基于SWMM的城市排水管网优化模拟.pdf
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1、水利水 电技 术第 4 6卷2 0 1 5年第 1期 基 于 S WM M 的城 市排水管 网优化模拟 毛剑 东,顾素恩 ,陈梅 君 , 贾鸿 源 ( 东南大学 交通学院 港 口航道 与海岸Z T - 程系,江苏 南京 2 1 1 1 0 0 ) 摘要 :通过改变影响排水条件 的因素如 管径、管道坡度、下垫面性质、检查点埋深等,对不 同情景 下研 究区域排水情况进行模拟 ,并对模拟结果进行分析评估 ,确定 了影响管网溢流的主要原因。依据 模拟结果 ,针对 引起节点溢流的主要影响 因素,相应地制定 了多种 方案对研究 区域 管网进行优化改 造,并对优化后 的管网再 次进行模拟 以检验优化效果,根
2、据模拟结果从 多种方案 中选取 最佳 改造 方 案。研 究结果可以对城市雨洪管网的设计和改建提供技术支持 ,以减少洪涝灾害造成的损失。 关键词:城 市洪涝;S WMM;雨水管网;径流模拟 中图分类号 :T U 9 9 2 文献标识码 :B 文章编号 :1 0 0 0 - 0 8 6 0 ( 2 0 1 5 ) O l 一 0 1 1 4 - 0 4 S W MM b a s e d s i mu l a t i o n O i l o p t i mi z a t i o n o f u r b a n d r a i n a g e n e t wo r k MA O J i a n d o
3、 n g ,G U S u e n ,C H E N Me i j u n ,J I A H o n g y u a n ( D e p a r t me n t o f P o r t ,Wa t e r w a yC o a s t a l E n g i n e e ri n g , S c h o o l o f T r a n s p o r t a t i o n ,S o u t h e a s t U n i v e r s i t y ,N a n j i n g 2 1 1 1 0 0 , J i a n g s u , C h i n a ) A b s t r a c
4、t : T h r o u g h c h a n n g t h e f a c t o r s t h o s e i m p a c t t h e d r a i n a g e c o n d i t i o n s ,s u c h a s d i a m e t e r o f p i p e , g r a d i e n t o f p i p e l i n e , p r o p e r t i e s o f un d e r l yi n g s u r f a c e,b u rie d de p t h o f i n s p e c t i o n we l l
5、 p oi n t ,e t c ,t h e d r a i n a g e s t a t u s wi t h i n t he s t ud y a r e a i s s i mu l a t e d u n d e r v a rio u s s c e n a ri o s ,f u r t h e r mo r e,t h e s i mu l a t e d r e s u l t i S a n a l y z e d a n d e v a 1 u a t e d,w h i l e t h e ma i n c a u s a t i o n s t o i mp a
6、c t t h e o v e r flo w o f p i p e l i n e n e t w o r k a r e d e t e r mi n e d a s w e l 1 B a s e d o n t h e s i mu l a t e d r e s u l t ,s e v e r a l s c h e me s t o o p t i mi z e a n d i mp r o v e t h e d r n a g e n e t w o r k i n s i d e o f t h e s t u d y a r e a a r e a c c o r d
7、i n g l y ma d e f o r t h e ma i n i mp a c t i n g f a c t o r s t o c a u s e t h e n o d e o v e r f l o ws Mo r e o v e r ,t h e o p t i mi z e d n e t w o r k i s s i mu l a t e d a g a i n f o r c h e c k i n g i t s o p t i mi z e d e f f e c t ,a n d t h e n t h e mo s t o p t i ma l o n e
8、i s s e l e c t e d f r o m s e v e r a l i mp r o v e me n t s c h e me s i n a c c o r d a n c e w i t h t h e s i mu l a t e d r e s u l t T h i s s t u d y r e s u l t c a n p r o v i d e a t e c h n i c al s u p p o r t for d e s i g n a n d i mp r o v e me n t o f u r b a n r a i n - fl o o d
