缓冲式排水模式管道系统的设计与安全性评价

第35卷 第7期2008年7月

文章编号:1674-2974(2008) 07-0069-05

湖南大学学报(自然科学版)

Journal of Hunan U niversity (N atural Sciences) Vol. 35, No. 7Jul 12008

缓冲式排水模式管道系统的设计与安全性评价

周永潮, 李 田­

(同济大学环境科学与工程学院污染控制与资源化研究国家重点实验室, 上海 200092)

X

摘 要:通过建立缓冲式排水模式管道、河网耦合水力模型, 在运用推理公式法初步确定管道系统设计参数的基础上, 通过模型试验对缓冲式排水模式管道系统的设计、应用条件进行了分析探讨, 确保了缓冲式排水模式合理性和安全性. 并以上海某地区为例, 在2种典型工况下对缓冲式排水模式的应用条件进行了计算, 同时以洪灾频率为指标对缓冲式排水系统的安全性进行了评价. 这为不同河网条件圩区的缓冲式排水模式的设计和安全评价提供了新的方法.

关键词:水力模型; 排水系统; 雨水管道; 设计; 安全性评价

中图分类号:TU992 文献标识码:A

Design and Safety Assessment of Conduits in Buffering Stormw ater Drainage System

ZHOU Yong -chao, LI Tian

­

(State Key L ab of Pollution Control and Resource Reuse, T ongji U niv, Shang hai 200092, China)

Abstract:A coupling hydraulic model of conduits and channels was developed. On the basis of model simula -tion, the design and application conditions of conduits in the buffering stormw ater drainag e system , w hich w ere

designed in a rational method, were analyzed and discussed to ensure the rationality and safety. M oreover, a case study was presented to illustrate the way of analysis and design of buffering stormwater drainage system, and the safety of buffering drainage system w as assessed w ith the indicator of flooding frequency. It has provided a new w ay for the design and safety assessment of buffering storm w ater drainage systems in polders w ith various characters.

Key words:hydraulic model; drainage system; stormw ater sew ers; design; safety assessment

随着城市的发展, 江南水乡城市市郊的圩区也逐渐成为城市建设用地. 这些农村圩区地势低洼, 河网密布, 给城市排涝带来了较大的困难. 若采用水泵强排模式, 即雨水经市政管道收集, 由泵站提升后排入外河或片区内部河网, 虽然排涝能力强, 但系统投资大, 运行能耗高, 而且对原有自然水系影响大. 从尽可能减少城市发展对生态环境与流域下游水文条件影响角度来看, 这种排水模式不是环境友好的理想模式, 而可持续排水系统由于节能环保的特点得

[1-4]

到了越来越多的重视.

X 收稿日期:2007-09-26

基金项目:上海市科委重大项目资助(04dz12024)

作者简介:周永潮(1979-) , 男, 浙江绍兴人, 同济大学博士研究生, com. cn

充分利用原有河网的输送、调蓄功能, 使雨水就

近自流排入圩区内河道, 再由圩区排涝泵站排入片外大水体的缓冲式排水模式(圩区排水模式) , 是投资较低, 对流域水文条件影响较小, 符合可持续排水系统要求的城市排水模式, 近年来受到市政工程界

[5]

高度关注.

然而, 缓冲式排水模式管道系统出口长期处于淹没状态, 且受到受纳河网水位变化影响, 因此管道可利用水头低, 安全程度差. 为提高缓冲式排水系统的设计水平, 本文在借鉴发达国家排水管道设计方

70

[6, 7]

湖南大学学报(自然科学版) 2008年

法的基础上, 提出了以水力模型为辅助的推理公式法, 并以洪灾频率为指标, 对缓冲式排水模式的安全性进行了评价.

排涝泵站开启使得内河水位不超过设计最高水位, 而排涝泵站的配泵则根据此工况设计.

1 方法的提出

排距是指管道起端到排放口的距离, 是缓冲式排水系统管道设计的重要参数, 也是缓冲式排水系统在给定条件下是否适用的一个重要控制因素. 因此, 确定合理的排距是缓冲式排水模式设计的第一步. 目前, 我国室外排水规范规定采用推理法进行雨水管道设计. 虽然该方法实用简便, 为工程界广为采用, 但是推理公式法精度不高, 难以准确评价缓冲式排水系统管道的运行安全程度. 文献[8]提出利用压力流水力计算方法进行缓冲式排水系统管道的设计计算, 其存在着以下不足:采用河道最高水位忽视了河道的缓冲作用, 计算所得的排距偏短或在相同排距下管径偏大, 易导致工程造价偏高以及管道淤积. 将百年一遇河道水位用于1年一遇管道系统的设计, 混淆了河道设计重现期和市政管道设计重现期的概念.

