CN106372328A - 一种基于排水能力评估的排水管道修复方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于排水能力评估的排水管道修复方法及系统，方法包括：提取排水管道周边的排水信息；根据排水管道周边的排水信息建立雨洪模型；采用雨洪模型对排水管道进行排水能力评估，确定可能发生病害的管段；对可能发生病害的管段进行闭路电视观测，查找出排水管道的病害点；根据雨洪模型和查找出的病害点制定排水管道修复方案，并根据排水管道修复方案对排水管道进行开挖修复或非开挖修复。本发明增设了采用雨洪模型对排水管道进行排水能力评估的步骤，能根据排水能力的大小选择合理的修复方案进行排水管道修复，更加有效，且计算过程简单、操作方便和使用效率高。本发明可广泛应用于排水施工领域。

Description

一种基于排水能力评估的排水管道修复方法及系统

技术领域

本发明涉及排水施工领域，尤其是一种基于排水能力评估的排水管道修复方法及系统。

背景技术

术语解释：

DEM：Digital Elevation Model，数字高程模型，是以数字形式按一定结构组织在一起，表示实际地形特征空间分布的模型，也是地形形状大小和起伏的数字描述。

TIN：Triangulated Irregular Network，不规则三角网，是数字高程模型的一种表示方法。

SWMM模型：storm water management model，暴雨洪水管理模型，是由美国环保署资助开发的一个动态的降水-径流模拟模型，主要用于模拟城市某一单一降水事件或长期的水量和水质模拟。

城镇给排水管道是城市市政设施的重要组成部分，同时又是城市的地下生命线，其肩负着自来水的供给和雨水、污水的排放功能。排水管道在长期的运行过程中会出现管道腐烛、渗漏严重，管道破坏、变形和不均匀沉降等病害，致使排水管道不能发挥应有的作用，使雨水跑、冒、漏，导致雨水不能及时被排除，阻断了交通，给城市建设和人民生活带来不便，甚至会引起城市内涝等灾害性事故。而开挖敷设一条新的管道或是采用非开挖的技术对排水管道进行原位修复是解决管道病害问题的有效手段。

传统病害排水管道替换或非开挖修复方法缺乏有效的方法对病害管道的排水能力进行评估，只能机械性地针对排水管道进行替换或是进行原位修复，以使修复后排水管道重新拥有排水能力，但是其仍存在以下问题：修复后管段的管径过小，限制了管道整体排水能力，仍会出现本地积水问题；或是替换的管道过大，造成施工难度加大和材料的浪费。

综上所述，当前排水管道修复施工过程缺乏有效的方法对病害管道的排水能力进行评估，导致管道修复实施后仍解决不了本地积水问题，或因替换的管道管径过大造成施工困难和材料的浪费。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的目的在于：提供一种计算过程简单、操作方便、使用效率高和有效的，基于排水能力评估的排水管道修复方法。

本发明的另一目的在于：提供一种计算过程简单、操作方便、使用效率高和有效的，基于排水能力评估的排水管道修复系统。

本发明所采取的技术方案是：

一种基于排水能力评估的排水管道修复方法，包括以下步骤：

提取排水管道周边的排水信息；

根据排水管道周边的排水信息建立雨洪模型；

采用雨洪模型对排水管道进行排水能力评估，确定可能发生病害的管段；

对可能发生病害的管段进行闭路电视观测，查找出排水管道的病害点；

根据雨洪模型和查找出的病害点制定排水管道修复方案，并根据排水管道修复方案对排水管道进行开挖修复或非开挖修复。

进一步，所述排水管道周边的排水信息包括但不限于区域的排水分区信息，排水主干管及支管的走向、坡度、管径的大小、管道埋深，检查井的标高，地表坡度信息，透水面、不透水面，管道的曼宁系数，透水地表和不透水地表的洼蓄量信息，排水管道周边的涝水点。

进一步，所述根据排水管道周边的排水信息建立雨洪模型这一步骤，其包括：

将CAD图的排水信息导入到GIS中换算成矢量数据，然后利用3D分析生成TIN表面，再转换成DEM数据，以生成DEM图；

采用流向分析工具从DEM图中获取流向分析结果；

根据流向分析结果采用水文分析工具中的Basins工具提取自然汇水区，并借助Thiessen多边形工具对获得的自然汇水区进行二次划分，使每一个出水口对应一个汇水区；

通过GIS分析提取二次划分后的相关数据，并经修正后输入到SWMM模型中；

根据GIS的划分结果以及区域的排水管网资料，将区域内管网概化为与实际一致的管道、节点和出水口数量。

进一步，所述采用雨洪模型对排水管道进行排水能力评估，确定可能发生病害的管段这一步骤，其包括：

采用芝加哥降雨过程线模型合成排水管道所属地区的降雨情景，并录入到SWMM模型中；

在SWMM模型中采用Horton下渗模型、非线性水库模型和管网水动力模型对排水管道的排水能力进行模拟分析，其中，Horton下渗模型的公式为：f＝f_∞+(f₀-f_∞)e^-kt′，式中，f为下渗率，f_∞为稳定下渗率，f₀为初始下渗率，t′为降雨历时，k为下渗衰减系数；非线性水库模型的公式为：式中，d为水深，t₀为降雨时长，i^*为净雨强度，A为汇水区的面积，Q为出流量，W为汇水区的宽度，n为曼宁粗糙系数，dp为滞蓄水深；S为汇水区的坡度；管网水动力模型的公式为：

