CN112632754B - 一种基于swmm模型的城市蓄水体水量变化的分析方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于SWMM模型的城市蓄水体水量变化的分析方法，包括以下步骤：根据蓄水体汇水区内的管线参数，建立汇水区内的雨水管网排水模型；划分子汇水区，子汇水区的水汇入雨水管网，进入蓄水体，建立蓄水体汇水区内的地面汇水模型；完成径流雨水的排水路径；将蓄水体进行概化处理简化成蓄水池；确定蓄水体的溢流口位置和溢流口尺寸；在蓄水体与雨水节点之间管线上设置相应规格的抽水泵；在SWMM模型软件中建立雨量计，并设置相关的参数信息，并输入雨量数据；运行SWMM模型，对蓄水体的水量变化进行图形曲线和数据的展示。实现对蓄水体快速建模与分析，分析方法简单、便捷，分析结果直观、可靠。
Description
技术领域
本发明涉及城市水利工程技术领域，具体涉及一种基于SWMM模型的城市蓄水体水量变化的分析方法。
背景技术
在现有的城市建设和发展的背景下，对城市的生活环境和舒适性提出了更多的要求，城市蓄水水体在城市中随处可见，大到城市的大型公园广场，小到小区内部水体，蓄水水体给城市的居住空间提供了更多的舒适感和生活体验，为了提高城市蓄水水体中水量变化的定量分析与计算，提高水体中雨水的利用效率。
蓄水水体是天然的雨水调蓄设施，可以汇集一定区域的降雨径流量，对雨水进行暂时的蓄积，并且可以实现对雨水的回用，在有需要的时候，可以设置抽水泵进行抽水回用。在降雨较大的时候可以起到对降雨径流的削峰作用，在需要进行雨水回用时可以将雨水进行回用。既起到景观的效果，又起到雨水调蓄和回用的作用。
通常在水质水量上很难进行量化的分析和计算，对于整体的水量汇集、利用和变化规律难以进行实际的把控，利用模型可以将蓄水水体的水量变化进行量化分析。以便掌握其变化规律，并对其做好水量调度和调节的准备，目前蓄水体的水量的动态变化的分析急需一种计算和分析方法。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，针对现有技术存在的上述缺陷，提供了一种基于SWMM 模型的城市蓄水体水量变化的分析方法，实现对蓄水体快速建模与分析，分析方法简单、便捷，分析结果直观、可靠。
本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：
一种基于SWMM模型的城市蓄水体水量变化的分析方法，包括以下步骤：
1)根据蓄水体汇水区内的管线参数，在SWMM模型软件中建立汇水区内的雨水管网排水模型；
2)根据蓄水体汇水区域内的径流组织关系划分子汇水区，子汇水区的水汇入雨水管网，进入蓄水体，在SWMM模型软件中建立蓄水体汇水区内的地面汇水模型；
3)根据子汇水区的雨水径流方向，将地面各子汇水区连接至相应的雨水节点，在SWMM 模型软件中完成径流雨水的排水路径；
4)根据蓄水体的参数情况，将蓄水体进行概化处理，简化成SWMM模型软件中的蓄水池；
5)根据实际情况在SWMM模型软件中确定蓄水体的溢流口位置和溢流口尺寸；
6)根据城市景观浇洒及洗车等雨水回用水的需要，在SWMM模型软件中在蓄水体与雨水节点之间管线上设置相应规格的抽水泵；
7)在SWMM模型软件中建立雨量计，并设置相关的参数信息，并输入雨量数据；
8)运行SWMM模型，对蓄水体的水量变化进行图形曲线和数据的展示。
按照上述技术方案，在所述的步骤4)中将蓄水体概化成蓄水池时，蓄水体的参数包括进流量、内底标高、最大深度、初始深度、积水面积，蒸发因子和蓄水曲线，使概化后蓄水池的相应参数与蓄水体的参数相一致。
按照上述技术方案，在所述的步骤5)中溢流口的形式为溢流堰，溢流口的大小和高程与实际情况一致。
