一種基於USRAMS的雨水管網優化設計方法與流程
2023-12-03 02:08:41 1
本發明涉及一種基於USRAMS的雨水管網優化設計方法，屬於排水管網設計與水力模型技術交叉領域。
背景技術：
我國雨水系統設計，長期以來均採用推理公式法結合恆定均勻流理論進行管網設計計算，該方法由於自身適用條件的限制，僅適用於較小區域的設計，應用與較大匯水流域時，其計算精度偏低。新版《室外排水設計規範》(GB 50014-2006)規定當匯水面積超過2km2時，宜採用數學模型法校核並調整雨水設計方案。隨著新版室外排水規範的發布，模型技術在我國開始推廣，如丹麥DHI公司的MIKE URBAN，英國Wallingford公司的ICM，特別是美國EPA公司的SWMM模型工具軟體已在國內得到廣泛應用。
城市內澇風險分析模型系統(Urban StormWater Risk Analysis Modeling System)(簡稱USRAMS)是由北京工業大學給排水系統研究室在多年研究的基礎上自主開發的。USRAMS主要由一維管網模型模擬計算部分與二維地表淹水模擬計算部分組成，支持一維管網與二維地表的耦合模擬計算，基於ArcGIS提供的嵌入式組件庫ArcEngine進行開發，以當前主流的地圖數據管理平臺ArcGIS作為底層資料庫的管理系統，採用MicrosoftAccess資料庫作為基礎層資料庫系統。USRAMS採用目前國內常用的SWMM作為一維管網模型水力計算的計算引擎，並在此基礎上添加了等流時線模塊從而使軟體更加符合我國實際情況，在二維地表漫流計算中採用自主研發的內澇淹水計算引擎，基於路徑追蹤以及水量平衡原理進行二維地表淹水模擬分析。USRAMS很好的利用了ArcGIS的數據處理功能，可以很好的藉助ArcGIS進行管網模型基礎數據的處理。
目前，根據新版《室外排水設計規範》要求，我國雨水管網的設計重現期提高到了3至5年，設計方法依然沿用推理公式法，為了使管網系統更加安全《規範》規定折減係數m值取1。推理公式法是基於恆定流水力學理論來計算管網的匯流過程，採用恆定流理論進行管網的水動力學過程計算，其特點在於應用簡單，但是也存在很多實際問題難以解決。推理公式法是根據滿流流動的時間來確定匯水時間，並沒有通過流量過程線來模擬管道的真實匯流過程。而要更加準確的模擬管網匯流過程需採用基於聖維南方程組的非恆定流演算法，聖維南方程組描述的非恆定水流運動是一種淺水中的長波傳播現象，通常稱為動力波，因為水流運動的主要作用力是重力，屬於重力波的範疇，如忽略運動方程中的慣性項和壓力項，只考慮摩阻和底坡的影響，簡化後方程組所描述的運動稱為運動波。
運動波演算方法是利用每一管渠動量方程的簡化形式，求解連續性方程。用運動波演算時管渠水面坡度等於管渠底坡，可以通過管渠輸送的最大流量，為管渠滿流正常水流數值，該種形式的演算沒有考慮回水影響，進口/出口損失、水流逆轉或者壓力流，也限制為枝狀網絡布局。由水力學理論可知，運動波法與推理公式法的設計工況最為接近(水面坡度等於管道底坡，最大流量為管渠正常水流值)，因此在校核推理公式法設計結果時需用運動波法。
針對推理公式法的缺陷以及新版《室外排水規範》的要求，提出一種基於USRAMS的雨水管網優化設計方法。基於雨水管網設計數據構建USRAMS雨水管網水力模型，利用運動波進行模擬計算，根據模型結果將管段超載(如圖1所示，管段運行水面高程高於管頂高程，但並未超出地面的現象，超載在管網設計中是不允許存在)作為校核標準，根據模型結果對設計方案進行優化，從而達到提高雨水管網設計可靠性的目的。
技術實現要素：
本發明主要為克服推理公式法的缺點，利用水力模型技術提高雨水管網設計的可靠性，對用推理公式法設計的雨水管網進行校核優化。利用USRAMS與水力學基本原理，提出了一種基於USRAMS的雨水管網優化設計方法。
