适用于有压、无压混合管网和急变流、缓变流，回水等水力现象。扩展模 块包括陆相水文循环( 包括降雨，地表、地下径流，管路渗流，适合于长期模 拟) 、淤积和水质( 模拟流域和污水系统泥沙淤积物运动和水质变化) 模拟等。 另外，还可模拟污水系统实时控制运行，分析不同操作方式对环境的影响【9 1 。 英国的h rw a l l i n g f o r d 软件公司最初为英国科工部的政府水力研究机构，一 直致力于水工业软件工具开发。管网模拟软件能用于市政给排水、污水系统、 河流治理以及海岸工程方面的规划、设计和实时调度。最初采用w a l l r u s 作 为水力计算基础，采用m o s q i t o 管道水质模型模拟污染物【2 4 1 。后来，h r w a l l i n g f o r d 公司用h y d r o w o r k sq m 模型取代了w a l l r u s 和m o s q i t o ，并于 1 9 9 8 年集成到i n f o w o r k sc s 中【2 引。其主要功能是模拟降雨径流、水动力、水质、 泥沙的形成和运动过程；采用了以分布式模型为对象，以数据流来定义关系的 多层次、多目标、多模型的水量水质及防汛调度实时预报和决策支持系统。其 用户界面友好，并能实现与g i s 的连接。目前该产品已被欧洲、美洲以及一些 亚洲国家和地区应用于水资源环境和市政工程中。 4 第1 章绪论 国内在排水系统模型的研发上较弱。周玉文等开发研制了城市排水系统非 恒定模拟模型2 6 1 ，岑国平等人建立了城市暴雨径流计算模型【2 7 】，都是在已有基 础理论上，建立的降雨产汇流模型和管渠模型，同s w m m 等模型的计算并无差 异，也未开发专门的软件。 1 2 2 城市雨水水量管理的现状 最初的城市雨水管理实际包含在城市水文水资源、市政工程、环境工程和 城市规划等领域，并未作为一个单独的领域引起人们的重视。随着对雨水排放 和资源化的关注，发达国家的雨水水量管理从传统的市政排水仅关注管道 末端快速排出雨水、孤立考虑水患控制，转向城市生态、环境保护、资源利用 统筹考虑的综合管理，形成了一门独立的学科，现已成为城市水业的热点问题。 雨水管渠的设计决定了城市雨水收集排放基础管网的规模；b m p s 是当今城 市雨水水量管理的先进理念；调蓄池是城市雨水水量管理和b m p s 中应用最为 广泛的技术手段；合流系统雨天溢流水量的控制是国内外雨水管理研究的重要 内容。以下分别对其研究现状进行介绍。 1 2 2 1 雨水管渠的设计 雨水水量管理的传统目标关注城市降雨径流的洪峰与体积问题，最基本的 措施是通过适当设计雨水排水管渠的运输或储存能力，将洪灾发生的可能性控 制到最小。 雨水管渠是城市除涝的关健环节，其设计应能保证通常降雨情况下，城市 建筑、市政设施以及居民的安全。1 8 9 9 年，纽约市工程师k u i e h l i n g 首次应用推 理公式计算城区的雨洪最大流量。此后，推理公式在城市雨水管网设计中得到 广泛应用1 2 引。推理公式的基本原理与现代水文学流域汇流的卷积概念完全一致， 而且简便，能够满足一般要求的精度。因此，城市排水管渠一度都采用推理法 进行设计，根据最大雨洪流量设计相应管渠大小，保证城市管渠的正常排测2 9 1 。 推理公式的应用有两种标准【3 0 】：欧美与日本按最大径流量设计，不计管渠 容量调洪能力，留有相当的安全余地；前苏联与我国引入折减系数，利用空隙 容积调洪削减设计流量，用足管渠能力以节省排水工程造价。 随着近十几年对推理法局限性的认识和计算机技术的发展，发达国家雨水 管渠设计中推理法应用逐渐限于小型排水系统，美国设计规范要求小于1 6 0 英 5 第l 章绪论 亩( 约6 5 h m 2 ) 的系统可采用推理法设计【2 9 1 ；对于大型排水系统，必须采用计算 机水力模型辅助设计【3 1 3 3 1 。计算机模型设计对雨水管渠的水力状况和设计指标 提出了更科学细致的要求。 发达国家雨水排水设计标准对水力状况定义了超载与洪灾两个概念。超载 ( s u r c h a r g e ) 与洪灾( f l o o d i n g ) 为雨水管渠工作的不同水力状态。