本發(fā)明屬于給排水技術領域，尤其涉及一種對排水管網(wǎng)系統(tǒng)的模擬方法。

背景技術：

城市的排水管網(wǎng)系統(tǒng)對市區(qū)洪澇的發(fā)生程度有很大影響。目前通用的城市排水管網(wǎng)水流運動的模型已比較成熟，如美國的SWMM模型和丹麥的MIKE URBAN模型等，但由于這些模型側重于模擬水流在真實的復雜排水管網(wǎng)中的運動，需要的信息量和計算量很大，所以主要適用于小區(qū)或單個、數(shù)個排水分區(qū)尺度的排水模擬，并不適用于整個城市尺度的洪澇實時結合的計算。另外，當城市無詳細的排水管網(wǎng)普查或設計資料時，這些模型則全部失效，無法對排水管網(wǎng)系統(tǒng)進行概化模擬。為了充分反映城市洪澇的特性，在城市洪澇模擬計算時，無論排水管網(wǎng)資料條件詳細與否，必須同時考慮城市排水管網(wǎng)系統(tǒng)的影響，因此，需要從滿足城市洪澇災害風險分析的角度探討適宜的考慮排水管網(wǎng)系統(tǒng)影響的模擬方法。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種對排水管網(wǎng)系統(tǒng)的模擬方法，旨在解決現(xiàn)有技術中模擬方法需求信息量和計算量大、實時結合性差、應用性窄的問題。

本發(fā)明是這樣實現(xiàn)的，一種對排水管網(wǎng)系統(tǒng)的模擬方法，包括如下步驟：

S1、判斷排水分區(qū)內是否有排水管網(wǎng)空間分布和設計參數(shù)，若是，轉步驟S2，若否，轉步驟S3；

S2、將排水分區(qū)分隔形成縱橫排列的多個網(wǎng)格，根據(jù)每個網(wǎng)格的排水強度模擬網(wǎng)格與排水管網(wǎng)之間的水流交換關系；

S3、將排水分區(qū)分隔形成縱橫排列的多個網(wǎng)格，并將排水分區(qū)的排水管網(wǎng)概化為一地下水庫，根據(jù)每個網(wǎng)格的排水強度模擬網(wǎng)格排水量與地下水庫儲水空間容量之間的關系。

優(yōu)選的，所述步驟S2包括：

S21、根據(jù)每個網(wǎng)格內的排水管道的設計參數(shù)計算相鄰兩個網(wǎng)格內的排水管道之間的水流交換關系；

S22、計算每個網(wǎng)格的排水能力；

S23、計算排水管道內的水流流量。

優(yōu)選的，所述步驟S23包括：

S231、判斷網(wǎng)格排水能力、地面積水量、排水管道內剩余容量的大??；

S232、計算每個計算時間步長內每個網(wǎng)格實際排入與其相對應的排水管道內的水量；

S233、計算每個計算時間步長末與每個網(wǎng)格相對應的排水管道內的水位和水深。

優(yōu)選的，所述排水管道的設計參數(shù)包括其體積、長度、底高、坡度、管徑、及是否含有入水口和出水口。

優(yōu)選的，所述步驟S3包括：

S31、計算每個網(wǎng)格在每個計算時間步長內實際排入地下水庫的水量；

S32、計算每個計算時間步長末地下水庫的總儲水量。

優(yōu)選的，所述步驟S31計算方法：獲取每個網(wǎng)格的積水量及地下水庫的剩余容量，取二者中較小值作為網(wǎng)格的實際排水量。

本發(fā)明克服現(xiàn)有技術的不足，提供一種對排水管網(wǎng)系統(tǒng)的模擬方法，其具有如下優(yōu)點：

1、當城市無詳細的排水管網(wǎng)普查或設計資料時，仍可以概化模擬排水系統(tǒng)對洪澇分布的影響。

2、當城市有詳細的排水管網(wǎng)普查或設計資料時，可將整個排水分區(qū)分隔成網(wǎng)格狀，從而既可以對小區(qū)或排水分區(qū)的較小尺度的排水管網(wǎng)系統(tǒng)內的水流運動進行模擬，也可以對整個城市的較大尺度的排水管網(wǎng)系統(tǒng)內的水流運動進行模擬。