按照上述技术方案，在所述的步骤7)中雨量计中雨量数据为短历时降雨或长历时的实测降雨数据。
按照上述技术方案，在所述的步骤8)中SWMM模型软件中根据系统计算的数据直接生成相关的流量随时间的曲线，或将数据导出，在专业图表软件中展示数据变化曲线。
按照上述技术方案，在所述的步骤4)中在SWMM模型中蓄水体的进水端添加一处补水管道，并根据蓄水体添加一个控制程序，根据蓄水池中的水位情况进行自动补水和停止。
按照上述技术方案，在所述的步骤7)和8)之间还包括以下步骤：在SWMM模型系统中输入其他相关的系统数据及计算参数；具体为水力过程选用动力波法计算，下渗过程采用霍顿下渗模型计算。蒸发量采用当地日蒸发量数据，输入系统进行计算；地下水渗入采用雨水节点的集中流量汇入。
按照上述技术方案，在所述的步骤1)中管线参数包括管线的形状、长度、粗糙系数和进出水偏移；管线节点的位置、进流量、内底标高和最大深度。
本发明具有以下有益效果：
1、本发明实现对蓄水体快速建模与分析，分析方法简单、便捷，分析结果直观、可靠；利用SWMM模型软件做为研究分析工具，分析城市的蓄水水体的水量变化情况；使蓄水体的水量变化的计算更加方便可靠，并实现对分析结果的动态展示，为蓄水体维护管理人员提供技术支持。
2、在SWMM模型中将城市蓄水体概化成雨水调蓄池系统，其水量变化通过SWMM模型强大的水文水动力的分析计算功能，实现对蓄水体中水量的动态分析；将蓄水体概化成雨水调蓄池系统，具有收集雨水和回用水的作用，利用SWMM模型的水文水力功能实现对雨水的动态分析，并可以根据建立好的模型来指导维护管理人员进行运行维护和管理工作。
附图说明
图1是本发明实施例中基于SWMM模型的城市蓄水体的的模型示意图；
图2是本发明实施例中基于SWMM模型的城市蓄水体的水平衡示意图；
图3是本发明实施例中概化后蓄水池的断面示意图；
图中，1-雨量计，2-雨水节点，3-抽水泵，4-溢流堰，5-排口，6-蓄水池。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。
参照图1～图2所示，本发明提供的一个实施例中的基于SWMM模型的城市蓄水体水量变化的分析方法，包括以下步骤：
1)根据蓄水体汇水区内的管线参数，在SWMM模型软件中建立汇水区内的雨水管网排水模型；
根据蓄水体汇水区内的管线资料，输入管线的形状、长度、粗糙系数、进出水偏移等参数，节点的位置、进流量、内底标高、最大深度等参数，并确定好雨水管道流向和排口位置，建立好管网模型。根据收集到的资料，本实施例的汇水面积约为10.1公顷，包含雨水管道125 根，公园的地面汇流均汇入该公园内的蓄水体，蓄水体面积约为2.3公顷。
2)根据蓄水体汇水区域内的径流组织关系划分子汇水区，子汇水区的水汇入雨水管网，进入蓄水体，在SWMM模型软件中建立蓄水体汇水区内的地面汇水模型；
根据蓄水体汇水区范围内的地形、竖向关系、雨水管网情况等对研究区域进行子汇水区的划分，根据各子汇水区的特点确定好相应区域的面积、特征宽度、坡度、不透水区百分比、不透水区曼宁系数，透水区曼宁系数、不透水区洼蓄深度、透水区洼蓄深度、无洼蓄不透水区域比例等参数，建立好地面汇水模型。根据划分的子汇水区的情况，本实施例中共划分为 102个子汇水分区，子汇水区的水最终汇入雨水管网，最终进入蓄水水体。
3)根据子汇水区的雨水径流方向，将地面各子汇水区连接至相应的雨水节点，在SWMM 模型软件中完成径流雨水的排水路径；
根据实际的地面汇流关系，确定子汇水区的雨水径流方向，将子汇水区的径流雨水与排水管网模型的雨水节点进行连接，确定好地面产流与管网之间的排水方向。汇水区的径流雨水最终通过雨水节点2流入蓄水水体。
4)根据蓄水体的参数情况，将蓄水体进行概化处理，简化成SWMM模型软件中的蓄水池(Storage Unit)；