$Q_{t+\mathrm{\Δ}t}=\frac{1}{1+\frac{g\·n^2.\mathrm{\Δ}t.\left|\stackrel{\‾}{v}\right|}{R^{3/4}}}\[Q_t+2\stackrel{\‾}{v}\·(\stackrel{\‾}{A}-A_t)+{\left(\stackrel{\‾}{v}\right)}^2\frac{A_2-A_1}{L}\mathrm{\Δ}t-g\stackrel{\‾}{A}\frac{H_2-H_1}{L}\mathrm{\Δ}t\],$

式中，Q_t和Q_t+Δt分别为t时刻和t+Δt时刻的管段流量，Δt为时间间隔；为管段平均流速；为管段断面的平均过流面积；A_t为t时刻管段断面的过流面积；A₁和A₂分别为管段上游节点和下游节点处的管道断面面积；H₁和H₂分别为管段上游节点和下游节点处的水头；g为当地的重力加速度；L为管段长度；R为管段水力半径；n为曼宁粗糙系数；

根据模拟分析的结果以及排水管道所属地区的实际降雨情况对排水管道进行排水能力评估，确定可能发生病害的管段。

进一步，所述根据模拟分析的结果以及排水管道所属地区的实际降雨情况对排水管道进行排水能力评估，确定可能发生病害的管段这一步骤，其具体为：

分别以0.5年、1年、3年、5年、10年和20年一遇暴雨作为降雨条件，采用SWMM模型模拟排水管道所属地区在实际出现涝水情形下出现满载的管段，并以出现满载的管段作为可能发生病害的管段：首先根据当前降雨条件下排水管道的排水情况确定出现积水的节点及积水时间，然后根据出现积水的节点及积水时间确定涝水区域，最后在涝水区域中查找出现满载负荷的管段。

进一步，所述根据雨洪模型和查找出的病害点制定排水管道修复方案，并根据排水管道修复方案对排水管道进行开挖修复或非开挖修复这一步骤，其包括：

采用雨洪模型模拟病害点管道的周边在不同暴雨情形下发生涝水的点位及涝水程度，并根据实际的涝水特征对雨洪模型的参数进行修正；

根据病害点管道所属区域的排水要求确定不发生涝水的最大暴雨年限，然后以确定的最大暴雨年限作为降雨情景，采用SWMM模型在改变病害点管段的管径大小和坡度的条件下模拟管道涝水点的出现情况；

根据模拟的结果确定相应的修复方案：若模拟的结果为不增大病害点管段的管径或坡度就能消除涝水点的，则采用非开挖修复方案，并根据病害点的特征选取所需的非开挖修复方案；若模拟的结果为需要增大病害点管段的管径或坡度才能消除涝水点的，则采用开挖修复方案，并根据模拟出的管径大小或坡度采用开挖方法对管道进行替换；

根据确定的修复方案对排水管道进行开挖修复或非开挖修复。

本发明所采取的另一技术方案是：

一种基于排水能力评估的排水管道修复系统，包括：

提取模块，用于提取排水管道周边的排水信息；

建模模块，用于根据排水管道周边的排水信息建立雨洪模型；

排水能力评估模块，用于采用雨洪模型对排水管道进行排水能力评估，确定可能发生病害的管段；

病害点查找模块，用于对可能发生病害的管段进行闭路电视观测，查找出排水管道的病害点；

修复模块，用于根据雨洪模型和查找出的病害点制定排水管道修复方案，并根据排水管道修复方案对排水管道进行开挖修复或非开挖修复。

进一步，所述排水管道周边的排水信息包括但不限于区域的排水分区信息，排水主干管及支管的走向、坡度、管径的大小、管道埋深，检查井的标高，地表坡度信息，透水面、不透水面，管道的曼宁系数，透水地表和不透水地表的洼蓄量信息，排水管道周边的涝水点。

进一步，所述建模模块包括：

DEM图生成单元，用于将CAD图的排水信息导入到GIS中换算成矢量数据，然后利用3D分析生成TIN表面，再转换成DEM数据，以生成DEM图；

流向分析单元，用于采用流向分析工具从DEM图中获取流向分析结果；

划分单元，用于根据流向分析结果采用水文分析工具中的Basins工具提取自然汇水区，并借助Thiessen多边形工具对获得的自然汇水区进行二次划分，使每一个出水口对应一个汇水区；

修正单元，用于通过GIS分析提取二次划分后的相关数据，并经修正后输入到SWMM模型中；

概化单元，用于根据GIS的划分结果以及区域的排水管网资料，将区域内管网概化为与实际一致的管道、节点和出水口数量。

进一步，所述排水能力评估模块包括：

合成单元，用于采用芝加哥降雨过程线模型合成排水管道所属地区的降雨情景，并录入到SWMM模型中；

模拟分析单元，用于在SWMM模型中采用Horton下渗模型、非线性水库模型和管网水动力模型对排水管道的排水能力进行模拟分析，其中，Horton下渗模型的公式为：f＝f_∞+(f₀-f_∞)e^-kt′，式中，f为下渗率，f_∞为稳定下渗率，f₀为初始下渗率，t′为降雨历时，k为下渗衰减系数；非线性水库模型的公式为：式中，d为水深，t₀为降雨时长，i^*为净雨强度，A为汇水区的面积，Q为出流量，W为汇水区的宽度，n为曼宁粗糙系数，dp为滞蓄水深；S为汇水区的坡度；管网水动力模型的公式为：