为此, 借鉴发达国家雨水管道设计方法, 在缓冲式排水系统的管道设计中引入计算机模拟技术, 提出了水力模型辅助的推理公式设计方法. 即管道系统由推理公式法设计, 取折减系数为1, 并根据缓冲式排水模式的特点, 在选择不同管径坡度组合时遵循在满足管道0. 75m/s 的最小流速前提下选择最大管径的原则. 按照此方法确定出管道设计参数后, 根据圩区条件建立河网、管网耦合水力模型, 并在不同降雨工况下对其进行模拟试验, 确定出相应圩区条件下管道系统的允许排距. 据此确定的允许排距在对应圩区中应用, 可以保证缓冲式排水模式的运行安全. 因此, 该方法以推理公式法设计管道为主, 以模型试验确定圩区应用条件为辅, 兼顾了实用性与安全性.

1. 管道测点; 2. 河道水位测点; 3. 雨量测点

图1 某地区平面图

F ig. 1 T he layout of a certain area

212 耦合水力模型的建立和率定

缓冲式排水系统随着管道汇流, 河道水位逐渐上升; 河道水位的上升又抑制了管道的出流. 为了实时动态地反映两者之间的相互影响, 根据江湾新城的管道河网结构, 利用Infoworks CS 建立了管道和河网的耦合水力模型. 耦合模型中, 管道按施工图数据输入, 河道则根据设计断面确定, 湖泊根据其大小以蓄水节点表示.

为了准确地率定模型中各用地性质的产汇流参数及其管道、河道的糙率系数, 于2006年8月10日至11月7日汛期, 在管道出流口安装德国NIVUS 公司的PCM Pro 流量计对排水系统进行了流量调查, 管道测点流量与水位每5min 自动记录. 在流量调查期间, 在实验现场采用上海气象仪器厂的SL1型遥测雨量计同步实测降雨数据. 河道水位来自圩区排涝泵站每隔10min 的自动记录. 流量调查期间, 共测得12场降雨, 其中10m m 以上降雨3场. 将实测数据分为两部分, 一部分用于模型的率定, 另一部分则用于验证. 选取2006年9月12日与9月30日2次降雨事件, 对模型的产汇流参数进行了率定. 模型率定后, 分别选取2006年8月28日与9月2日2次降雨事件, 对率定的模型进行了验证, 验证结果如图2所示.

从2次降雨事件模型模拟的验证结果可知, 管道的模拟流量过程线与实测值吻合, 2次验证的流1. 9%3. , 2 模型试验

211 案例简介

案例采用位于上海市杨浦区北部的某地区, 规划面积9km 2, 规划水面率8. 14%, 地面平均标高4. 1m, 河道按20年一遇标准设计, 设计最高水位3. 4m, 设计常水位2. 8m, 区域内规划有七横三纵共十条河道和大小湖泊, 如图1所示. 该区域内的市政雨水均采用管道分散就近自流排入附近内河, 再通过圩区泵闸排入外河, 是典型的缓冲式排水地区. 当20年一遇

第7期周永潮等:缓冲式排水模式管道系统的设计与安全性评价

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(a) 8月28日实测与模拟管道测点流量; (b) 8月28日实测与模拟管道测点水位; (c) 8月28日实测与模拟河道测点水位; (d) 9月2日实测与模拟管道测点流量; (e) 9月2日实测与模拟管道测点水位; (f) 9月2日实测与模拟河道测点水位

图2 模型对2次降雨事件模拟结果的验证F ig. 2 T he verificat ion results of two r ainfall events

道测点的模拟水位变化与实测水位也很接近. 因此, 模型具有满意的精度. 根据率定的参数, 按照前文所述的设计方法构置了排距200~800m 的试验管道, 并对其进行模型试验以确定该地区圩区条件下的允许排距.

