CN110569598A - 一种雨水管道与道路联合系统最大排涝能力的预测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种雨水管道与道路联合系统最大排涝能力的预测方法，针对现有联合排涝系统的最大排涝能力进行量化存在困难，在城市管道、道路设计初期无法准确预测系统排涝的能力的问题，本发明构建了联合排涝系统最大排涝能力的量化表达式，并建立了量化式中的权重系数的确定方式，以线性函数的方式对联合排涝系统的最大排涝能力进行量化表征，有助于明晰影响联合排涝系统排涝能力的主要因素，同时，结合GIS软件辅以可视化的排涝能力信息化表征图，能够直观获得区域排涝能力情况，为管网与道路排水系统设计提供重要依据。

Description

一种雨水管道与道路联合系统最大排涝能力的预测方法

技术领域

本发明属于城市内涝治理的技术领域。

背景技术

近年来城市化进程不断加快，不透水路面比例随之增大，致使城市下垫面发生变化，内涝问题也愈发严重。由于经济因素及历史原因，我国城市现有雨水管网的设计重现期普遍较低，通常只可应对小重现期暴雨，但不足以抵御高重现期暴雨导致的内涝灾害。

道路因其过水断面巨大的特点，成为理想的超标径流排放通道。目前发达国家和地区已基本形成城市雨水管道(小排水系统)、城市内涝防治(大排水系统)和城市防洪三套体系的完整城市排水模式。近年来，借鉴发达国家和地区的经验，我国学者提出在现有雨水管道的基础之上构建以地表排涝行泄通道，形成由雨水管道、地表行泄通道联合的城市排涝体系，可大大提高城市防御内涝的能力。

目前，针对现有城市雨水管道与道路联合排涝系统实际最大排涝能力进行量化存在困难，在城市管道、道路设计初期无法准确预测系统排涝的能力的问题。亟需提出一个能够直观表达影响联合排涝系统排涝能力的公式，用于在总体规划及道路专项规划设计阶段指导顶层设计指标，将道路泄洪与管道排涝作为整体进行有效设计。

本申请中，城市雨水管道与道路联合排涝系统简称“联合排涝系统”。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明所要解决的技术问题就是提供一种雨水管道与道路联合系统最大排涝能力的预测方法，它通过建立最大排涝能力量化式，在一定程度上预测城市雨水管道与道路联合排涝系统的最大排涝能力。

本发明所要解决的技术问题是通过这样的技术方案实现的，它包括以下步骤：

步骤1、建立联合排涝系统最大排涝能力的量化式为：

Q_max＝M₁×B+M₂×i_r+M₃×D+M₄×i_p+M₅×h+M₆

式中，Q_max为最大排涝能力(m³/s)，B为道路宽度(m)，i_r为道路坡度(％)，D为管道管径(mm)，i_p为管道坡度(％)，h为管道埋深(m)；M₁、M₂、M₃、M₄、M₅、M₆皆为权重系数；

步骤2、确定量化式中的权重系数M₁、M₂、M₃、M₄、M₅、M₆；

步骤21)、根据《城镇内涝防治规范》确定联合排涝系统最大排涝能力的行洪约束条件；

步骤22)、设定联合排涝系统的水力边界条件，包括有：下游自由排放、下游水位刚好顶托至地面和顶托至地面泄洪最高水位；

步骤23)、输入需要模拟的道路宽度B、道路坡度i_r、管道管径D、管道坡度i_p、管道埋深h，将各参数进行变量组合，列出不同工况；

步骤24)、在SWMM软件中构建雨水管道与道路联合排涝系统，依据步骤21)中行洪约束条件，计算步骤23)中各工况的排涝水量和联合排涝系统最大排涝能力；

步骤25)、利用统计分析软件，以不同工况组合下的参数为自变量，以相应条件下得到的最大排涝能力为因变量，进行线性回归分析，若符合线性方程拟合优度的R²值，则确定各系数取值。

优选地，还包括步骤3、将联合排涝系统的排涝能力进行可视化表征，具体步骤如下：

步骤31)、将研究区域的CAD管网资料和下垫面资料导入GIS；

步骤32)、根据下垫面分布构建联合排涝系统图层，在此图层下新建属性栏，分别命名为：道路宽度R_width、道路坡度R_slope；管道埋深P_height、管道管径P_d、管道坡度P_slope；类型均设置为双精度数字表示，并且根据CAD图纸和对应的资料赋予每个属性相应值；