欧洲管渠设 计标准e n 7 5 2 中，“超载”定义为：重力流管渠中，雨污水处于压力流，但尚未 溢出地面造成洪灾的水力状况，超载状态如图1 1 所示。“洪灾”则定义为：污 水或径流不能进入排水管渠，从而滞留于地面或进入建筑物的状况【3 1 1 。 水位 管顶高程 图1 1 管渠超载状态示意图 据此，德国将两种水力状态的分界作为一个重要的状态，引入第三个概念 “无害洪水 ，定义为管渠水位刚好到达地面的状态。总之，发达国家设计 规范都认为超载易造成地下室财产损害等安全隐患，在设计范围内不应当出现 1 3 1 1 o 发达国家同样区分设计暴雨频率与洪灾频率。频率为单位时间内某事件出 现的次数。雨水管渠的设计常按一定的暴雨重现期，或暴雨频率进行。洪灾频 率为管渠实际运行时出现洪灾的统计频次。由于洪灾频率为管渠的一个运行指 标，在设计时不能像暴雨频率一样通过统计当地降雨资料直接获取，因此，在 过去设计时未加考虑。然而，水力模型的引入为管渠运行预测提供了可能。发 6 第1 章绪论 达国家通常在设计时通过多年降雨历史数据的连续模拟，预测设计管渠的洪灾 频率，并通过管渠建成运行之后的洪灾纪录来考察模型预测的正确性。 暴雨频率与洪灾频率的差别不仅在于其统计对象和方法的不同，更重要的 差别在于两者对应的管渠水力状态不同：由于管渠设计以一定暴雨频率按不考 虑系统调蓄容量进行，其对应设计水力状态为满管流，本身包含了很大的安全 系数；而只有当实际运行水位超过超载限度，溢出地面时才算做洪灾事件，即 只有比设计暴雨强度更大而频率更小的降雨才能导致洪灾事件的发生，从而导 致洪灾频率比设计暴雨频率要低。对于不复杂的小型系统，洪灾表现为对降雨 的线性响应，降雨直接决定了洪峰和最大水位，设计暴雨频率和洪灾频率虽有 差距，但相差不大。但对于大型的复杂系统，暴雨频率仅是影响洪灾频率的一 个因素，系统内调蓄容量、各控制性构筑物等其他不确定性因素也同时影响洪 灾频率，两者差别很大p 引。 传统的设计隐含设计暴雨指标同运行能力指标之比为1 ：1 ，即设计暴雨频 率等于洪灾频率，忽略了设计暴雨频率与洪灾频率的不同，而当前设计已经开 始考虑两者的差别【6 3 2 3 6 】。以计算机模拟技术作为手段，能够有效预测设计管渠 的洪灾频率。此外，德国“排水系统水力设计与模拟 标准a 1 v a1 1 8 增加定 义了“超载频率”作为额外水力指标，更加准确地描述管渠模拟的水力状况f 3 。 欧洲“室外排水与管渠系统”标准e n 7 5 2 适用于重力流设计的排水系统， 采用“设计暴雨频率”和“设计洪灾频率 两个指标【们。小型系统仍可采用设计 暴雨频率进行设计；大型系统推荐采用计算机模型对管渠水力状况进行直接评 价，以保证设计达到规定的洪灾频率。各种用地类型采用的设计频率如表1 1 所 示。 表1 1e n 7 5 2 推荐设计频犁6 】 幸对按设计暴雨频率设计的管渠不允许出现超载 根据e n 7 5 2 标准，对于按设计暴雨频率进行设计的管渠在对应重现期下不 允许出现超载状态。为保证按设计暴雨频率设计的管渠满足相应的设计洪灾频 7 第1 章绪论 率，有条件时根据长期历史降雨纪录对管渠进行模拟，检验系统能否达到设计 洪灾频率。 此外，由于大型集水区内降雨的空间变化相当大，采用单一降雨进行设计 不能准确反映整个空间的降雨情况，导致设计管渠有偏大趋势。由此英国研究 者指出，由于降雨空间分布不均，只有2 - - 3 k m 小范围的对流雨可不考虑降雨的 空间分布，对大型集水区则必须考虑降雨的空间衰减变化性，采用水力模型进 行辅助设计【3 刁。 相比发达国家对城市雨水管网的较高要求，国内对城市排涝的要求相对较 低。我国的设计规范，对于按满管流设计时管道系统内水位的允许高度，没有 作出明确的规定。我国采用推理法设计的管渠不仅选用较低的设计暴雨重现期， 而且采用折减系数减少设计雨水量和管渠尺寸，在安全性上比一些发达国家的 要求低。 我国现行规范不论集水区面积多大，皆采用推理法进行雨水管渠的设计。 然而，推理法假定汇水区范围随降雨历时的延长呈线性增加，最大洪峰出现在 集水区全部汇流时，这一假设同大多数实际情况并不相符。