根据蓄水体实际的大小和高程等情况，将其概化成一定大小和容积的蓄水池系统。蓄水池需要输入的参数有进流量、内底标高、最大深度、初始深度、积水面积，蒸发因子、蓄水曲线等。其中蓄水曲线是根据蓄水水体的大小情况简化成的具有一定尺寸和容积的蓄水池系统。本实施例中概化后的蓄水池6见图1所示，蓄水池6的深度为2米，面积为2.3公顷，其断面图见图3所示。
5)根据实际情况在SWMM模型软件中确定蓄水体的溢流口位置和溢流口尺寸；
在蓄水体中通常设有溢流口，防止蓄水体中的水位过高。在模型中通常设置为溢流堰 (weir)或孔口(orifice)的形式，并设置一处出水阀门，保持阀门常开，在需要时将阀门关闭，也可以调节阀门的开度情况。该蓄水体的溢流口为溢流堰4的形式，当蓄水体水位高于溢流堰4的高度时，会通过溢流堰汇入市政雨水管道，最终通过雨水排水口5排入汇水区的下游河道。
6)根据城市景观浇洒及洗车等雨水回用水的需要，在SWMM模型软件中在蓄水体与雨水节点之间管线上设置相应规格的抽水泵；作为雨水补水用途，抽水泵根据不同用途设置不同参数规格的抽水泵，并输入相关的参数；
蓄水体中的水可以用作雨水回用的水源，通常有景观浇洒及洗车等用途。针对水泵模型单元，建立时可以设置水泵的流量和扬程曲线、初始状态、开启深度和关闭深度。可以根据实际情况设置水泵启停的控制曲线。抽水泵3见图1所示。蓄水体中的水经过抽水泵3抽水，通过雨水节点2进行绿化灌溉。其他回用水用途通过经过抽水泵3抽水，通过雨水节点2进行回用。
7)在SWMM模型软件中建立雨量计，并设置相关的参数信息，并输入雨量数据；
建立好该区域的雨量计，可以收集该区域全年实测的雨量计数据，并将雨量计数据关联到各子汇水区中。雨量计1见图1所示。
8)运行SWMM模型，对蓄水体的水量变化进行图形曲线和数据的展示。
运行已经建立好的模型，根据分析的需要，可以对蓄水体中的水位、流量、流速等数据进行较直观的数据及图表的分析与展示。
进一步地，在所述的步骤4)中将蓄水体概化成蓄水池(Storage Unit)时，蓄水体的参数包括进流量、内底标高、最大深度、初始深度、积水面积，蒸发因子和蓄水曲线，使概化后蓄水池的相应参数与蓄水体的参数相一致。
进一步地，保证概化后蓄水池的容积、大小尺寸、内底高程与蓄水体相应参数保持一致，防止模拟结果与实际不符。
进一步地，在所述的步骤5)中溢流口的形式为溢流堰，溢流口的大小和高程与实际情况一致。
进一步地，在所述的步骤7)中雨量计中雨量数据为短历时降雨或长历时的实测降雨数据。
进一步地，在所述的步骤8)中SWMM模型软件中根据系统计算的数据直接生成相关的流量随时间的曲线，或将数据导出，在EXCEL或origin等专业图表软件中展示数据变化曲线。
进一步地，在所述的步骤4)中在SWMM模型软件中蓄水体的进水端添加一处补水管道，并根据蓄水体添加一个控制程序(Controls)，根据蓄水池中的水位情况进行自动补水和停止。
进一步地，在所述的步骤7)和8)之间还包括以下步骤：在SWMM模型软件系统中输入其他相关的系统数据及计算参数；具体为水力过程选用动力波法计算，下渗过程采用霍顿下渗模型计算。蒸发量采用当地日蒸发量数据，输入系统进行计算；地下水渗入采用雨水节点的集中流量汇入。
进一步地，以上过程中各模型的建立均是在SWMM模型软件中构建的。
进一步地，在SWMM软件中构建的SWMM模型包括蓄水体、雨水节点、抽水泵和溢流堰，蓄水体四周布置有多个雨水节点，雨水节点通过管线与蓄水体连接，雨水节点和蓄水池之间管线上设置有抽水泵，蓄水体连接有溢流堰，溢流堰连接有排口；蓄水体一侧设有雨量计；蓄水体为蓄水池。
进一步地，将蓄水体根据水位高程以及管网的情况概化为雨水调蓄池系统，可以实现对雨水的储存和释放。保证了水体的常年有水，保证景观效果。在调蓄池水位较低时可以对调蓄池进行补水，保证景观效果。在周围市政景观绿化需要补水时，可以通过提升泵对周围绿化进行补水。