213 试验条件及评价标准

缓冲式排水模式中, 管道系统一般按1年一遇重现期设计, 而河道系统一般按照20年一遇设计. 为全面考察缓冲式排水模式的允许排距, 选取1年一遇河道水位未预降及20年一遇河道水位预降这2种典型工况, 对缓冲式排水模式进行了模型试验. 1年一遇短历时降雨采用模式雨型, 根据上海市的实际降雨数据的统计结果, 雨峰位置0. 398; 而20年一遇长历时降雨则采用1963年的实测雨型. 为了衔接管道和河道的设计重现期, 将实测雨型中最大1h 的降雨人为调整为1年一遇(1h) 模式雨型. 1年一遇和20年一遇降雨雨型如图3所示.

为了对模型试验的结果进行量化评价, 试验中引入了Bennis 提出了非线性性能评价函数, 它体现了水位离地面越近, 积水风险越大的思想, 形式如式(1) 所示[9]:

P =100@[1-(1-) n ]. (1)

G

式中:H 为管道内水面离地面的距离; G 为管道的埋深; n 为非线性参数

.

时间

20年一遇24h 时间

1年一遇60

min

图3 1年一遇与20年一遇降雨雨型

Fig. 3 T he rainfall pattern of 1in 1year and 1in 20years

n =1时, 即为线性形式; n >1时, 即为非线性形式, 其值可根据用地性质对排水安全性要求的高低而定, 排水安全性要求越高的地区, n 取值越大.

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湖南大学学报(自然科学版) 2008年

3 结果与讨论

311 20年一遇水位预降工况(工况) )

在预计发生大面积长历时暴雨情况下, 往往采取预降河道水位措施, 以增强排水系统的安全性. 以该地区为例, 规划发生20年一遇暴雨时, 河道水位预降至2m. 此时, 在20年一遇降雨作用下, 排距为400m 的管道系统起始点, 即最不利点水位与河道水位变化过程如图4所示

.

其评价分值开始下降, 积水风险增大. 而随着排距继续增加, 管道系统开始出现漫溢, 性能处于漫溢区. 因此, 在20年一遇降雨河道预降至2. 0m 工况下, 该地区缓冲式排水系统的管道合理排距小于400m, 排距600m 为漫溢与非漫溢的临界点.

排距/m

图5 工况) 下不同排距管道的性能

Fig. 5 T he per for mance of conduits w ith v ar ious

distance of dr ainage under the conditio n )

3. 2 1年一遇河道水位未预降工况(工况Ò)

短历时暴雨发生时, 排涝泵站通常无法作出及

时刻

图4 工况) 下管道起始点及河道水位变化过程(排距400m) Fig. 4 T he hydrograph of water level in the cond ui t and channel under the condition ) (distance of drainage is 400m)

时反应, 因此, 1年一遇短历时暴雨下一般不预降水位, 河道水位维持在设计常水位. 在这种与管道设计重现期一致情况下考察缓冲式排水模式管道系统安全排距有直接意义. 在此工况下, 排距400m 的管道系统起始点水位及河道水位变化过程如图6所示.

由图4可知, 由于河道水位峰值与管道水位峰值的不同步性, 管道水位上升存在2个峰值:由雨峰产生的管道峰值和随河道水位同步抬升所产生的峰值. 第一个峰值由管道特性决定, 而第二个峰值则是随河道水位上升而引起的, 此时水位的峰值虽然不代表管道的真实性能, 但它是整个缓冲式排水系统管道都能达到的一个水位, 对描述整个管道系统状况具有一般意义. 因此, 将第二个峰值水位定义为临界水位:管道中水位低于该水位, 可认为排水系统处于安全状态; 超过该水位而低于地面则认为排水系统介于安全与不安全的过渡带. 按式(1)的思路将临界水位时的性能值设为60, 可得式(1) 中n 值为2, 据此进行性能定量评价, 并在所得性能值的基础上, 将管道性能划分成3个区:安全区(\60) 、过渡区(0~60) 和漫溢区([0). 根据上述性能分区标准, 以管道最不利点, 最不利时刻性能为研究对象, 对1年一遇及20年一遇2种工况下的该地区排水系统进行了讨论.

在该地区, 20年一遇暴雨作用下, 根据水位的模拟结果, 不同排距管道系统的性能值如图5所示.