此外，推理法隐含 采用均匀雨型，不考虑降雨的时程变化和空间变化，精度不高，尤其不适于大 型集水区的设计。设计雨型方面，众多学者提出了包括均匀雨型，模式雨型， 芝加哥雨型，p & c 雨型，h u f f 雨型等等在内的多种雨型【划，而在实际降雨中， 可划分为均匀雨型的暴雨相当少见。根据模型计算结果，所有雨型中，均匀雨 型计算得到洪峰流量最小，比其他雨型得到洪峰流量小2 0 以上。所以多数情 况下，对一定重现期的暴雨，推理法计算的管渠设计流量比实际暴雨产生的洪 峰要小很多，具有一定的不安全因素。 与发达国家相比，就管渠运行的水力状况而言，国内未将超载列入考虑之 列，仅将洪灾作为系统运行状况的衡量指标，忽视了超载状态的安全隐患。上 海等地势低平的城市常采用泵排系统，其管渠多工作于超载状态。此时按重力 流设计的排水管渠并非自由出流，设计时需要考虑利用超载状态的安全性。在 泵排系统中，由于泵站集水池的雍水作用，多数管渠水位较高，尤其是泵站为 了节省运行能耗、或为减少非降雨日排江按照高水位运行时，管渠基本处于超 载状态。这时，管渠本身的调节容积非常有限，排水能力相对自由出流系统明 显降低。国内未对超载状态及其可利用程度进行界定，处于超载状态的管渠极 易发生暴雨积水。实际运行中，需通过预降水位等方式提高管渠排水能力。 8 第1 章绪论 对运行于超载状态的管渠需注意：1 ) 虽然引入折减系数具有一定经济合理 性，但对于不存在很多空隙容积的超载状态管渠系统，其推理法设计仍然加入 折减系数会导致设计雨水量偏小，发生积水的危险性增大。2 ) 对于无法通过预 降水位提高排水能力的管渠系统，因其一直工作于超载状态，则实际设计暴雨 频率与洪灾频率相同，导致这类管渠系统的设计标准相对其它自由出流系统更 低。因此，对于这类系统的设计应当考虑适当放大设计暴雨频率，以达到同其 他系统相同的排水能力。 国内设计标准未区分设计暴雨频率及洪灾频率，容易导致概念混淆，造成 认识误区：按照一定暴雨重现期设计的管渠能够排放比该重现期高的暴雨径流 而不发生洪灾，并不等同于该设计管渠达到了更高的设计重现期。 在我国经济基础日益增强，进行方案决策时更加注重安全及与国际惯例接 轨的今天，有必要推动计算机排水模型在雨水管渠设计中的应用，实现新的历 史时期下排水系统设计的经济高效。 1 2 2 - 2 最佳管理措施b m p s 雨水最佳管理措施( b m p s ) 提倡从源头到末端整个过程的雨水径流控制， 它已成为当今更受推崇的水量管理方法【1 0 1 。 美国在上世纪7 0 年代末提出了城市雨水资源管理和雨水径流污染控制的最 佳管理措施，从控制雨水径流水量以及造成的污染出发，包括工程性与非工程 性措施。非工程性措施包括各种制度建设和宣传教育行动，如污染源控制、公 众教育和市民参与计划、地方政府条例和法规等；工程性措施包括减少直接连 接的不透水面积、渗滤设施、调蓄池、湿地等。具体内容见表1 2 。 9 第i 章绪论 表1 2 城市雨水最佳管理措施 非工程性措施工程性措施 法规控制 土地使用法规 综合性径流控制法规 土地开发法规 源头控制 混接情况确定与修正 建筑工地径流控制 街道清扫 雨水井清理 工业商业区径流污染源控制 固体废弃物管理 动物排泄物管理 有毒有害污染物防治 减少化肥、杀虫剂和除草剂使用 减少道路除冰剂使用 调蓄设施 干式调蓄池 湿式调蓄池 人工湿地 渗透设施 渗透池 渗透井 多孔铺砌 植被控制 低标高草坪 过滤带 过滤设施 普通滤池 沙滤池 其它 水质分离器 英国称这类b m p s 为“可持续城市排水系统 s u d s ( s u s t a i n a b l eu r b a n d r a i n a g es y s t e m ) 。这些技术广泛应用于英国小型开发区以及具有大量不透水表 面的大型居民、休闲、商业、工业地区。具体措施包括渗透性铺设，低洼绿地、 渗透沟渠等源头控制方法，以及地表水体、湿地及植物滤池等新方法【3 引。1 9 9 3 年7 6 7 个s u d s 设施在苏格兰首次建造运行，对雨水水量和水质的控制都获得 了很好的效果【l 引。 相比传统方