进一步地，为了研究蓄水体的水量变化情况，在SWMM模型中利用蓄水池对蓄水体进行等价描述，按照调蓄池的模型计算规律及计算方式来分析其水量变化，并进行水量的分析评价。
进一步地，在模型中蓄水体的水量补给为降雨、自来水补水、和地下水渗水，蓄水水体的水量减少为水体蒸发，水体溢流，绿化灌溉，其他雨水回用用途。
进一步地，蓄水体常见的回用水用途为冲厕、绿化灌溉、洗车等。
进一步地，添加蓄水体单元至模型中，将其概化成调蓄池，调蓄池的位置根据其在汇水系统的雨水汇流关系确定，不能与其他汇水单元位置调换。
进一步地，汇水区内的子汇水区的划分应根据实际的雨水径流情况进行确定，且要保证子汇水区与雨水管网节点的连接关系正确。
进一步地，对于蓄水体，通常设有溢流口，当水体中的水量过大时，溢流至旁边的市政雨水管网中，保证水体中的水深不至于过大。
进一步地，蓄水体的溢流口为溢流堰或孔口的形式，在SWMM模型中有两种形式的单元组件，模型中溢流口的大小、高程等数据需保持与实际一致。
进一步地，溢流口处设置一定的高度，保证其在常水位之上300mm，在模型中设置方式为设置一个出水管，出水管上设置一个阀门。阀门的开启可以为部分开启，也可以设置成全开的状态，可以根据实际需要进行调整。
进一步地，其中溢流口设置为一个常开状态的阀门，当水体中的水位高于溢流口位置时，水可以从溢流口流出至市政雨水管网系统，最终汇入下游水体。
进一步地，由于在同一地区的不同的季节，气候调节和外部条件不同，因此可以计算时考虑按照一年的时间跨度来进行实际的分析。当然在其他案例中，如果实际有较为准确的数据和使用条件作为基础，也可以根据实际的需要对其相关的数据进行针对性的修改计算。
进一步地，输入的模型的年降雨数据的时间步长应小于一个小时，保证模型计算的精度和准确性。
进一步地，在蓄水体处于枯水期时，可以通过自来水或其他水体湖泊等水源进行补水。
进一步地，补水管网可以在模型中添加一套泵的进水系统，在模型中表现为入流的曲线。
进一步地，地下水渗入的量可以在模型中添加一处进入蓄水水体的雨水节点，可以根据实际的雨水进入量设定一个入流曲线。
进一步地，降雨径流的汇入：在模型中设置有雨量计，并添加降雨曲线，降雨量数据可以根据收集到的典型年的年降雨数据输入模型中来计算。
进一步地，水体蒸发水量：可以根据气象部门收集到的当地日常蒸发数据来确定。
进一步地，在模型的计算分析完成之后，可以针对节点、子汇水区、整个系统等相关水文水力数据，根据所需要研究的内容，生成图表进行分析。可以利用较多的分析图表及曲线来展示分析的效果。
SWMM模型介绍：SWMM(Storage Management Model)是美国环保署与1971年发布的动态降雨-径流模拟软件，广泛应用于城市地区及非城市地区雨水径流、合流制管道、污水管道以及其他排放系统的规划、分析和设计，它可以进行水量、水质的模拟计算，也可以进行单场、连续降雨的模拟，是一个通用性很好且免费的软件。
在蓄水体的水量变化过程中，入流水量大致有降雨径流雨水、地下水渗入、自来水补给等雨水来源；出流水量大致有溢流出水、蒸发水量、景观浇洒用水和其他用途的用水。
本实施例中利用本发明专利的技术方案对蓄水体的水量变化进行计算分析，并通过曲线变化或数据表等多种方式直观的反映蓄水体的水量变化情况，本发明具有可操作性，经过简单的简化处理，可以将蓄水水体的水量变化情况进行较为直观的展示；本发明专利充分考虑了蓄水水体中多个方面的入流与出流的水量平衡，避免了因部分入流与出流水量的忽略而影响了模型计算的准确性；本发明专利对城市蓄水水体水量的管理具有一定的指导作用，也方便掌握特定蓄水水体水量的控制及变化规律。