$Q_{t+\mathrm{\Δ}t}=\frac{1}{1+\frac{g\·n^2.\mathrm{\Δ}t.\left|\stackrel{\‾}{v}\right|}{R^{3/4}}}\[Q_t+2\stackrel{\‾}{v}\·(\stackrel{\‾}{A}-A_t)+{\left(\stackrel{\‾}{v}\right)}^2\frac{A_2-A_1}{L}\mathrm{\Δ}t-g\stackrel{\‾}{A}\frac{H_2-H_1}{L}\mathrm{\Δ}t\],$

式中，Q_t和Q_t+Δt分别为t时刻和t+Δt时刻的管段流量，Δt为时间间隔；为管段平均流速；为管段断面的平均过流面积；A_t为t时刻管段断面的过流面积；A₁和A₂分别为管段上游节点和下游节点处的管道断面面积；H₁和H₂分别为管段上游节点和下游节点处的水头；g为当地的重力加速度；L为管段长度；R为管段水力半径；n为曼宁粗糙系数；

排水能力评估单元，用于根据模拟分析的结果以及排水管道所属地区的实际降雨情况对排水管道进行排水能力评估，确定可能发生病害的管段。

本发明的方法的有益效果是：先根据提取的排水信息建立雨洪模型，再对排水管道进行排水能力评估，然后根据评估的结果排水管道的病害点，最后根据雨洪模型和病害点制定修复方案并进行修复，在传统病害排水管道替换或非开挖修复方法的基础上增设了采用雨洪模型对排水管道进行排水能力评估的步骤，能根据排水能力的大小选择合理的修复方案进行排水管道修复，不再只是机械性地针对排水管道进行替换或是进行原位修复，更加有效，且计算过程简单、操作方便和使用效率高。

本发明的系统的有益效果是：先根据提取模块提取的排水信息建立雨洪模型，再在排水能力评估模块中对排水管道进行排水能力评估，然后在病害点查找模块中根据评估的结果排水管道的病害点，最后在修复模块中根据雨洪模型和病害点制定修复方案并进行修复，在传统病害排水管道替换或非开挖修复方法的基础上增设了采用雨洪模型对排水管道进行排水能力评估的排水能力评估模块，能根据排水能力的大小选择合理的修复方案进行排水管道修复，不再只是机械性地针对排水管道进行替换或是进行原位修复，更加有效，且计算过程简单、操作方便和使用效率高。

附图说明

图1为本发明一种基于排水能力评估的排水管道修复方法的整体流程图；

图2为本发明基于排水能力评估的排水管道修复方法的原理示意图；

图3为本发明基于排水管道能力评估的排水管道修复技术路线示意图；

图4为实施例二研究区域的位置及土地利用图；

图5为实施例二研究区域的汇水区划分及SWMM模型示意图；

图6为实施例二研究区域的主干管在一年一遇暴雨强度下的充满度情况示意图；

图7为实施例二渠箱内的淤积图片；

图8为实施例二喷涂现场试验和施工现场的图片。

具体实施方式

参照图1，一种基于排水能力评估的排水管道修复方法，包括以下步骤：

提取排水管道周边的排水信息；

根据排水管道周边的排水信息建立雨洪模型；

采用雨洪模型对排水管道进行排水能力评估，确定可能发生病害的管段；

对可能发生病害的管段进行闭路电视观测，查找出排水管道的病害点；

根据雨洪模型和查找出的病害点制定排水管道修复方案，并根据排水管道修复方案对排水管道进行开挖修复或非开挖修复。

进一步作为优选的实施方式，所述排水管道周边的排水信息包括但不限于区域的排水分区信息，排水主干管及支管的走向、坡度、管径的大小、管道埋深，检查井的标高，地表坡度信息，透水面、不透水面，管道的曼宁系数，透水地表和不透水地表的洼蓄量信息，排水管道周边的涝水点。

进一步作为优选的实施方式，所述根据排水管道周边的排水信息建立雨洪模型这一步骤，其包括：

将CAD图的排水信息导入到GIS中换算成矢量数据，然后利用3D分析生成TIN表面，再转换成DEM数据，以生成DEM图；

采用流向分析工具从DEM图中获取流向分析结果；

根据流向分析结果采用水文分析工具中的Basins工具提取自然汇水区，并借助Thiessen多边形工具对获得的自然汇水区进行二次划分，使每一个出水口对应一个汇水区；

通过GIS分析提取二次划分后的相关数据，并经修正后输入到SWMM模型中；

根据GIS的划分结果以及区域的排水管网资料，将区域内管网概化为与实际一致的管道、节点和出水口数量。

进一步作为优选的实施方式，所述采用雨洪模型对排水管道进行排水能力评估，确定可能发生病害的管段这一步骤，其包括：

采用芝加哥降雨过程线模型合成排水管道所属地区的降雨情景，并录入到SWMM模型中；

在SWMM模型中采用Horton下渗模型、非线性水库模型和管网水动力模型对排水管道的排水能力进行模拟分析，其中，Horton下渗模型的公式为：f＝f_∞+(f₀-f_∞)e^-kt′，式中，f为下渗率，f_∞为稳定下渗率，f₀为初始下渗率，t′为降雨历时，k为下渗衰减系数；非线性水库模型的公式为：式中，d为水深，t₀为降雨时长，i^*为净雨强度，A为汇水区的面积，Q为出流量，W为汇水区的宽度，n为曼宁粗糙系数，dp为滞蓄水深；S为汇水区的坡度；管网水动力模型的公式为：