步骤33)、在GIS软件的运算界面下，输入步骤1的联合排涝系统最大排涝能力的量化式，GIS软件将步骤32)输入属性值赋予量化式中，计算区域内每条管道与道路的最大排涝能力；

步骤34)、对联合排涝系统的排涝能力进行量化后，用渲染工具进行排涝能力的可视化表征；选择分级渲染，选择颜色、符号大小来表示不同等级。

本发明的技术效果是：

1、本发明构建了联合排涝系统的最大排涝能力量化式，量化式包含了联合排涝系统排涝能力的全部因素，在一定程度上能够反映雨水管道与道路联合排涝系统的最大排涝能力，可以大致预测推算出联合排涝系统的最大排涝能力Q_max。

从步骤1中的量化式中，能直观发现影响联合排涝系统排涝能力的主要因素。

2、步骤24)中，利用SWMM模型构建道路与管道联合排涝系统，利用SWMM自身属性能在软件内部实现反复迭代求解一维圣维南偏微分方程组以得到最大排涝能力Q_max，满足节点连续性方程和动量方程，实现水量Q与水深H的收敛，并通过并行管道动态水力计算及管道承压模拟，达到精确的流量分配，可准确模拟不同运行工况条件下道路的排涝能力和管道的排涝能力。

3、以下游运行的水力边界条件，例如下游自由排放、下游水位刚好顶托至地面或顶托至地面泄洪最高水位作为联合排涝系统排涝能力进行分类，更加符合实际情况，避免不考虑下游运行的水力边界条件而导致道路泄洪风险超标。

4、通过分析统计软件和GIS工具将联合排涝系统的排涝能力进行量化表征，实现了直观可视化表征整个排水系统最大排涝能力，可作为道路行泄通道系统设计、规划的重要依据。

附图说明

本发明的附图说明如下：

图1为实施例中研究区域示意图；

图2为实施例中的下游自由排放边界条件下的排涝能力属性运算界面图；

图3为实施例中的下游自由排放边界条件下的排涝能力信息化表征图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

本发明的构思是：构建一个能够表征城市雨水管道与道路联合排涝系统排涝能力的量化式，获得出量化式的各系数；同时以GIS软件将联合排涝系统的排涝能力进行可视化表征。以方便设计人员直观获得区域排涝能力情况，根据《城镇内涝防治规范》等提出的约束条件，构建安全的城市联合排涝体系，有效减少或避免城市内涝的发生。

实施例1

本实施例为下游自由排放的最大排涝能力预测。按以下步骤：

步骤1、建立联合排涝系统最大排涝能力的量化式为：

Q_max＝M₁×B+M₂×i_r+M₃×D+M₄×i_p+M₅×h+M₆；

式中，Q_max为最大排涝能力(m³/s)，B为道路宽度(m)，i_r为道路坡度(％)，D为管道管径(mm)，i_p为管道坡度(％)，h为管道埋深(m)；

M₁、M₂、M₃、M₄、M₅、M₆皆为权重系数；

步骤2、确定量化式中的权重系数M₁、M₂、M₃、M₄、M₅、M₆；

步骤21)、确定联合排涝系统最大排涝能力的行洪约束条件；

英国建筑行业研究与咨询协会(CIRIA)在2006年出版的手册Designing forexceedance in urban drainage-good practice中提出行人发生冲倒失稳时采用h×v²(其中h为水深，v为流速)作为安全泄洪标准。我国2014年发布的《城镇内涝防治规范》中提出，在利用道路进行泄洪时道路中一条车道的积水深度h不得超过0.15m。根据文献“道路用于城市大排水系统规划设计方法与案例研究”，王耀堂，《北京建筑大学》2017年记载：成人在行走时，失稳的临界h×v值在0.33-0.5m²/s之间。

综合上述文献资料，采用水深h和h×v²作为安全泄洪条件，选择约束条件为道路泄洪的水深h需小于0.15m，同时h×v²值应小于0.726m³/s²。

步骤22)、设定联合排涝系统的水力边界条件；

本实施例选择下游自由排放作为边界条件，以此为依据用于在SWMM中计算Q_max。

步骤23)、输入需要模拟的道路宽度B、道路坡度i_r、管道管径D、管道坡度i_p、管道埋深h，将各参数进行变量组合，列出不同工况，见表1：

表1、工况设置表

步骤24)、在SWMM软件中构建雨水管道与道路联合排涝系统，按照表1的不同工况组合(分别有2×5×4×4×5种工况)，通过SWMM自行计算，得到不同工况下的排涝水量，确定联合排涝系统最大排涝能力Q_max。