由图5可知, 排距小于400m 的管道系统其最不利时刻的水位由河道水位抬升造成, 因此, 性能分值均为60. 而随着排距的增大, 管道系统起始点水

, ,

时刻

图6 1工况Ò下管道起点及河道水位变化过程(排距400m) Fig. 6 T he hydro graph of water level in the conduit and channel under the co ndition Ò(distance of drainage is 400m)

由图4及图6可知, 由于河网起到了很好的调蓄和缓冲作用, 使得管道水位峰值与河网水位的最高时刻存在时间差异. 因此, 按河网设计最高水位计算管道系统在设计重现期下水位的方法忽视了缓冲式排水系统固有的特点, 是不合理的.

仍采用上述性能分区评价标准, 通过模型试验, 不同排距管道系统在工况Ò下, 排涝泵站未开启时的性能如图7所示.

由图7可知, 在工况Ò下, 小于350m 的管道系

第7期周永潮等:缓冲式排水模式管道系统的设计与安全性评价

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处于性能的过渡区, 最大允许排距也从工况Ñ时的600m 减小至550m. 因此, 工况Ò是缓冲式排水模式的不利工况, 而排距小于550m 则是该地区缓冲式排水系统的应用条件

.

4 结 论

通过建立缓冲式排水系统耦合水力模型, 提出了基于水力模型辅助的推理公式法进行缓冲式排水系统的设计方法. 在上海某地区地面标高、设计水位以及水面率等特征条件下, 对管道系统允许排距进行了计算, 并通过模型实验对缓冲式排水模式的安全性进行了评价, 得出如下结论:

1) 由于河网的调蓄、缓冲作用, 管道水位峰值的出现与河道最高水位之间存在时间差异, 以河道最高水位为条件进行管道计算是不合理的;

排距/m

图7 工况Ò下不同排距管道的性能值

Fig. 7 T he performance of conduits with var ious distance

of drainage under the conditio n Ò

2) 1年一遇河道水位未预降工况为缓冲式排水系统设计的不利工况;

3) 通过对2种工况的模拟试验, 在案例地区河网常水位与地面标高条件下, 管道系统的应用条件, 即最大允许排距不超过550m;

4) 缓冲式排水模式在同样设计标准下较重力流系统安全性低. 但这种排水模式发生漫溢后地面积水在雨峰过后可迅速排干, 在河网得到正常控制情况下漫溢所造成的损失较小.

5) 本文建立的设计与评价方法适用于不同河网条件圩区排水管道系统的设计与安全评价.

313 安全性评价

缓冲式排水系统的管道时常处于超载运行状态, 因此, 对缓冲式排水系统运行安全性进行评价格外重要

[6]

. 参照国外排水系统设计标准, 以洪灾频

率为指标, 对1年一遇设计重现期下的缓冲式排水模式的安全性进行评价. 利用降雨统计资料对缓冲式排水模式进行模型试验后, 得到各排距管道系统的洪灾频率如表1所示.

表1 1年一遇重现期下排距管道系统的洪灾频率T a b. 1 The flooding frequency of pipeline system s with v arious distance of drainage under the return period of 1in 1year

排距/m [1**********]0

缓冲式系统的洪灾频率

>10年一遇10年一遇3年一遇1年一遇

参考文献

[1] ELLIS J B, D . ARCY B J, CHATFIELD P R. Sustai nable urban -drainage systems and catchment planning[J]. Journal of th e Char -tered Institution of W ater and En vironmental M anagement, 2002,

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[2] H EAL K V, HEPBURN D A, LU NN R J. Sedi m ent manage -ment i n sustainable urban drainage s ystem ponds[J]. W ater Sc-i

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[5] 王华杰. 城市圩区雨水的排放模式探讨[J]. 中国给水排水,

2002, 18(11) :33-35. W ANG H J. Di scussi on on rai n water dis charge mode in urban low -l yi ng Area [J].China Water &Wastewater, 2002, 18(11) :33-35. (In Ch-i

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[6] 谭琼, 李田. 城市雨水管渠设计理论与标准问题的探讨[J]. 给

水排水, 2007, 33(1):106-109.