$Q_{t+\mathrm{\Δ}t}=\frac{1}{1+\frac{g\·n^2.\mathrm{\Δ}t.\left|\stackrel{\‾}{v}\right|}{R^{3/4}}}\[Q_t+2\stackrel{\‾}{v}\·(\stackrel{\‾}{A}-A_t)+{\left(\stackrel{\‾}{v}\right)}^2\frac{A_2-A_1}{L}\mathrm{\Δ}t-g\stackrel{\‾}{A}\frac{H_2-H_1}{L}\mathrm{\Δ}t\],$

式中，Q_t和Q_t+Δt分别为t时刻和t+Δt时刻的管段流量，Δt为时间间隔；为管段平均流速；为管段断面的平均过流面积；A_t为t时刻管段断面的过流面积；A₁和A₂分别为管段上游节点和下游节点处的管道断面面积；H₁和H₂分别为管段上游节点和下游节点处的水头；g为当地的重力加速度；L为管段长度；R为管段水力半径；n为曼宁粗糙系数；

根据模拟分析的结果以及排水管道所属地区的实际降雨情况对排水管道进行排水能力评估，确定可能发生病害的管段。

进一步作为优选的实施方式，所述根据模拟分析的结果以及排水管道所属地区的实际降雨情况对排水管道进行排水能力评估，确定可能发生病害的管段这一步骤，其具体为：

分别以0.5年、1年、3年、5年、10年和20年一遇暴雨作为降雨条件，采用SWMM模型模拟排水管道所属地区在实际出现涝水情形下出现满载的管段，并以出现满载的管段作为可能发生病害的管段：首先根据当前降雨条件下排水管道的排水情况确定出现积水的节点及积水时间，然后根据出现积水的节点及积水时间确定涝水区域，最后在涝水区域中查找出现满载负荷的管段。

进一步作为优选的实施方式，所述根据雨洪模型和查找出的病害点制定排水管道修复方案，并根据排水管道修复方案对排水管道进行开挖修复或非开挖修复这一步骤，其包括：

采用雨洪模型模拟病害点管道的周边在不同暴雨情形下发生涝水的点位及涝水程度，并根据实际的涝水特征对雨洪模型的参数进行修正；

根据病害点管道所属区域的排水要求确定不发生涝水的最大暴雨年限，然后以确定的最大暴雨年限作为降雨情景，采用SWMM模型在改变病害点管段的管径大小和坡度的条件下模拟管道涝水点的出现情况；

根据模拟的结果确定相应的修复方案：若模拟的结果为不增大病害点管段的管径或坡度就能消除涝水点的，则采用非开挖修复方案，并根据病害点的特征选取所需的非开挖修复方案；若模拟的结果为需要增大病害点管段的管径或坡度才能消除涝水点的，则采用开挖修复方案，并根据模拟出的管径大小或坡度采用开挖方法对管道进行替换；

根据确定的修复方案对排水管道进行开挖修复或非开挖修复。

参照图1，一种基于排水能力评估的排水管道修复系统，包括：

提取模块，用于提取排水管道周边的排水信息；

建模模块，用于根据排水管道周边的排水信息建立雨洪模型；

排水能力评估模块，用于采用雨洪模型对排水管道进行排水能力评估，确定可能发生病害的管段；

病害点查找模块，用于对可能发生病害的管段进行闭路电视观测，查找出排水管道的病害点；

修复模块，用于根据雨洪模型和查找出的病害点制定排水管道修复方案，并根据排水管道修复方案对排水管道进行开挖修复或非开挖修复。

进一步作为优选的实施方式，所述排水管道周边的排水信息包括但不限于区域的排水分区信息，排水主干管及支管的走向、坡度、管径的大小、管道埋深，检查井的标高，地表坡度信息，透水面、不透水面，管道的曼宁系数，透水地表和不透水地表的洼蓄量信息，排水管道周边的涝水点。

进一步作为优选的实施方式，所述建模模块包括：

DEM图生成单元，用于将CAD图的排水信息导入到GIS中换算成矢量数据，然后利用3D分析生成TIN表面，再转换成DEM数据，以生成DEM图；

流向分析单元，用于采用流向分析工具从DEM图中获取流向分析结果；

划分单元，用于根据流向分析结果采用水文分析工具中的Basins工具提取自然汇水区，并借助Thiessen多边形工具对获得的自然汇水区进行二次划分，使每一个出水口对应一个汇水区；

修正单元，用于通过GIS分析提取二次划分后的相关数据，并经修正后输入到SWMM模型中；

概化单元，用于根据GIS的划分结果以及区域的排水管网资料，将区域内管网概化为与实际一致的管道、节点和出水口数量。

进一步作为优选的实施方式，所述排水能力评估模块包括：

合成单元，用于采用芝加哥降雨过程线模型合成排水管道所属地区的降雨情景，并录入到SWMM模型中；

模拟分析单元，用于在SWMM模型中采用Horton下渗模型、非线性水库模型和管网水动力模型对排水管道的排水能力进行模拟分析，其中，Horton下渗模型的公式为：f＝f_∞+(f₀-f_∞)e^-kt′，式中，f为下渗率，f_∞为稳定下渗率，f₀为初始下渗率，t′为降雨历时，k为下渗衰减系数；非线性水库模型的公式为：式中，d为水深，t₀为降雨时长，i^*为净雨强度，A为汇水区的面积，Q为出流量，W为汇水区的宽度，n为曼宁粗糙系数，dp为滞蓄水深；S为汇水区的坡度；管网水动力模型的公式为：

