CN107967402A - 一种城市内涝排除系统的设计分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种城市内涝排除系统的设计分析方法，包括：确定计算域和控制方程；基础文件及相关参数设置；内涝积水点分析；设计排水源项；设计方案的内涝计算；排水源项优化；优化方案的内涝计算；判断；确定排涝方案。本发明将内涝排除系统的设计优化，简化为排水源项大小和位置的优化，依据排水源项确定雨水口、水泵的布置，实现以需定供，这是对之前的制定排涝方案后，再进行排涝安全分析和优化的一个很大改进，为排涝系统的设计、分析和优化提供技术指导和解决方案，保证城市道路行涝安全。

Description

一种城市内涝排除系统的设计分析方法

技术领域

本发明涉及一种城市内涝排除系统的设计分析方法，是一种水文计算方法，是一种城市的排水系统进行分析计算的方法。

背景技术

随着全球气候的变化，极端气候增多，城市暴雨的频率增加，强度增大。另一方面，城市化的发展致使路面硬化，建筑增多，绿地和透水面积减少，因此，城市涵蓄降雨的能力减弱，产流历时缩短、强度增大。因此，强降雨过程和低排涝能力引起的城市内涝问题也就越来越明显，易造成城市交通堵塞、短时间社会混乱，甚至会引起公共卫生安全问题，因此，城市排涝是城市建设发展过程中需要认真对待和解决的问题。

城市排涝的关键因素是排水系统的设计，包括雨水口位置、雨水口的形式以及雨水口的箅数等。计算城市排涝主要是有水文学和水力学两种方法。水文学方法是依据水量平衡原理，模拟分析不同下垫面因素对降雨产流过程的影响，这种方法计算较为简单，主要是从宏观角度进行分析，无法获得计算域内的水力特性。水力学方法是通过求解计算流体动力学基本方程，获得计算节点或面域内的水流运动过程，在此基础上，可细化为一维水动力学方法和二维水动力学方法。一维水动力学方法难以反映地表起伏变化的影响，不能计算坡面流；二维模型可较为真实地分析地面产流与地面积水。传统的方法是将地下排水管网与二维模型耦合进行计算，但建模过程和计算程序较为复杂，系统调整和优化的工作量大、效率低。因此，传统方法一般用于已有规划方案的特性分析及布置优化，很少用于指导前期的设计工作。

发明内容

为了克服现有技术的问题，本发明提出了一种城市内涝排除系统的设计分析方法。所述方法用于快速分析计算域的产汇流和积水过程，为排涝系统的设计、分析和优化提供技术指导和解决方案，保证行涝安全。

本发明的目的是这样实现的：一种城市内涝排除系统的设计分析方法，其特征在于，所述方法的步骤如下：

确定计算域及控制方程的步骤：根据实际需要划定研究区域，根据研究区域的平面规划及基础地形数据，确定内涝的计算域，

建立计算模型的控制方程，包括：连续性方程和动量方程，

连续性方程为：

动量方程为：

式中：h为水深；t为时间；x和y为笛卡尔坐标；u和v分别为x和y方向的流速；、为基于水深的平均流速；S为点源流量；f为风阻力系数；g为重力加速度；η为河底高程；ρ ₀为水的相对密度；p _a 为大气压强；ρ为水的密度；τ _sx 和τ _sy 分别为自由表面的风对水面的剪切应力在x和y方向上分量；τ _bx 和τ _by 为底床摩擦应力项在x和y方向上分量；s _xx 、s _xy 、s _yx 和s _yy 为辐射应力的分量；T _xx 、T _xy 、和T _yy 为侧向应力项；u _s 、v _s 为源汇项水流的流速；

基础文件及相关参数设置的步骤：对计算域进行地形处理，确定计算域的地面糙率，确定内涝防治标准，进行降雨设置；

内涝积水点分析的步骤：对计算域内未设置任何排水设施的情况进行二维平面产汇流计算，获取易出现积水的位置及积水深度；

设置排水源项的步骤：根据初步分析的易积水位置，配置数值为负的点源流量，在动量方程中用S表示；

设计方案的内涝计算的步骤：对设置排水源项的工况进行二维平面数值计算，获取配置排水源项的积水位置、积水深度及积水时间，确认是否满足规范要求；

排水源项优化的步骤：如果设计方案不满足规范要求，则对排水源项的大小、位置和时间进行优化，即增大排水源项的数值、优化排水源项的布置或排水源项的启动时间，确定优化方案；