TAN Q, LI T. On design theory and standards of urban storm w ater sewers [J]. Water &Wastew ater Engineering, 2007, 33(1) :106-109. (In Ch i nese)

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国外按1年一遇设计的重力流排水系统的洪灾频率为10年一遇. 由表1可见, 排距超过300m 后, 相同设计暴雨频率下缓冲式排水系统的洪灾频率远远低于国外标准, 这是由缓冲式排水系统的特点决定的. 缓冲式排水系统的管道在河道常水位时处于淹没或半淹没状态, 在降雨初期管道内便呈压力流状态, 管道自身的调蓄容量极小, 因此, 设计暴雨频率与洪灾频率之间的差异明显小于自由出流系统. 相对而言, 这种排水系统在同样设计标准下安全程度较低. 然而, 由于缓冲式排水模式管网拓扑结构简单, 就近入河, 因此, 即使管道发生漫溢, 雨峰过后地面积水仍可较快排干, 不会造成长时间的路面积水, 对交通和生活的影响较小. 这点也在模型实验中得.

第35卷 第7期2008年7月

文章编号:1674-2974(2008) 07-0069-05

湖南大学学报(自然科学版)

Journal of Hunan U niversity (N atural Sciences) Vol. 35, No. 7Jul 12008

缓冲式排水模式管道系统的设计与安全性评价

周永潮, 李 田­

(同济大学环境科学与工程学院污染控制与资源化研究国家重点实验室, 上海 200092)

X

摘 要:通过建立缓冲式排水模式管道、河网耦合水力模型, 在运用推理公式法初步确定管道系统设计参数的基础上, 通过模型试验对缓冲式排水模式管道系统的设计、应用条件进行了分析探讨, 确保了缓冲式排水模式合理性和安全性. 并以上海某地区为例, 在2种典型工况下对缓冲式排水模式的应用条件进行了计算, 同时以洪灾频率为指标对缓冲式排水系统的安全性进行了评价. 这为不同河网条件圩区的缓冲式排水模式的设计和安全评价提供了新的方法.

关键词:水力模型; 排水系统; 雨水管道; 设计; 安全性评价

中图分类号:TU992 文献标识码:A

Design and Safety Assessment of Conduits in Buffering Stormw ater Drainage System

ZHOU Yong -chao, LI Tian

­

(State Key L ab of Pollution Control and Resource Reuse, T ongji U niv, Shang hai 200092, China)

Abstract:A coupling hydraulic model of conduits and channels was developed. On the basis of model simula -tion, the design and application conditions of conduits in the buffering stormw ater drainag e system , w hich w ere

designed in a rational method, were analyzed and discussed to ensure the rationality and safety. M oreover, a case study was presented to illustrate the way of analysis and design of buffering stormwater drainage system, and the safety of buffering drainage system w as assessed w ith the indicator of flooding frequency. It has provided a new w ay for the design and safety assessment of buffering storm w ater drainage systems in polders w ith various characters.

Key words:hydraulic model; drainage system; stormw ater sew ers; design; safety assessment

随着城市的发展, 江南水乡城市市郊的圩区也逐渐成为城市建设用地. 这些农村圩区地势低洼, 河网密布, 给城市排涝带来了较大的困难. 若采用水泵强排模式, 即雨水经市政管道收集, 由泵站提升后排入外河或片区内部河网, 虽然排涝能力强, 但系统投资大, 运行能耗高, 而且对原有自然水系影响大. 从尽可能减少城市发展对生态环境与流域下游水文条件影响角度来看, 这种排水模式不是环境友好的理想模式, 而可持续排水系统由于节能环保的特点得

[1-4]

到了越来越多的重视.

X 收稿日期:2007-09-26

基金项目:上海市科委重大项目资助(04dz12024)

作者简介:周永潮(1979-) , 男, 浙江绍兴人, 同济大学博士研究生, com. cn

充分利用原有河网的输送、调蓄功能, 使雨水就

近自流排入圩区内河道, 再由圩区排涝泵站排入片外大水体的缓冲式排水模式(圩区排水模式) , 是投资较低, 对流域水文条件影响较小, 符合可持续排水系统要求的城市排水模式, 近年来受到市政工程界

[5]

高度关注.

然而, 缓冲式排水模式管道系统出口长期处于淹没状态, 且受到受纳河网水位变化影响, 因此管道可利用水头低, 安全程度差. 为提高缓冲式排水系统的设计水平, 本文在借鉴发达国家排水管道设计方

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[6, 7]

湖南大学学报(自然科学版) 2008年

法的基础上, 提出了以水力模型为辅助的推理公式法, 并以洪灾频率为指标, 对缓冲式排水模式的安全性进行了评价.

排涝泵站开启使得内河水位不超过设计最高水位, 而排涝泵站的配泵则根据此工况设计.