$Q_{t+\mathrm{\Δ}t}=\frac{1}{1+\frac{g\·n^2.\mathrm{\Δ}t.\left|\stackrel{\‾}{v}\right|}{R^{3/4}}}\[Q_t+2\stackrel{\‾}{v}\·(\stackrel{\‾}{A}-A_t)+{\left(\stackrel{\‾}{v}\right)}^2\frac{A_2-A_1}{L}\mathrm{\Δ}t-g\stackrel{\‾}{A}\frac{H_2-H_1}{L}\mathrm{\Δ}t\],$

式中，Q_t和Q_t+Δt分别为t时刻和t+Δt时刻的管段流量，Δt为时间间隔；为管段平均流速；为管段断面的平均过流面积；A_t为t时刻管段断面的过流面积；A₁和A₂分别为管段上游节点和下游节点处的管道断面面积；H₁和H₂分别为管段上游节点和下游节点处的水头；g为当地的重力加速度；L为管段长度；R为管段水力半径；n为曼宁粗糙系数；

排水能力评估单元，用于根据模拟分析的结果以及排水管道所属地区的实际降雨情况对排水管道进行排水能力评估，确定可能发生病害的管段。

下面结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步解释和说明。

实施例一

参照图2和3，本发明的第一实施例：

针对现有排水管道修复施工过程缺乏有效的方法对病害管道的排水能力进行评估所带来的问题，本发明提出了一种基于排水能力评估的排水管道修复方法，不仅计算过程简单、操作方便、使用效率高，而且可有效选择亟需进行修复的管段，并确定修复管道最理想的管径。该方法的主要内容包括：建立雨洪模型，采用雨洪模型对排水管道的排水能力进行评估，根据评估结果判定限制排水管道排水能力的管段及限制排水畅通的因素，采用雨洪模型提出保障排水管道畅通的管道修复方法。该方法建立的雨洪模型可以根据现场降雨特征、排水管道的标高、管径等信息模拟排水管道的排水过程。

该方法先收集城市内涝点附近管网及周边地形、建筑、下垫面等信息，然后根据收集到信息建立排水片区的雨洪模型，再对排水管网进行排水能力评估以确定可能出现病害的管段，接着采用CCTV系统对可能的病害管道进行探测以确定具体的病害点位置及病害特征，最后根据病害特征和排水要求制定相应的修复方案，具体说明如下：

(一)排水管道信息提取。

本发明所收集的排水管道周边的排水信息，应包含区域的排水分区信息，排水主干管及支管的走向、坡度、管径的大小、管道埋深，检查井的标高，地表坡度信息，透水面、不透水面，管道的曼宁系数，透水地表和不透水地表的洼蓄量信息，排水管道周边的涝水点。

(二)建立雨洪模型。

雨洪模型优先采用SWMM模型对管道的排水进行模拟分析。建立雨洪模型的步骤可进一步细分为：

将CAD图的信息导入到GIS中换算成矢量数据，利用3D分析生成TIN表面，然后再转换成DEM数据；

采用流向分析工具从DEM图层获取流向分析结果；

利用水文分析中的Basins工具提取自然汇水区，并借助Thiessen多边形工具对获得的自然汇水区进行二次划分，使每一个出水口对应一个汇水区；

通过GIS分析提取相关数据，并经修正后输入到SWMM模型中。

本发明根据GIS的划分结果以及研究区域(即排水管网所属的某个具体区域)的排水管网资料，遵循管径、管材、坡度基本保持不变的原则，可将研究区域内的管网概化为与实际一致的管道(或管渠)、节点和出水口数量。

(三)进行排水管道承载力(即排水能力)评估，确定可能的病害管段。

该过程可进一步细分为：

(1)基于本地暴雨强度公式和雨峰系数的非恒定降雨情景合成方法，采用芝加哥降雨过程线模型合成本地区0.5～20年一遇降雨情景(即实际的降雨情况)，并录入到SWMM模型中；

(2)采用SWMM模型对排水管道的排水能力进行模拟分析。

SWMM模型对排水管道的排水能力进行模拟分析时采用的计算模型包括采用Horton下渗模型、非线性水库模型和管网水动力模型，各自的模型公式如下：

Horton下渗模型：f＝f_∞+(f₀-f_∞)e^-kt′，式中，f为下渗率，f_∞为稳定下渗率，f₀为初始下渗率，t′为降雨历时，k为下渗衰减系数。

非线性水库模型：式中，d为水深，t₀为，i^*为净雨强度，A为汇水区的面积，Q为，W为汇水区的宽度，n为曼宁粗糙系数，dp为滞蓄水深；S为汇水区的坡度。

管网水动力模型：

$Q_{t+\mathrm{\Δ}t}=\frac{1}{1+\frac{g\·n^2.\mathrm{\Δ}t.\left|\stackrel{\‾}{v}\right|}{R^{3/4}}}\[Q_t+2\stackrel{\‾}{v}\·(\stackrel{\‾}{A}-A_t)+{\left(\stackrel{\‾}{v}\right)}^2\frac{A_2-A_1}{L}\mathrm{\Δ}t-g\stackrel{\‾}{A}\frac{H_2-H_1}{L}\mathrm{\Δ}t\],$