优化方案的内涝计算的步骤：对优化方案进行二维平面数值计算，分析计算域内的积水位置、积水深度及积水时间；

判断的步骤：根据内涝计算结果判断是否满足规范要求，如果“是”则进入下一步骤；如果“否”则回到“排水源项优化的步骤”；

确定排涝方案的步骤：根据最终优化的排水源项，进行雨水口、水泵的布置；计算过程中，给定的是某一节点处的排水能力Q _i ，如果Q _i 是随时间不变的恒定值，则在该处应设置雨水口，雨水口的数量，式中：q为雨水口的排水能力；如果Q _i 是某一时刻突然由零变为负值，则应该在该处配置电泵，电泵的数量，式中：Q _p 为电泵的额定流量，电泵的启动时间即为Q _i 变为负值的时刻。

本发明产生的有益效果是：本发明通过将内涝排除系统的设计优化，简化为排水源项大小和位置的优化，依据排水源项确定雨水口、水泵的布置，实现以需定供，为排涝系统的设计、分析和优化提供技术指导和解决方案，保证行涝安全。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是本发明的实施例所述方法的流程图；

图2是本发明的实施例中的计算实例的计算域示意图；

图3是本发明的实施例中的计算实例的降雨过程线；

图4是本发明的实施例中的计算实例的内涝无排水积水点分析示意图；

图5是本发明的实施例中的计算实例的排水源项的初步设计方案示意图；

图6是本发明的实施例中的计算实例的初步设计方案的积水深度示意图；

图7是本发明的实施例中的计算实例的排水源项的优化设计方案示意图；

图8是本发明的实施例中的计算实例的优化设计方案的积水深度示意图。

具体实施方式

实施例：

本实施例是一种城市内涝排除系统的设计分析方法。本实施例的原理是：根据二维平面计算模型评估内涝易发生点。根据内涝易发生位置，配置流量为负值的排水源项，当可排水量小于排水能力时，排水量等于可排水量。当可排水量大于排水能力时，降雨不能及时排除，出现积水。对排水源项的大小和位置进行优化，使整个计算域的排涝能力满足规范要求。根据排水源项，确定雨水口、电泵的布置和排涝方案。所述方法将内涝排除系统的设计优化，简化为排水源项大小和位置的优化，依据排水源项确定雨水口、水泵的布置，可实现“以需定供”，这是对现有排涝安全分析和优化的一个很大改进。

本实施例所述方法的步骤如下，流程如图1所示：

1.确定计算域及控制方程的步骤：

1.1根据实际需要划定研究区域，根据研究区域的平面规划及基础地形数据，确定内涝的计算域。计算域的大小根据地形划分，为计算方便可以为规则的几何形状，如正方形，圆形等，也可以根据地形的变化，以及排水的要求，划分出不规则的形状，例如按照类似分水岭那样的较大区域雨水分流状态进行划分。

1.2建立计算模型的控制方程，控制方程包括：连续性方程和动量方程，

连续性方程为：

动量方程为：

式中：h为水深；t为时间；x和y为笛卡尔坐标；u和v分别为x和y方向的流速；、为基于水深的平均流速；S为点源流量；f为风阻力系数；g为重力加速度；η为河底高程；ρ ₀为水的相对密度；p _a 为大气压强；ρ为水的密度；τ _sx 和τ _sy 分别为自由表面的风对水面的剪切应力在x和y方向上分量；τ _bx 和τ _by 为底床摩擦应力项在x和y方向上分量；s _xx 、s _xy 、s _yx 和s _yy 为辐射应力的分量；T _xx 、T _xy 、和T _yy 为侧向应力项；u _s 、v _s 为源汇项水流的流速。