本發明的技術方案如下：
一種基於USRAMS的雨水管網優化設計方法依次包含以下步驟：
(1)根據推理公式法對雨水管網完成初步設計；
根據新版《室外排水設計規範》(GB 50014-2006)地面集水時間t1取5～15min，設計重現期P取3～5年，徑流係數Ψ按各類地面面積用加權平均法計算得到，折減係數m值取1，暴雨強度公式參數選取當地參數。利用現有的鴻業市政管線設計軟體完成雨水管網的初步設計，並輸出.xls格式的雨水管網水力計算表與.dwg格式的雨水管網平面布置圖。
(2)雨水管網與匯水區數據的GIS化處理
(2.1)雨水管網數據的GIS化處理
將初步設計得到的.xls格式的雨水管網水力計算表中雨水管網信息按照CADTableConvert軟體的格式要求粘貼到.txt格式的文本文件中，並將文本文件命名為Y.txt，利用現有的CADTableConvert軟體讀取Y.txt文本文件，利用CADTableConvert軟體中的GIS轉化功能完成雨水管網的GIS化，最後利用輸出Shape功能將GIS化後的雨水管網中的檢查井，出水口，管段分別輸出為.shp格式文件，並分別命名為檢查井.shp、出水口.shp、管段.shp。
(2.2)匯水區數據的GIS化處理
將初步設計得到的.dwg格式文件加載到ArcGIS軟體中，利用SQL語句選擇CAD文件Ploygon圖層中"Layer"＝'HY_YS_AREA_BORDERLING'的所有元素，將所選元素導出為.shp格式文件並命名為面.shp同時加載到ArcGIS軟體中。重新構建所加載的.shp格式文件的欄位，添加編號(Text型)、出水口(Text型)欄位，利用欄位計算器輸入"編號"＝'Sub'&'FID'為編號欄位賦值。將步驟(2.1)得到的檢查井.shp文件加載到ArcGIS中，利用ArcGIS中的Spatial Join工具將面.shp與檢查井.shp建立對應關係，並使其與步驟(1)初步設計中的對應關係保持一致，利用欄位計算器輸入"面.出水口"＝'檢查井.編號'為面.shp文件出水口欄位賦值，輸出面.shp並命名為匯水區.shp。
(3)USRAMS雨水管網水力模型構建
(3.1)導入設計雨水管網數據
將步驟(2)中得到的檢查井.shp、出水口.shp、管段.shp、匯水區.shp文件導入到USRAMS軟體Access資料庫中，同時將匯水區.shp文件的雨量計欄位統一賦值為RG1，匯水時間、徑流係數欄位分別賦值為t1、Ψ。
(3.2)構建芝加哥雨型
根據當地暴雨強度公式與步驟(1)所選設計重現期P，利用現有的芝加哥雨型生成器構建芝加哥雨型，其中雨峰係數r取0.3～0.5、時間間隔取1min、降雨歷時T取180min。將生成的降雨時間序列文件導入到USRAMS模型中。
(4)USRAMS雨水管網水力模型運行計算
取模型計算步長為1min、運行時間取3h、報告時間步長取1min、地表匯流模型選取等流時線、管網匯流模型選取運動波，參數設置完成後運行模型，待模型運行結束後保存模型結果。
(5)根據模型結果對雨水管網設計結果進行優化
根據模型結果對於存在管段超載的管段，結合管段最大計算流量重新選取管徑與坡度，同時利用鴻業市政管線軟體中的修改管徑、修改坡度命令對管段進行修改，使其過流能力等於最大計算流量，待對所有超載管段修改完成後，利用鴻業市政管線軟體對修改後的雨水管網進行復算，並重新輸出.xls格式的雨水管網水力計算表。
重複步驟(1)～步驟(5)直到模型結果中所有管段均沒有超載現象為止。
本發明有益效果主要體現在：
1.採用本發明所述的方法，能夠克服傳統推理公式法的不足，利用模型技術使雨水管網設計結果更加可靠，為雨水管網的規劃設計提供指導。
2.本專利所述方法所需參數少且易於得到，徑流係數、匯水時間可直接獲取，模型搭建過程簡單快捷，模型結果可靠，保證了方法的適用性。