式中，Q_t和Q_t+Δt分别为t时刻和t+Δt时刻的管段流量，Δt为时间间隔；为管段平均流速；为管段断面的平均过流面积；A_t为t时刻管段断面的过流面积；A₁和A₂分别为管段上游节点和下游节点处的管道断面面积；H₁和H₂分别为管段上游节点和下游节点处的水头；g为当地的重力加速度；L为管段长度；R为管段水力半径；n为曼宁粗糙系数。

(3)分别选取0.5、1、3、5、10、20年一遇暴雨作为降雨条件，模拟在实际出现涝水情形下出现满足满载的管段(此管段即为可能发生病害的管段)。

此时可采用待定系数法，假设降雨条件不变(即为0.5、1、3、5、10、20年一遇暴雨中的某一个)，先根据现状病害情况下排水管道的排水情况确定出现积水的节点及积水时间，然后根据出现积水的节点及积水时间确定涝水区域，最后在涝水区域中查找出现满载负荷的管段，以确定现有排水管道的排水能力。

(四)进行CCTV观测，查找病害点。

此过程采用携带有闭路电视系统(即CCTV)的管道机器人在模拟分析可能出现病害的管道进行探测，以确定管道主要存在的各种病害，例如淤积严重、坍塌、墙体渗水、腐蚀和异物侵入等结构性和功能性病害。

(五)制定排水管道修复方案并进行修复。

此过程可进一步细分为：

(1)采用建立的雨洪模型，模拟在现状病害存在情况下，病害点管道的周边在不同暴雨情形下发生涝水的点位及涝水程度，并根据实际的涝水特征对雨洪模型的参数进行修正，使模拟最大程度与实际相符。

(2)根据病害点管道所属区域(即本地)的排水要求确定不发生涝水的最大暴雨年限，然后以确定的最大暴雨年限作为降雨情景，采用SWMM模型在改变病害点管段的管径大小和坡度的条件下模拟管道涝水点的出现情况。

(3)根据模拟的结果确定相应的修复方案：若模拟的结果为不增大病害点管段的管径或坡度就能消除涝水点的，则采用非开挖修复方案，并根据病害点的特征选取所需的非开挖修复方案；若模拟的结果为需要增大病害点管段的管径或坡度才能消除涝水点的，则采用开挖修复方案，并根据模拟出的管径大小或坡度采用开挖方法对管道进行替换。

(4)根据确定的修复方案对排水管道进行开挖修复或非开挖修复。

实施例二

参照图4-8，本发明的第二实施例：

本实施例的研究区域位于广州市海珠区江海街道办管辖范围以内，面积约为17.5公顷，如图4所示。

以图4的研究区域为例，本实施例进行排水管道修复的具体过程为：

(1)收集内涝区周边的管网信息。

本实施例的研究区域总体排水方向为自北往南，整个红卫新村的排水最终汇入南华大街十巷南面与新安街交界处的2.5m×2m渠箱内，然后往南穿过花季华庭最终排入龙潭涌。该渠箱位于花季华庭出入口的检查井处，晴天时水面高程为5.70，雨天时水面高程为6.90，其距离龙潭涌排出口约150米，渠箱的水流速度较快，只淤积少量淤泥，排水状况良好。

(2)建立本地雨洪模型。

将导入到GIS的CAD图管网信息换算成矢量数据，添加相关属性后，利用3D分析生成TIN表面，然后再转换成DEM数据；接着采用流向分析工具从DEM图层获取流向分析结果；然后利用水文分析中的Basins工具提取自然汇水区，并借助Thiessen多边形工具对获得的自然汇水区进行二次划分，使每一个出水口对应一个汇水区；最后通过GIS分析提取相关数据，并经修正后输入到SWMM模型中。

通过上述方法，本实施例将研究区域划分为70个子汇水区(面积变化范围0.06～2.17公顷)，各子汇水区的地表径流直接排入到最近的排水设施检查井节点，每个子汇水区对应一种土地利用类型。而根据上述GIS的划分结果以及该区域的排水管网资料，遵循管径、管材、坡度基本保持不变的原则，可将研究区域内管网概化为161条管道(或管渠)、148个节点和2个出水口，建模区的概化结果如图5所示。

(3)对内涝区管网进行排水能力评估。

在1年一遇暴雨强度下，采用SWMM模型进行评估后发现，有27个检查井节点出现不同程度的积水，占检查井总数的18％；其中16个检查井节点的积水时间在30min以上，3个检查井J54、J82和J84的积水时间超过60min，占降雨历时的61％～87％，因此这16个节点为该区域的易涝区，而J54、J82和J84为涝水重点控制区。而根据实地观测，在2014年5月的一次1年一遇强度的降雨过程中，这16个节点处均出现了不同程度的积水时间，尤其是3个重点控制区所在的红卫新村直街出现了相对较长时间的积水。因此，本发明SWMM模型模拟评估的结果与实地观测的情况吻合。

在2014年5月的此次降雨过程中，有18条管道存在满流情况，占总管渠数的11％，且管道出现满流的时间大多较短，管段满流时间超过60min的只有C60、C91和C156这三个管段，如图6所示。发生满流的管道其上游节点都发生不同程度的积水，以致发生内涝，且管道长时间处于高负荷状态下运行容易发生破损。而出现满载时间较长的C91和C156管段位于此前确定的涝水重点控制区—红卫新村直街区域内，因此这是可能出现病害的管段。