步骤25)、运行SPSS软件，将得到的数据输入其中，选择“分析——回归——线性”，设置Q_max为因变量，道路宽度B、道路坡度i_r、管道管径D、管道坡度i_p、管道埋深h为自变量；选择“统计量”，勾选“回归系数”选项组中的“估计”，勾选“残差”选项组中的“Durbin-Watson”，接着勾选“模型拟合度”和“共线性诊断”；选择“绘制”，勾选“*ZPRED”作为纵轴变量，勾选“DEPENDNT”作为横轴变量，勾选选项组“标准化残差图”中的“直方图”、“正态概率图”；选择“保存”，勾选“预测值”中的“未标准化”；选择“选项”，直接使用默认参数，以此求出不同工况下量化式中各权重系数的值，得到在不同工况下的表达式。按照以上步骤得到拟合的量化表达式如下：

Q_max＝0.234×B+205.962×i_r+13.947×D+16.216×i_p+0.544×h-8.586

根据此表达式，可确定在下游自由排放条件下，量化式中权重系数M₁、M₂、M₃、M₄、M₅、M₆的值。

实施例2

本实施例的水力边界条件为：下游水位刚好顶托至地面。

当下游水位刚好到达地面，顶托水位刚好等于检查井井深时，管道排涝能力受到影响，此时检查井属于完全淹没状态，因此管道埋深的变化对系统排涝能力不造成影响，故不考虑管道埋深h影响(按照管道埋深2m进行分析)，而道路排水边界条件仍可看作自由排放条件。

此种情况下，道路和管道互相影响，无法分开分析，因此将量化式中的道路坡度i_r和管道坡度i_p合并为坡度i一项；参数设置(道路宽度B、坡度i、管道管径D)与表1相同；同时选择下游水位刚好顶托至地面作为水力边界条件，以此为依据实施例1中步骤24)在SWMM中计算Q_max；以实施例1中步骤21)的约束条件检查Q_max是否满足要求，按照实施例1步骤25)的线性回归分析方法，得到下游水位刚好顶托至地面时的量化式如下：

Q_max＝0.247×B+108.813×i+15.538×D-11.102

实施例3

本实施例的水力边界条件为：下游水位顶托至地面泄洪最高水位。

当下游水位顶托至地面水深0.15m处，到达道路作为泄洪通道的最高水位，此时管道排涝能力与道路排涝能力均受到影响。通过模拟后发现，系统下游检查井水位存在在0.15m上下波动的情况，无法得出是否满足安全排水的结论，因此考虑设置水位顶托高出地面0.14m，此时下游检查井水位在0.14m上下波动时，就能以不超过0.15m作为安全排水的限制条件。

同样，此时管道埋深的变化对系统排涝能力不造成影响，故不考虑管道埋h深影响(按照管道埋深2m进行分析)；仍将道路坡度i_r和管道坡度i_p合并为坡度i一项；参数设置(道路宽度B、坡度i、管道管径D)与表1相同；同时选择水位顶托高出地面0.14m作为水力边界条件，以此为依据仿照实施例1中步骤24)在SWMM中计算Q_max；以实施例1中步骤21)的约束条件检查Q_max是否满足要求，按照实施例1步骤25)的线性回归分析方法，得到下游水位刚好顶托至地面时的量化式如下：

Q_max＝0.19×B+42.887×i+6.265×D-2.349

在上述三个实施例的基础上再增加下一步：

步骤3、将联合排涝系统的排涝能力进行可视化表征：利用GIS软件将所得的最大排涝能力量化式与GIS属性计算工具耦合，得到与道路空间图层相关联的联合排涝系统的最大排涝能力属性，再利用GIS的空间信息表达根据对排涝能力进行渲染作图，实现可视化表征效果。

选择重庆市某区域作为研究区域，研究区域总面积3.5km²，将区域内的道路和管道都概化为管道，共283个；将检查井设置为节点，也共计283个。选择下游自由排放作为边界条件。