以上的仅为本发明的较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明申请专利范围所作的等效变化，仍属本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种基于SWMM模型的城市蓄水体水量变化的分析方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)根据蓄水体汇水区内的管线参数，在SWMM模型中建立汇水区内的雨水管网排水模型；
2)根据蓄水体汇水区域内的径流组织关系划分子汇水区，子汇水区的水汇入雨水管网，进入蓄水体，在SWMM模型中建立蓄水体汇水区内的地面汇水模型；
3)根据子汇水区的雨水径流方向，将地面各子汇水区连接至相应的雨水节点，在SWMM模型中完成径流雨水的排水路径；
4)根据蓄水体的参数情况，将蓄水体进行概化处理，简化成SWMM模型中的蓄水池；
5)在SWMM模型中确定蓄水体的溢流口位置和溢流口尺寸；
6)根据雨水回用水的需要，在SWMM模型中在蓄水体与雨水节点之间管线上设置相应规格的抽水泵；
7)在SWMM模型中建立雨量计，并设置相关的参数信息，并输入雨量数据；
8)运行SWMM模型，对蓄水体的水量变化进行图形曲线和数据的展示；
在所述的步骤7)中雨量计中雨量数据为短历时降雨或长历时的实测降雨数据；
在所述的步骤8)中SWMM模型软件中根据系统计算的数据直接生成相关的流量随时间的曲线，或将数据导出，在专业图表软件中展示数据变化曲线。
2.根据权利要求1所述的基于SWMM模型的城市蓄水体水量变化的分析方法，其特征在于，在所述的步骤4)中将蓄水体概化成蓄水池时，蓄水体的参数包括进流量、内底标高、最大深度、初始深度、积水面积，蒸发因子和蓄水曲线，使概化后蓄水池的相应参数与蓄水体的参数相一致。
3.根据权利要求1所述的基于SWMM模型的城市蓄水体水量变化的分析方法，其特征在于，在所述的步骤5)中溢流口的形式为溢流堰，溢流口的大小和高程与实际情况一致。
4.根据权利要求1所述的基于SWMM模型的城市蓄水体水量变化的分析方法，其特征在于，在所述的步骤4)中在SWMM模型中蓄水体的进水端添加一处补水管道，并根据蓄水体添加一个控制程序，根据蓄水池中的水位情况进行自动补水和停止。
5.根据权利要求1所述的基于SWMM模型的城市蓄水体水量变化的分析方法，其特征在于，在所述的步骤7)和8)之间还包括以下步骤：在SWMM模型系统中输入其他相关的系统数据及计算参数；具体为水力过程选用动力波法计算，下渗过程采用霍顿下渗模型计算。蒸发量采用当地日蒸发量数据，输入系统进行计算；地下水渗入采用雨水节点的集中流量汇入。
6.根据权利要求1所述的基于SWMM模型的城市蓄水体水量变化的分析方法，其特征在于，在所述的步骤1)中管线参数包括管线的形状、长度、粗糙系数和进出水偏移；管线节点的位置、进流量、内底标高和最大深度。
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2020
- 2020-12-03 CN CN202011413033.0A patent/CN112632754B/zh active Active
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|---|
| 海绵城市背景下调蓄池水质调控规则研究——以西安皂河排水分区为例;王天舒;《中国优秀硕士学位论文全文数据库工程科技Ⅰ辑》(第08期);B027-391 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN112632754A (zh) | 2021-04-09 |
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