3.本專利所述方法具有可操作性，無需進行複雜的程序編寫，只需藉助現有的軟體即可完成各個步驟，操作簡易，容易實現，保證了本專利的可實施性。
附圖說明：
圖1為管道超載示意圖
圖2為本發明「一種基於USRAMS的雨水管網優化設計方法」的工作流程示意圖。
圖3管道優化前
圖4管道優化後
具體實施方式：
本發明的具體實施流程如圖2所示，包括以下步驟：
(1)根據新版《室外排水設計規範》(GB 50014-2006)地面集水時間t1取5～15min，設計重現期P取3～5年，徑流係數Ψ按各類地面面積用加權平均法計算得到，折減係數m值取1，暴雨強度公式參數選取當地參數。利用現有的鴻業市政管線設計軟體完成雨水管網的初步設計，並輸出.xls格式的雨水管網水力計算表與.dwg格式的雨水管網平面布置圖。
(2)將初步設計得到的.xls格式的雨水管網水力計算表中雨水管網信息按照CADTableConvert軟體的格式要求粘貼到.txt格式的文本文件中，並將文本文件命名為Y.txt，利用現有的CADTableConvert軟體讀取Y.txt文本文件，利用CADTableConvert軟體中的GIS轉化功能完成雨水管網的GIS化，最後利用輸出Shape功能將GIS化後的雨水管網中的檢查井，出水口，管段分別輸出為.shp格式文件，並分別命名為檢查井.shp、出水口.shp、管段.shp。
(3)將初步設計得到的.dwg格式文件加載到ArcGIS軟體中，利用SQL語句選擇CAD文件Ploygon圖層中"Layer"＝'HY_YS_AREA_BORDERLING'的所有元素，將所選元素導出為.shp格式文件並命名為面.shp同時加載到ArcGIS軟體中。重新構建所加載的.shp格式文件的欄位，添加編號(Text型)、出水口(Text型)欄位，利用欄位計算器輸入"編號"＝'Sub'&'FID'為編號欄位賦值。將步驟(2)得到的檢查井.shp文件加載到ArcGIS中，利用ArcGIS中的Spatial Join工具將面.shp與檢查井.shp建立對應關係，並使其與步驟(1)初步設計中的對應關係保持一致，利用欄位計算器輸入"面.出水口"＝'檢查井.編號'為面.shp文件出水口欄位賦值，輸出面.shp並命名為匯水區.shp。
(4)將步驟(2)～步驟(3)中得到的檢查井.shp、出水口.shp、管段.shp、匯水區.shp文件導入到USRAMS軟體Access資料庫中，同時將匯水區.shp文件的雨量計欄位統一賦值為RG1，匯水時間、徑流係數欄位分別賦值為t1、Ψ。
(5)根據當地暴雨強度公式與步驟(1)所選設計重現期P，利用現有的芝加哥雨型生成器構建芝加哥雨型，其中雨峰係數r取0.3～0.5、時間間隔取1min、降雨歷時T取180min。將生成的降雨時間序列文件導入到USRAMS模型中。
(6)取模型計算步長為1min、運行時間取3h、報告時間步長取1min、地表匯流模型選取等流時線、管網匯流模型選取運動波，參數設置完成後運行模型，待模型運行結束後保存模型結果。
(7)根據模型結果對於存在管段超載的管段，結合管段最大計算流量重新選取管徑與坡度，同時利用鴻業市政管線軟體中的修改管徑、修改坡度命令對管段進行修改，使其過流能力等於最大計算流量，待對所有超載管段修改完成後，利用鴻業市政管線軟體對修改後的雨水管網進行復算，並重新輸出.xls格式的雨水管網水力計算表。
(8)重複步驟(1)～步驟(7)直到模型結果中所有管段均沒有超載現象為止。
效果說明：
以檢查井YDX446與檢查井YDX444之間的管段優化前後的效果進行比較說明，優化前後效果如圖3、圖4所示。
根據圖3、圖4優化前後效果比較，管道優化前存在管道超載現象，管道優化後不存在管道超載現象，說明了本專利的可實施性。