2.基础文件及相关参数设置的步骤：对计算域进行地形处理，确定计算域的地面糙率，确定内涝防治标准，进行降雨设置。本步骤包括四个子步骤：

2.1 地形处理：

采用三角形或四边形网格对计算域进行划分，根据离散高程点数据进行插值处理，得到计算域的地形数据。

2.2 地面糙率：

根据现场的地表植被情况，确定计算域内不同位置的糙率值。

2.3 内涝防治标准：

参照相关规范，根据城镇类型、积水影响等因素，确定内涝防治设计重现期。

2.4 降雨设置：

参照当地暴雨强度和长历时设计降雨雨型，构建设计重现期内的降雨过程线。

3.内涝积水点分析的步骤：对计算域内未设置任何排水设施的情况进行二维平面产汇流计算，获取易出现积水的位置及积水深度。对计算域内未设置任何排水设施的情况进行强降雨过程的平面产汇流水动力学计算，其中，空间离散采用有限体积法，通过线性梯度重构方法获得空间准确度，时间积分采用二阶龙格库塔方法。统计分析计算域内连续时间段内的积水深度极大值，获取易出现积水的位置及深度。

4.设置排水源项的步骤：根据初步分析的易积水位置，配置数值为负的点源流量，在动量方程中用S表示。

根据初步分析的易积水位置，配置数值为负的点源流量，也就是排水源项。点源流量为负，说明是从整个计算域内向系统外排水，其功能与实际排涝系统中的雨水口、电泵等同。当局部可排水量大于点源流量时，点源流量按设计值排除系统内的水量，局部会出现一定的积水；当局部可排水量小于点源流量时，点源流量与可排水量相同，局部不会出现积水。通过设置排水源项，传统的二维计算得到了很大的简化。

5.设计方案的内涝计算的步骤：对设置排水源项的工况进行二维平面数值计算，空间离散与时间积分设置与步骤3一致，根据统计结果可获取配置排水源项的积水位置、积水深度及积水时间，确认是否满足规范要求。

6.排水源项优化的步骤：如果设计方案不满足规范要求，则对排水源项的大小、位置和时间进行优化，即增大排水源项的数值、优化排水源项的布置或排水源项的启动时间，确定优化方案。

7.优化方案的内涝计算的步骤：对优化方案进行二维平面数值计算，分析计算域内的积水位置、积水深度及积水时间。

8.判断的步骤：根据内涝计算结果判断是否满足规范的要求，如果“是”则进入下一步骤；如果“否”则回到“排水源项优化的步骤”。

9.确定排涝方案的步骤：根据最终优化的排水源项，进行雨水口、水泵的布置；计算过程中，给定的是某一节点处的排水能力Q _i ，如果Q _i 是随时间不变的恒定值，则在该处应设置雨水口，雨水口的数量，式中：q为雨水口的排水能力；如果Q _i 是某一时刻突然由零变为负值，则应该在该处配置电泵，电泵的数量，式中：Q _p 为电泵的额定流量，电泵的启动时间即为Q _i 变为负值的时刻。

计算实例

计算实例为某一城市道路与铁路交叉的项目。被交节点采用下凹式立交桥的方式穿越2条铁路，因此，发生城市暴雨时，桥下易出现积水。若积水深度过大，积水历时过长，会出现城市内涝，造成交通拥堵、秩序混乱等次生社会问题，因此，需要对排水系统进行合理规划。

1.确定计算域：

根据地表产汇流情况，确定的计算域如图2所示。其中，两条平行的铁路（铁路1、铁路2）和一条与两条铁路平行的公路（公路2），以及一条与两条铁路立体交叉，并与公路2平面交叉的公路（公路1），计算域为矩形。