3、當采用“等效管網(wǎng)”的概念對城市排水管網(wǎng)系統(tǒng)進行模擬時，模型對地下管網(wǎng)的概化和模擬原理與地面網(wǎng)格在空間尺度上是相匹配的，實現(xiàn)了在每個網(wǎng)格上和每個計算時間步長內洪澇實時結合的模擬，與洪澇實際發(fā)生過程和作用機理更吻合。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的I型管網(wǎng)概化布置圖；

圖2是本發(fā)明的L型管網(wǎng)概化布置圖；

圖3是本發(fā)明的T型管網(wǎng)概化布置圖；

圖4是本發(fā)明的+型管網(wǎng)概化布置圖；

圖5是本發(fā)明的型管網(wǎng)概化布置圖。

具體實施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

本實施例提供了一種對排水管網(wǎng)系統(tǒng)的模擬方法，包括如下步驟：

S1、判斷排水分區(qū)內是否有排水管網(wǎng)空間分布和設計參數(shù)，若是，轉步驟S2，若否，轉步驟S3；

S2、將排水分區(qū)分隔形成縱橫排列的多個網(wǎng)格，根據(jù)每個網(wǎng)格的排水強度模擬網(wǎng)格與排水管網(wǎng)之間的水流交換關系；

S3、將排水分區(qū)分隔形成縱橫排列的多個網(wǎng)格，并將排水分區(qū)的排水管網(wǎng)概化為一地下水庫，根據(jù)每個網(wǎng)格的排水強度模擬網(wǎng)格排水量與地下水庫儲水空間容量之間的關系。

需要說明的是，為了增加模擬的準確性，本實施例將一個城市分隔形成多個排水分區(qū)，每個排水分區(qū)均表示一個模擬區(qū)域。

具體的，城市的排水管網(wǎng)系統(tǒng)一般由入水口(水篦子)、地下排水管網(wǎng)和管網(wǎng)出口處的排水泵站等組成。本實施例的模擬方法則將排水分區(qū)分隔成網(wǎng)格，并以網(wǎng)格為計算單元，當降雨落在每個網(wǎng)格后，在含入水口的網(wǎng)格內可以通過入水口流入地下管網(wǎng)，當降雨引起的網(wǎng)格積水量小于網(wǎng)格實際排水能力時，積水量全部轉換為排水量進入地下管網(wǎng)；反之，兩者的差轉為地表徑流量。水流在地下管網(wǎng)內根據(jù)網(wǎng)格管道水流交換關系按一維非恒定流模擬，并與地面二維非恒定流耦合。當網(wǎng)格管道體積小于排水量與管道之間水流交換量之和時，可能出現(xiàn)降雨量滯留地面形成地面徑流甚至管道水流涌出的現(xiàn)象。在洪澇并發(fā)的情況下，若判斷排水系統(tǒng)失效，則降雨量全部轉為徑流量。水流在排水管網(wǎng)出口處可自排或通過泵站排入城市河道。

其中，當排水分區(qū)內詳細的有排水管網(wǎng)空間分布和設計參數(shù)時，本實施例按S2步驟進行模擬，具體模擬步驟為：

S21、根據(jù)每個網(wǎng)格內的排水管道的設計參數(shù)計算相鄰兩個網(wǎng)格內的排水管道之間的水流交換關系；具體的，所述排水管道的設計參數(shù)包括其體積、長度、底高、坡度、管徑、及是否含有入水口和出水口，其可通過上述設計參數(shù)并以每個網(wǎng)格為計算單元，根據(jù)時間排水管網(wǎng)的分布，計算網(wǎng)格與排水管道之間的水流交換關系；

其中，當計算域內有詳細的排水管網(wǎng)普查或設計資料時，采用“等效管網(wǎng)”的概念，根據(jù)管網(wǎng)的實際分布，如圖1～5所示，將每個網(wǎng)格下的管網(wǎng)概化布置為以下幾種型式：①“I”型：有一個或兩個位于對邊的含管道網(wǎng)格與此網(wǎng)格相連；②“L”型：有兩個位于鄰邊的含管道網(wǎng)格與此網(wǎng)格相連；③“T”型：有三個含管道的網(wǎng)格與此網(wǎng)格相連；④“+”型：有四個含管道的網(wǎng)格與此網(wǎng)格相連；⑤“”型：有五個含管道的網(wǎng)格與此網(wǎng)格相連。