步骤31)、如图1所示，将研究区域道路CAD管线图导入GIS，得到研究区域图。该区域整体情况如下：雨水管网管径范围为400mm-2500mm；管道埋深范围为0.414m-11.333m；管道、道路坡度范围为0.32％-9.5％；道路有效过水宽度为7m、14m。

步骤32)、根据下垫面分布构建联合排涝系统图层，在此图层下新建属性栏，分别命名为：道路宽度R_width、道路坡度R_slope；管道埋深P_height、管道管径P_d、管道坡度P_slope；类型均设置为双精度数字表示，得到图2所示的排涝能力属性运算界面图；根据该区域实际情况，对应每一地段选择最符合条件的量化式，对应输入各段的属性值。

步骤33)、在GIS软件的运算界面下，输入步骤25)中相对应的自由排放边界条件下的最大排涝能力的量化式，GIS软件将步骤32)输入属性值赋予量化式中，计算区域内每条管道与道路联合排涝的最大排涝能力；

步骤34)、利用GIS中图层属性渲染工具进行可视化表征。根据计算结果，自由出流边界条件下的最大排涝能力选择0-20m³/s，20-60m³/s，60-120m³/s这3个等级，以不同颜色进行展示，得到联合系统排涝能力信息化表征，图3为自由出流边界条件下的排涝能力信息化表征图(该图原本是彩色图)。

根据以上量化式和可视化图能够直观获取整个研究区域排水系统的排涝能力，以此作为设计人员在进行管网设计和道路排水系统设计、规划的主要依据，并为联合排涝系统的优化提供约束条件和改造方向。

Claims (3)

1.一种雨水管道与道路联合系统最大排涝能力的预测方法，其特征是，包括以下步骤：

步骤1、建立联合排涝系统最大排涝能力的量化式为：

Q_max＝M₁×B+M₂×i_r+M₃×D+M₄×i_p+M₅×h+M₆

式中，Q_max为最大排涝能力，B为道路宽度，i_r为道路坡度，D为管道管径，i_p为管道坡度，h为管道埋深；M₁、M₂、M₃、M₄、M₅、M₆皆为权重系数；

步骤2、确定量化式中的权重系数M₁、M₂、M₃、M₄、M₅、M₆；

步骤21)、根据《城镇内涝防治规范》确定联合排涝系统最大排涝能力的行洪约束条件；

步骤22)、设定联合排涝系统的水力边界条件，包括有：下游自由排放、下游水位刚好顶托至地面和顶托至地面泄洪最高水位；

步骤23)、输入需要模拟的道路宽度B、道路坡度i_r、管道管径D、管道坡度i_p、管道埋深h，将各参数进行变量组合，列出不同工况；

步骤24)、在SWMM软件中构建雨水管道与道路联合排涝系统，依据步骤21)中行洪约束条件，计算步骤23)中各工况的排涝水量和联合排涝系统最大排涝能力；

步骤25)、利用统计分析软件，以不同工况组合下的参数为自变量，以相应条件下得到的最大排涝能力为因变量，进行线性回归分析，若符合线性方程拟合优度的R²值，则确定各系数取值。

2.根据权利要求1所述的雨水管道与道路联合系统最大排涝能力的预测方法，其特征是，还包括步骤3、将联合排涝系统的排涝能力进行可视化表征，具体步骤为：

步骤31)、将研究区域的CAD管网资料和下垫面资料导入GIS；

步骤32)、根据下垫面分布构建联合排涝系统图层，在此图层下新建属性栏，分别命名为：道路宽度R_width、道路坡度R_slope；管道埋深P_height、管道管径P_d、管道坡度P_slope；类型均设置为双精度数字表示，并且根据CAD图纸和对应的资料赋予每个属性相应值；

步骤33)、在GIS软件的运算界面下，输入步骤1的联合排涝系统最大排涝能力的量化式，GIS软件将步骤32)输入属性值赋予量化式中，计算区域内每条管道与道路的最大排涝能力；

步骤34)、对联合排涝系统的排涝能力进行量化后，用渲染工具进行排涝能力的可视化表征；选择分级渲染，选择颜色、符号大小来表示不同等级。

3.根据权利要求1或2所述的雨水管道与道路联合系统最大排涝能力的预测方法，其特征是，在步骤21)中，采用水深h和h×v²作为安全泄洪条件，h为水深，v为流速；选择约束条件为道路泄洪的水深h小于0.15m，同时h×v²值小于0.726m³/s²。