1 方法的提出

排距是指管道起端到排放口的距离, 是缓冲式排水系统管道设计的重要参数, 也是缓冲式排水系统在给定条件下是否适用的一个重要控制因素. 因此, 确定合理的排距是缓冲式排水模式设计的第一步. 目前, 我国室外排水规范规定采用推理法进行雨水管道设计. 虽然该方法实用简便, 为工程界广为采用, 但是推理公式法精度不高, 难以准确评价缓冲式排水系统管道的运行安全程度. 文献[8]提出利用压力流水力计算方法进行缓冲式排水系统管道的设计计算, 其存在着以下不足:采用河道最高水位忽视了河道的缓冲作用, 计算所得的排距偏短或在相同排距下管径偏大, 易导致工程造价偏高以及管道淤积. 将百年一遇河道水位用于1年一遇管道系统的设计, 混淆了河道设计重现期和市政管道设计重现期的概念.

为此, 借鉴发达国家雨水管道设计方法, 在缓冲式排水系统的管道设计中引入计算机模拟技术, 提出了水力模型辅助的推理公式设计方法. 即管道系统由推理公式法设计, 取折减系数为1, 并根据缓冲式排水模式的特点, 在选择不同管径坡度组合时遵循在满足管道0. 75m/s 的最小流速前提下选择最大管径的原则. 按照此方法确定出管道设计参数后, 根据圩区条件建立河网、管网耦合水力模型, 并在不同降雨工况下对其进行模拟试验, 确定出相应圩区条件下管道系统的允许排距. 据此确定的允许排距在对应圩区中应用, 可以保证缓冲式排水模式的运行安全. 因此, 该方法以推理公式法设计管道为主, 以模型试验确定圩区应用条件为辅, 兼顾了实用性与安全性.

1. 管道测点; 2. 河道水位测点; 3. 雨量测点

图1 某地区平面图

F ig. 1 T he layout of a certain area

212 耦合水力模型的建立和率定

缓冲式排水系统随着管道汇流, 河道水位逐渐上升; 河道水位的上升又抑制了管道的出流. 为了实时动态地反映两者之间的相互影响, 根据江湾新城的管道河网结构, 利用Infoworks CS 建立了管道和河网的耦合水力模型. 耦合模型中, 管道按施工图数据输入, 河道则根据设计断面确定, 湖泊根据其大小以蓄水节点表示.

为了准确地率定模型中各用地性质的产汇流参数及其管道、河道的糙率系数, 于2006年8月10日至11月7日汛期, 在管道出流口安装德国NIVUS 公司的PCM Pro 流量计对排水系统进行了流量调查, 管道测点流量与水位每5min 自动记录. 在流量调查期间, 在实验现场采用上海气象仪器厂的SL1型遥测雨量计同步实测降雨数据. 河道水位来自圩区排涝泵站每隔10min 的自动记录. 流量调查期间, 共测得12场降雨, 其中10m m 以上降雨3场. 将实测数据分为两部分, 一部分用于模型的率定, 另一部分则用于验证. 选取2006年9月12日与9月30日2次降雨事件, 对模型的产汇流参数进行了率定. 模型率定后, 分别选取2006年8月28日与9月2日2次降雨事件, 对率定的模型进行了验证, 验证结果如图2所示.

从2次降雨事件模型模拟的验证结果可知, 管道的模拟流量过程线与实测值吻合, 2次验证的流1. 9%3. , 2 模型试验

211 案例简介

案例采用位于上海市杨浦区北部的某地区, 规划面积9km 2, 规划水面率8. 14%, 地面平均标高4. 1m, 河道按20年一遇标准设计, 设计最高水位3. 4m, 设计常水位2. 8m, 区域内规划有七横三纵共十条河道和大小湖泊, 如图1所示. 该区域内的市政雨水均采用管道分散就近自流排入附近内河, 再通过圩区泵闸排入外河, 是典型的缓冲式排水地区. 当20年一遇

第7期周永潮等:缓冲式排水模式管道系统的设计与安全性评价

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(a) 8月28日实测与模拟管道测点流量; (b) 8月28日实测与模拟管道测点水位; (c) 8月28日实测与模拟河道测点水位; (d) 9月2日实测与模拟管道测点流量; (e) 9月2日实测与模拟管道测点水位; (f) 9月2日实测与模拟河道测点水位

图2 模型对2次降雨事件模拟结果的验证F ig. 2 T he verificat ion results of two r ainfall events

道测点的模拟水位变化与实测水位也很接近. 因此, 模型具有满意的精度. 根据率定的参数, 按照前文所述的设计方法构置了排距200~800m 的试验管道, 并对其进行模型试验以确定该地区圩区条件下的允许排距.