2.基础文件及相关参数设置：

2.1地形处理：

采用三角形网格对计算域进行划分，根据离散高程点数据进行插值处理，得到计算域地形。

2.2地面糙率：

根据现场的地表植被情况，确定计算域内沥青路面（两条公路的路面）和绿地（包括两条铁路和周围的绿地）的糙率值分别为0.02和0.08。

2.3内涝防治标准：

参照《室外排水设计规范》GB50014-2006（2014年版），根据城镇类型、积水影响等因素，确定了内涝防治设计重现期为50年。

2.4降雨设置：

参照当地暴雨强度和长历时设计降雨雨型，构建50年设计重现期内的降雨过程线，如图3所示。

3.内涝积水点分析：

对计算域内未设置任何排水设施的情况进行二维平面产汇流计算，积水位置及积水深度，也就是内涝无排水积水点分析的示意图，如图4所示。

4.设置排水源项：

根据初步分析的易积水位置，配置数值为负的点源流量，确定排水源项的初步设计方案（点源分布设计方案），如图5所示。

5.初步设计方案的内涝计算：

对设置排水源项的工况进行二维平面数值计算，最大水深分布如图6所示，部分位置的积水深度大于0.15m的时间超过30min，不满足规范要求。根据计算结果分析，需要增加被交节点位置下凹式立交桥桥底（细实线框标出）的排水能力。另一点，图6右下角绿地（细实线框标出）处根据规范，由图6可见，它的积水深度最大是0.12m，未大于0.15m；虽然满足要求，但在后续的处理中，依然增大了该处的排水能力，也就是下面步骤6的处理与实际处理是完全吻合的，所以图8的积水深度变小了。

6.排水源项的优化：

根据设计方案的计算结果，对排水源项的优化如下：1）将下凹式立交桥左端的3个排水源项和右侧的2个排水源项移至桥底；2）增加右下角排水源项的数值，也就是增大排涝能力。优化后的布置方案如图7所示。

7.优化方案的内涝计算：

对优化方案进行二维平面数值计算，计算域内的积水深度如图8所示。由图知，该方案下未出现深度超过0.15m的积水，满足规范要求。

8.确定排涝方案：

根据最终优化的排水源项，布置雨水口和电泵。例如，某一节点排水源项数值为0.09L/s，参照上述表格，需要布置2个双箅联合式雨水口。

最后应说明的是，以上仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳布置方案对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案（比如应用的范围是城市还城郊、各种公式的运用、步骤的先后顺序等）进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (1)

1.一种城市内涝排除系统的设计分析方法，其特征在于，所述方法的步骤如下：

确定计算域及控制方程的步骤：根据实际需要划定研究区域，根据研究区域的平面规划及基础地形数据，确定内涝的计算域，

建立计算的模型控制方程，包括：连续性方程和动量方程，

连续性方程为：

动量方程为：

式中：h为水深；t为时间；x和y为笛卡尔坐标；u和v分别为x和y方向的流速；、为基于水深的平均流速；S为点源流量；f为风阻力系数；g为重力加速度；η为河底高程；ρ ₀为水的相对密度；p _a 为大气压强；ρ为水的密度；τ _sx 和τ _sy 分别为自由表面的风对水面的剪切应力在x和y方向上分量；τ _bx 和τ _by 为底床摩擦应力项在x和y方向上分量；s _xx 、s _xy 、s _yx 和s _yy 为辐射应力的分量；T _xx 、T _xy 、和T _yy 为侧向应力项；u _s 、v _s 为源汇项水流的流速；

基础文件及相关参数设置的步骤：对计算域进行地形处理，确定计算域的地面糙率，确定内涝防治标准，进行降雨设置；

内涝积水点分析的步骤：对计算域内未设置任何排水设施的情况进行二维平面产汇流计算，获取易出现积水的位置及积水深度；

设置排水源项的步骤：根据初步分析的易积水位置，配置数值为负的点源流量，在动量方程中用S表示；

设计方案的内涝计算的步骤：对设置排水源项的工况进行二维平面数值计算，获取配置排水源项的积水位置、积水深度及积水时间，确认是否满足规范要求；

排水源项优化的步骤：如果设计方案不满足规范要求，则对排水源项的大小、位置和时间进行优化，即增大排水源项的数值、优化排水源项的布置或排水源项的启动时间，确定优化方案；

优化方案的内涝计算的步骤：对优化方案进行二维平面数值计算，分析计算域内的积水位置、积水深度及积水时间；

判断的步骤：根据内涝计算结果判断是否满足规范的要求，如果“是”则进入下一步骤；如果“否”则回到“排水源项优化的步骤”；

确定排涝方案的步骤：根据最终优化的排水源项，进行雨水口、水泵的布置；计算过程中，给定的是某一节点处的排水能力Q _i ，如果Q _i 是随时间不变的恒定值，则在该处应设置雨水口，雨水口的数量，式中：q为雨水口的排水能力；如果Q _i 是某一时刻突然由零变为负值，则应该在该处配置电泵，电泵的数量，式中：Q _p 为电泵的额定流量，电泵的启动时间即为Q _i 变为负值的时刻。