(4)采用CCTV对管道进行探测。

对可能出现病害的管段进行CCTV检测后发现，南华大街十巷南面与新安街交界处的这段渠箱的病害主要表现为淤积严重、墙体发生严重侧滑、上部出现裂缝和坍塌、墙体渗水、墙体严重腐蚀和异物侵入等结构性和功能性病害，如图7所示。

(5)制定修复方案并进行修复。

根据渠箱的结构性和功能性病害特征，南华大街十巷南面与新安街交界处的管渠的修复目的主要为恢复、加固渠箱结构，并防止墙体表面进一步腐蚀，其需要采用聚氨酯喷涂修复的非开挖修复方案。

如图8所示，根据非开挖上述修复方案，通过渠箱通风、清淤、调水、渗水堵漏、坍塌处理、渠箱表面修补、人工喷涂等一系列过程，病害管渠能得到完全的恢复。

以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (10)

1.一种基于排水能力评估的排水管道修复方法，其特征在于：包括以下步骤：

提取排水管道周边的排水信息；

根据排水管道周边的排水信息建立雨洪模型；

采用雨洪模型对排水管道进行排水能力评估，确定可能发生病害的管段；

对可能发生病害的管段进行闭路电视观测，查找出排水管道的病害点；

根据雨洪模型和查找出的病害点制定排水管道修复方案，并根据排水管道修复方案对排水管道进行开挖修复或非开挖修复。

2.根据权利要求1所述的一种基于排水能力评估的排水管道修复方法，其特征在于：所述排水管道周边的排水信息包括但不限于区域的排水分区信息，排水主干管及支管的走向、坡度、管径的大小、管道埋深，检查井的标高，地表坡度信息，透水面、不透水面，管道的曼宁系数，透水地表和不透水地表的洼蓄量信息，排水管道周边的涝水点。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于排水能力评估的排水管道修复方法，其特征在于：所述根据排水管道周边的排水信息建立雨洪模型这一步骤，其包括：

将CAD图的排水信息导入到GIS中换算成矢量数据，然后利用3D分析生成TIN表面，再转换成DEM数据，以生成DEM图；

采用流向分析工具从DEM图中获取流向分析结果；

根据流向分析结果采用水文分析工具中的Basins工具提取自然汇水区，并借助Thiessen多边形工具对获得的自然汇水区进行二次划分，使每一个出水口对应一个汇水区；

通过GIS分析提取二次划分后的相关数据，并经修正后输入到SWMM模型中；

根据GIS的划分结果以及区域的排水管网资料，将区域内管网概化为与实际一致的管道、节点和出水口数量。

4.根据权利要求3所述的一种基于排水能力评估的排水管道修复方法，其特征在于：所述采用雨洪模型对排水管道进行排水能力评估，确定可能发生病害的管段这一步骤，其包括：

采用芝加哥降雨过程线模型合成排水管道所属地区的降雨情景，并录入到SWMM模型中；

在SWMM模型中采用Horton下渗模型、非线性水库模型和管网水动力模型对排水管道的排水能力进行模拟分析，其中，Horton下渗模型的公式为：f＝f_∞+(f₀-f_∞)e^-kt′，式中，f为下渗率，f_∞为稳定下渗率，f₀为初始下渗率，t′为降雨历时，k为下渗衰减系数；非线性水库模型的公式为：式中，d为水深，t₀为降雨时长，i^*为净雨强度，A为汇水区的面积，Q为出流量，W为汇水区的宽度，n为曼宁粗糙系数，dp为滞蓄水深；S为汇水区的坡度；管网水动力模型的公式为：

$Q_{t+\mathrm{\Δ}t}=\frac{1}{1+\frac{g\·n^2.\mathrm{\Δ}t.\left|\stackrel{\‾}{v}\right|}{R^{3/4}}}\[Q_t+2\stackrel{\‾}{v}\·(\stackrel{\‾}{A}-A_t)+{\left(\stackrel{\‾}{v}\right)}^2\frac{A_2-A_1}{L}\mathrm{\Δ}t-g\stackrel{\‾}{A}\frac{H_2-H_1}{L}\mathrm{\Δ}t\],$

式中，Q_t和Q_t+Δt分别为t时刻和t+Δt时刻的管段流量，Δt为时间间隔；为管段平均流速；为管段断面的平均过流面积；A_t为t时刻管段断面的过流面积；A₁和A₂分别为管段上游节点和下游节点处的管道断面面积；H₁和H₂分别为管段上游节点和下游节点处的水头；g为当地的重力加速度；L为管段长度；R为管段水力半径；n为曼宁粗糙系数；

根据模拟分析的结果以及排水管道所属地区的实际降雨情况对排水管道进行排水能力评估，确定可能发生病害的管段。

5.根据权利要求4所述的一种基于排水能力评估的排水管道修复方法，其特征在于：所述根据模拟分析的结果以及排水管道所属地区的实际降雨情况对排水管道进行排水能力评估，确定可能发生病害的管段这一步骤，其具体为：

分别以0.5年、1年、3年、5年、10年和20年一遇暴雨作为降雨条件，采用SWMM模型模拟排水管道所属地区在实际出现涝水情形下出现满载的管段，并以出现满载的管段作为可能发生病害的管段：首先根据当前降雨条件下排水管道的排水情况确定出现积水的节点及积水时间，然后根据出现积水的节点及积水时间确定涝水区域，最后在涝水区域中查找出现满载负荷的管段。