213 试验条件及评价标准

缓冲式排水模式中, 管道系统一般按1年一遇重现期设计, 而河道系统一般按照20年一遇设计. 为全面考察缓冲式排水模式的允许排距, 选取1年一遇河道水位未预降及20年一遇河道水位预降这2种典型工况, 对缓冲式排水模式进行了模型试验. 1年一遇短历时降雨采用模式雨型, 根据上海市的实际降雨数据的统计结果, 雨峰位置0. 398; 而20年一遇长历时降雨则采用1963年的实测雨型. 为了衔接管道和河道的设计重现期, 将实测雨型中最大1h 的降雨人为调整为1年一遇(1h) 模式雨型. 1年一遇和20年一遇降雨雨型如图3所示.

为了对模型试验的结果进行量化评价, 试验中引入了Bennis 提出了非线性性能评价函数, 它体现了水位离地面越近, 积水风险越大的思想, 形式如式(1) 所示[9]:

P =100@[1-(1-) n ]. (1)

G

式中:H 为管道内水面离地面的距离; G 为管道的埋深; n 为非线性参数

.

时间

20年一遇24h 时间

1年一遇60

min

图3 1年一遇与20年一遇降雨雨型

Fig. 3 T he rainfall pattern of 1in 1year and 1in 20years

n =1时, 即为线性形式; n >1时, 即为非线性形式, 其值可根据用地性质对排水安全性要求的高低而定, 排水安全性要求越高的地区, n 取值越大.

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湖南大学学报(自然科学版) 2008年

3 结果与讨论

311 20年一遇水位预降工况(工况) )

在预计发生大面积长历时暴雨情况下, 往往采取预降河道水位措施, 以增强排水系统的安全性. 以该地区为例, 规划发生20年一遇暴雨时, 河道水位预降至2m. 此时, 在20年一遇降雨作用下, 排距为400m 的管道系统起始点, 即最不利点水位与河道水位变化过程如图4所示

.

其评价分值开始下降, 积水风险增大. 而随着排距继续增加, 管道系统开始出现漫溢, 性能处于漫溢区. 因此, 在20年一遇降雨河道预降至2. 0m 工况下, 该地区缓冲式排水系统的管道合理排距小于400m, 排距600m 为漫溢与非漫溢的临界点.

排距/m

图5 工况) 下不同排距管道的性能

Fig. 5 T he per for mance of conduits w ith v ar ious

distance of dr ainage under the conditio n )

3. 2 1年一遇河道水位未预降工况(工况Ò)

短历时暴雨发生时, 排涝泵站通常无法作出及

时刻

图4 工况) 下管道起始点及河道水位变化过程(排距400m) Fig. 4 T he hydrograph of water level in the cond ui t and channel under the condition ) (distance of drainage is 400m)

时反应, 因此, 1年一遇短历时暴雨下一般不预降水位, 河道水位维持在设计常水位. 在这种与管道设计重现期一致情况下考察缓冲式排水模式管道系统安全排距有直接意义. 在此工况下, 排距400m 的管道系统起始点水位及河道水位变化过程如图6所示.

由图4可知, 由于河道水位峰值与管道水位峰值的不同步性, 管道水位上升存在2个峰值:由雨峰产生的管道峰值和随河道水位同步抬升所产生的峰值. 第一个峰值由管道特性决定, 而第二个峰值则是随河道水位上升而引起的, 此时水位的峰值虽然不代表管道的真实性能, 但它是整个缓冲式排水系统管道都能达到的一个水位, 对描述整个管道系统状况具有一般意义. 因此, 将第二个峰值水位定义为临界水位:管道中水位低于该水位, 可认为排水系统处于安全状态; 超过该水位而低于地面则认为排水系统介于安全与不安全的过渡带. 按式(1)的思路将临界水位时的性能值设为60, 可得式(1) 中n 值为2, 据此进行性能定量评价, 并在所得性能值的基础上, 将管道性能划分成3个区:安全区(\60) 、过渡区(0~60) 和漫溢区([0). 根据上述性能分区标准, 以管道最不利点, 最不利时刻性能为研究对象, 对1年一遇及20年一遇2种工况下的该地区排水系统进行了讨论.