而對于網(wǎng)格的設計參數(shù)的計算方法，可采用如下方向：

1)總體積

即位于某網(wǎng)格下的所有排水管道的總體積，根據(jù)網(wǎng)格與排水管網(wǎng)數(shù)據(jù)的空間位置疊加分析，結合各管道的管徑、長度獲得。

2)總長度

即位于某網(wǎng)格下的所有排水管道的總長度。根據(jù)網(wǎng)格與排水管網(wǎng)數(shù)據(jù)的空間位置疊加分析獲得。

3)平均管徑

即位于某網(wǎng)格下的所有排水管道的平均管徑。模型中采用“等效管網(wǎng)”的概念，假定每個網(wǎng)格下的管道斷面均為正方形，公式為：

4)平均底高

即位于某網(wǎng)格下的所有排水管道的平均底高。根據(jù)網(wǎng)格與排水管網(wǎng)數(shù)據(jù)的空間位置疊加分析，并結合每個管道的起點和終點底高獲得。

5)平均底坡

即位于某網(wǎng)格下的所有排水管道的平均底坡。根據(jù)網(wǎng)格與排水管網(wǎng)數(shù)據(jù)的空間位置疊加分析，并結合每個管道的底坡獲得。

S22、計算每個網(wǎng)格的排水能力；其主要是計算各網(wǎng)格在排水分區(qū)內的雨水設計標準條件下的排水能力。

網(wǎng)格排水能力與網(wǎng)格設計排水強度有關。網(wǎng)格的設計排水強度一般根據(jù)區(qū)域各排水分區(qū)的雨水排水設計標準進行取值。當區(qū)域內排水標準未達到設計值時，則可根據(jù)分區(qū)內所有排水泵站的設計或實際排水能力進行確定，各網(wǎng)格的排水能力按該網(wǎng)格面積占分區(qū)總面積的比例分配。計算公式如下：

${\mathrm{qc}}_{i,j}=3.6{\mathrm{Qs}}_j/\underset{i=1}{\overset{nj}{\Σ}}{A}_{i,j}---\left(1\right)$

${\mathrm{Qc}}_{i,j}={\mathrm{Qs}}_j\frac{A_{i,j}}{\underset{i=1}{\overset{nj}{\Σ}}{A}_{i,j}}---\left(2\right)$

式中：i為網(wǎng)格編號，j為排水分區(qū)編號，nj為第j個排水分區(qū)內的網(wǎng)格總數(shù)，qc_i,j為網(wǎng)格排水強度，Qs_j為網(wǎng)格所在第j排水分區(qū)的排水能力(m³/s)，A_i,j為網(wǎng)格的面積(km²)，Qc_i,j為網(wǎng)格的排水能力。

S23、計算排水管道內的水流流量，其包括：

S231、判斷網(wǎng)格排水能力、地面積水量、排水管道內剩余容量的大?。?/p>

S232、計算每個計算時間步長內每個網(wǎng)格實際排入與其相對應的排水管道內的水量；

S233、計算每個計算時間步長末與每個網(wǎng)格相對應的排水管道內的水位和水深。

具體的，排水管道中的水流運動存在明渠流和有壓流兩種形式，因此，本實施例的模擬方法中需要考慮在同一管段內有壓流與明渠流的交替計算。故本實施例的模擬方法借鑒了reissmann提出的“明窄縫”(open slot)的概念：假設在每一網(wǎng)格內的管道頂端有一個連續(xù)的、狹長的窄縫，存在一個自由水面，管道內的水頭用窄縫內的水頭表示，計算流量時采用窄縫內的水頭，則有壓流可以轉換為明渠流計算。由于窄縫的寬度假設為非常小，因此窄縫的存在將不影響連續(xù)方程的計算。