6.根据权利要求5所述的一种基于排水能力评估的排水管道修复方法，其特征在于：所述根据雨洪模型和查找出的病害点制定排水管道修复方案，并根据排水管道修复方案对排水管道进行开挖修复或非开挖修复这一步骤，其包括：

采用雨洪模型模拟病害点管道的周边在不同暴雨情形下发生涝水的点位及涝水程度，并根据实际的涝水特征对雨洪模型的参数进行修正；

根据病害点管道所属区域的排水要求确定不发生涝水的最大暴雨年限，然后以确定的最大暴雨年限作为降雨情景，采用SWMM模型在改变病害点管段的管径大小和坡度的条件下模拟管道涝水点的出现情况；

根据模拟的结果确定相应的修复方案：若模拟的结果为不增大病害点管段的管径或坡度就能消除涝水点的，则采用非开挖修复方案，并根据病害点的特征选取所需的非开挖修复方案；若模拟的结果为需要增大病害点管段的管径或坡度才能消除涝水点的，则采用开挖修复方案，并根据模拟出的管径大小或坡度采用开挖方法对管道进行替换；

根据确定的修复方案对排水管道进行开挖修复或非开挖修复。

7.一种基于排水能力评估的排水管道修复系统，其特征在于：包括：

提取模块，用于提取排水管道周边的排水信息；

建模模块，用于根据排水管道周边的排水信息建立雨洪模型；

排水能力评估模块，用于采用雨洪模型对排水管道进行排水能力评估，确定可能发生病害的管段；

病害点查找模块，用于对可能发生病害的管段进行闭路电视观测，查找出排水管道的病害点；

修复模块，用于根据雨洪模型和查找出的病害点制定排水管道修复方案，并根据排水管道修复方案对排水管道进行开挖修复或非开挖修复。

8.根据权利要求7所述的一种基于排水能力评估的排水管道修复系统，其特征在于：所述排水管道周边的排水信息包括但不限于区域的排水分区信息，排水主干管及支管的走向、坡度、管径的大小、管道埋深，检查井的标高，地表坡度信息，透水面、不透水面，管道的曼宁系数，透水地表和不透水地表的洼蓄量信息，排水管道周边的涝水点。

9.根据权利要求7或8所述的一种基于排水能力评估的排水管道修复系统，其特征在于：所述建模模块包括：

DEM图生成单元，用于将CAD图的排水信息导入到GIS中换算成矢量数据，然后利用3D分析生成TIN表面，再转换成DEM数据，以生成DEM图；

流向分析单元，用于采用流向分析工具从DEM图中获取流向分析结果；

划分单元，用于根据流向分析结果采用水文分析工具中的Basins工具提取自然汇水区，并借助Thiessen多边形工具对获得的自然汇水区进行二次划分，使每一个出水口对应一个汇水区；

修正单元，用于通过GIS分析提取二次划分后的相关数据，并经修正后输入到SWMM模型中；

概化单元，用于根据GIS的划分结果以及区域的排水管网资料，将区域内管网概化为与实际一致的管道、节点和出水口数量。

10.根据权利要求9所述的一种基于排水能力评估的排水管道修复系统，其特征在于：所述排水能力评估模块包括：

合成单元，用于采用芝加哥降雨过程线模型合成排水管道所属地区的降雨情景，并录入到SWMM模型中；

模拟分析单元，用于在SWMM模型中采用Horton下渗模型、非线性水库模型和管网水动力模型对排水管道的排水能力进行模拟分析，其中，Horton下渗模型的公式为：f＝f_∞+(f₀-f_∞)e^-kt′，式中，f为下渗率，f_∞为稳定下渗率，f₀为初始下渗率，t′为降雨历时，k为下渗衰减系数；非线性水库模型的公式为：式中，d为水深，t₀为降雨时长，i^*为净雨强度，A为汇水区的面积，Q为出流量，W为汇水区的宽度，n为曼宁粗糙系数，dp为滞蓄水深；S为汇水区的坡度；管网水动力模型的公式为：

$Q_{t+\mathrm{\Δ}t}=\frac{1}{1+\frac{g\·n^2.\mathrm{\Δ}t.\left|\stackrel{\‾}{v}\right|}{R^{3/4}}}\[Q_t+2\stackrel{\‾}{v}\·(\stackrel{\‾}{A}-A_t)+{\left(\stackrel{\‾}{v}\right)}^2\frac{A_2-A_1}{L}\mathrm{\Δ}t-g\stackrel{\‾}{A}\frac{H_2-H_1}{L}\mathrm{\Δ}t\],$

式中，Q_t和Q_t+Δt分别为t时刻和t+Δt时刻的管段流量，Δt为时间间隔；为管段平均流速；为管段断面的平均过流面积；A_t为t时刻管段断面的过流面积；A₁和A₂分别为管段上游节点和下游节点处的管道断面面积；H₁和H₂分别为管段上游节点和下游节点处的水头；g为当地的重力加速度；L为管段长度；R为管段水力半径；n为曼宁粗糙系数；

排水能力评估单元，用于根据模拟分析的结果以及排水管道所属地区的实际降雨情况对排水管道进行排水能力评估，确定可能发生病害的管段。