9、p i p e l i n e n e t w o r k,S O a s t o r e d u c e t h e l o s s f r o m fl o o d d i s a s t e r Ke y wor ds:ur b a n flo o d;S W MM ;r a i n wa t e r p i p e l i n e n e t wo r k;r un o ff s i mu l a t i o n 近年来 中国城市化进程大大加快 ,城市化水平 已 达到 5 0 以上。然而城市基础设施建设特别是 雨水 管网建设却难 以跟上,每年都会造成巨大的生命财产 损失 。利用软件建立
10、城市洪涝模型能够较准确地模拟 城市在不 同情景下的地面淹水情况 ,根据模拟结果制 定相应的改造和设计方案 ,对于提高城市 的防洪减灾 能力 ,具有十分重要的现实意义 。 在诸多 软件 模 型 中,美 国环 境 保 护 署 开 发 的 S WMM( 暴雨洪涝管理模 型)自 1 9 7 1年开发 以来 ,已 经历过多次升级 ,在世界范围内广泛应用于城市地区 的暴雨洪水 、合流式下水道 、排污管道以及其他排水 系统的规划 、分析和设计 ,取得 了良好的效果 I 2 J 。 国内学者利用 S WMM对城市洪涝进行模拟研究 ,也 1 1 4 取得了许 多有 益的成果 J 。本文利用 S WMM模拟 南京
11、市江宁 区东南大学校区在不同情景下排水管 网的 运行情况,根据模拟结果分析确定造成溢流的主要原 因,依据模拟结果提 出改造优化方案 ,为城市管 网设 计与改建提供技术支持。 1 S WMM 简介 本 次 研 究 以 S WMM 软 件 为 主 要 研 究 工 具 , S WMM可以模拟完整 的城市 降雨径 流过程 ,包括 地 面径流和排水系统中的水流 、雨洪的调蓄处理过程 。 收稿 日期 :2 0 1 4 0 2 - 0 8 作者简介 :毛剑东( 1 9 9 3 ) ,男 ,本科生。 W a t e rRe s o u r c e s a n dHy d ro p o we rEn gin e
12、 e r i n g Vo 1 4 6No 1 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m S WMM的水文模块 主要模拟地 表产流与 流过 程。在地表产流计算中,每个子流域被处理为非线性 的蓄水池。对于径流下渗的模拟 S WMM提供 了霍顿方 程 ,径流曲线数值方法和格林一安普特方程三种方法 。 在地表汇流模拟 中,采用将子流域 中作为非线性水库 模型进行计算 ,即联立曼宁方程与连续性方程进行求 解 。 水力模 块主要模 拟径流和外来水 流在管道 、渠 道 、蓄水 和 处 理 单 元 以及 分 水 建 筑 物 中 的流 动。 S WMM提供 了恒定流法 、运动波法和动力波
13、法三种 计算方程 。在本次研究 中采用了最为准确的动力波法 方程进行模拟 ,该方法通过求解完整的圣维南方程组 来进行汇流演算 ,方程组包括导管中的连续方程和动 量方程以及节点处 的质量守恒方程。 2 模型的建立 2 1 子流域划分与管网概化 在本次研究中 ,选取南京市江宁区东南大学九龙 湖校 区作为研究区域。根据相关资料可知 ,东南大学 九龙湖校区占地 2 4 6 h m ,地形整体平坦 ,坡度可忽 略不计 ,校区排水体制采用雨污分流制 ,土地性质主 要有水泥路面、矮草地 、林地等。本次研究只选取学 校管 网中的关键节点进行研究 ,根据相关资料 以及实 地勘测绘制出管网概化 图( 见图 1 )
14、 ,雨水汇集后通过 排水管道排至九龙湖。根据调研资料 中的土地利用性 质以及表面坡度情 况等将 整个校 区人工地划分 为 7 7 个子流域 ,如图 2所示 。 图 1 管 网概化 毛剑东, 等基于 S W M M的城市排水管网优化模拟 图 2子流 域概 化 平均坡度 、不透水流域百分 比、洼 蓄量 ( 透水 区与不 透水 区的洼 蓄量 ) 、地表曼宁系数 ( 透水 区与不 透水 区的曼宁系数 ) 。 ( 3 ) 降雨量。汇水 面积 、管道 长度 等确定性参数在 S WMM 中绘制时会 自动生成 。其他 不确定性参数参考国内外相关研究成果 ,根据研究 区 域的土地性质设定。本次研究中,霍顿模型中
15、的最大 人渗率 、最小渗透率和入渗递减率分别取为 8 o m m h 、 4 m m h和 0 0 0 0 6 。 。 ,透水区和不透水 区洼蓄量 分别为 1 2 mm和 2 m m J 。参照 S WMM使用手册 ,透 水区和不透水 区的曼 宁系数取 为 0 1 5和 0 0 1 3 ,混 凝土管道粗糙 系数为 0 0 1 3 。 在本次研究 中选取 2 0 1 3年 7月 6日的降雨进行 模拟研究 ,根据相关气象资料实测南京市江宁区降水 情况如图 3所示 ,1 2 h降水量为 5 6 5 m m,达到了暴 雨级别 ,峰值 降水强度为 1 1 2 mm h ,平均降水强度 4 7 mmh。
16、g g 骥 睦 拦 1 1 2 9 2 6 6 6 S 一 一 4 8 44 _ _ 一 1 2 _ _ _ _ _ _ 0 8 暑 零 8 8 8 8 8 8 8 8 昌 0 一 n 寸 I n 卜 o。 0 一 时刻 图 3降雨过程线 2 _ 2 参数 。 审亘此 直会黼士荫向挥 3 模拟与分析S W M M 建立 模型需要一 些必要参数 ,主要包括 7 。 川 ( 1 ) 管道参数。管道埋深 、管道入 口和 出口偏移量 、 3 1 模拟情况 管道曼 宁系数 、管道直径。( 2 ) 子流域参 数。子流域 本次模拟采用动力波法 ,这种方法能模拟管渠槽 水利水电技术第4 6卷2 0 1 5年第
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