在该地区, 20年一遇暴雨作用下, 根据水位的模拟结果, 不同排距管道系统的性能值如图5所示.

由图5可知, 排距小于400m 的管道系统其最不利时刻的水位由河道水位抬升造成, 因此, 性能分值均为60. 而随着排距的增大, 管道系统起始点水

, ,

时刻

图6 1工况Ò下管道起点及河道水位变化过程(排距400m) Fig. 6 T he hydro graph of water level in the conduit and channel under the co ndition Ò(distance of drainage is 400m)

由图4及图6可知, 由于河网起到了很好的调蓄和缓冲作用, 使得管道水位峰值与河网水位的最高时刻存在时间差异. 因此, 按河网设计最高水位计算管道系统在设计重现期下水位的方法忽视了缓冲式排水系统固有的特点, 是不合理的.

仍采用上述性能分区评价标准, 通过模型试验, 不同排距管道系统在工况Ò下, 排涝泵站未开启时的性能如图7所示.

由图7可知, 在工况Ò下, 小于350m 的管道系

第7期周永潮等:缓冲式排水模式管道系统的设计与安全性评价

73

处于性能的过渡区, 最大允许排距也从工况Ñ时的600m 减小至550m. 因此, 工况Ò是缓冲式排水模式的不利工况, 而排距小于550m 则是该地区缓冲式排水系统的应用条件

.

4 结 论

通过建立缓冲式排水系统耦合水力模型, 提出了基于水力模型辅助的推理公式法进行缓冲式排水系统的设计方法. 在上海某地区地面标高、设计水位以及水面率等特征条件下, 对管道系统允许排距进行了计算, 并通过模型实验对缓冲式排水模式的安全性进行了评价, 得出如下结论:

1) 由于河网的调蓄、缓冲作用, 管道水位峰值的出现与河道最高水位之间存在时间差异, 以河道最高水位为条件进行管道计算是不合理的;

排距/m

图7 工况Ò下不同排距管道的性能值

Fig. 7 T he performance of conduits with var ious distance

of drainage under the conditio n Ò

2) 1年一遇河道水位未预降工况为缓冲式排水系统设计的不利工况;

3) 通过对2种工况的模拟试验, 在案例地区河网常水位与地面标高条件下, 管道系统的应用条件, 即最大允许排距不超过550m;

4) 缓冲式排水模式在同样设计标准下较重力流系统安全性低. 但这种排水模式发生漫溢后地面积水在雨峰过后可迅速排干, 在河网得到正常控制情况下漫溢所造成的损失较小.

5) 本文建立的设计与评价方法适用于不同河网条件圩区排水管道系统的设计与安全评价.

313 安全性评价

缓冲式排水系统的管道时常处于超载运行状态, 因此, 对缓冲式排水系统运行安全性进行评价格外重要

[6]

. 参照国外排水系统设计标准, 以洪灾频

率为指标, 对1年一遇设计重现期下的缓冲式排水模式的安全性进行评价. 利用降雨统计资料对缓冲式排水模式进行模型试验后, 得到各排距管道系统的洪灾频率如表1所示.

表1 1年一遇重现期下排距管道系统的洪灾频率T a b. 1 The flooding frequency of pipeline system s with v arious distance of drainage under the return period of 1in 1year

排距/m [1**********]0

缓冲式系统的洪灾频率

>10年一遇10年一遇3年一遇1年一遇

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国外按1年一遇设计的重力流排水系统的洪灾频率为10年一遇. 由表1可见, 排距超过300m 后, 相同设计暴雨频率下缓冲式排水系统的洪灾频率远远低于国外标准, 这是由缓冲式排水系统的特点决定的. 缓冲式排水系统的管道在河道常水位时处于淹没或半淹没状态, 在降雨初期管道内便呈压力流状态, 管道自身的调蓄容量极小, 因此, 设计暴雨频率与洪灾频率之间的差异明显小于自由出流系统. 相对而言, 这种排水系统在同样设计标准下安全程度较低. 然而, 由于缓冲式排水模式管网拓扑结构简单, 就近入河, 因此, 即使管道发生漫溢, 雨峰过后地面积水仍可较快排干, 不会造成长时间的路面积水, 对交通和生活的影响较小. 这点也在模型实验中得.


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