1)管道內流量Q_p的計算

管道內水流按一維非恒定流進行模擬，其動量方程為：

$\frac{1}{g}\frac{\∂Q_p}{\∂t}=-A_p\frac{\∂Z_p}{\∂l_p}-\frac{{n_p}^2{Q}_p\left|Q_p\right|}{A_p{R}^{4/3}}------\left(3\right)$

式中：g為重力加速度，Q_p為管道中的流量，可以為有壓流或明渠流，t為時刻，A_p為過水斷面面積，Z_p為管道中的水位，當流態(tài)是明流時，為管道內實際水位，當流態(tài)是有壓流時，為窄縫內壓強水頭，l_p為管道的長度，n_p為管道糙率，R為水力半徑。

將式(3)離散后得到：

$Q_{pi}^{T+DT}=Q_{pi}^{T-DT}-2{\mathrm{DTgA}}_{pi}\frac{Z_{i2}^T-Z_{i1}^T}{{\mathrm{DL}}_i}-2DTg\frac{n^2{Q}_{pi}^{T-DT}\left|Q_{pi}^{T-DT}\right|}{A_{pi}{R}_{pi}^{4/3}}---\left(4\right)$

式中：T為時刻，DT為計算時間步長，pi為管道編號，為第pi個管道在T+DT時刻的流量，為第pi個管道在T-DT時刻的流量，g為重力加速度，A_pi為管道過水斷面面積，當管道內為明渠流時，A_pi為管道計算斷面上平均水深h_p與管道平均寬度B_p之積(模型概化時假設管道斷面為正方形)，當管道內為滿流時，A_pi為管道的斷面面積。和分別為T時刻第pi個管道內的水位(當為明渠流時)或壓強水頭(當為有壓流時)值以及與該網(wǎng)格相鄰的網(wǎng)格i2下管道內的水位(當為明渠流時)或壓強水頭(當為有壓流時)值，DL_i為與通道相鄰的兩個網(wǎng)格形心到通道中點距離之和，n為管道糙率，R_pi為管道的水力半徑。

2)網(wǎng)格實際排水流量Qs_i,j的計算

網(wǎng)格實際排水流量Qs_i,j除與排水能力和網(wǎng)格地面積水量有關外，還與管道內的流態(tài)有關：

①當為明渠流時，

Qs'_i,j＝V_i,j/2DT (V_i,j/2DT≤Qc_i,j) (5)

Qs’_i,j＝Qc_i,j (V_i,j/2DT＞Qc_i,j) (6)

式中：i為網(wǎng)格編號，j為網(wǎng)格所在排水分區(qū)編號，Qs’_i,j為臨時的流量變量，V_i,j為第i個網(wǎng)格的地面積水總量，DT為計算時間步長，Qc_i,j為網(wǎng)格的排水能力。

若設管道內還能容納水的體積為V_lp，V_lp＝B_pl_p(H_p-h_p)，式中B_p為管道平均寬度，l_p為管道的長度，H_p為管道高度，h_p為管道內的平均水深，并將排水管道均概化為正方形，故H_p等于B_p。則：

Qs_i,j＝Qs’_i,j (Qs'_i,j≤V_lp/2DT) (7)

Qs_i,j＝V_lp/2DT (Qs'_i,j＞V_lp/2DT) (8)

式中，Qs_i,j為網(wǎng)格實際排水流量，Qs’_i,j為臨時的流量變量，V_lp為管道內還能容納水的體積，DT為計算時間步長。

②當為有壓流時，

當管道內壓強水頭Z_p未超過網(wǎng)格地表水位Z_i,j時，Qs_i,j＝0

否則，產生反向溢流，網(wǎng)格實際排水強度q_i,j＝Qs_i,j/A_i,j。

式中：Qs_i,j為網(wǎng)格實際排水流量，DT為計算時間步長，Z_p為管道內壓強水頭，Z_i,j為網(wǎng)格地表水位，l_p為管道的長度，B_s為窄縫的寬度，按以下公式進行計算：

$B_s=\frac{{\mathrm{gA}}_c}{{\mathrm{\α}}^2}---\left(9\right)$

式中：g為重力加速度，α為水擊波速；A_c為管道橫斷面面積。

3)管網(wǎng)內水深的計算

將管道內流量Q_p和網(wǎng)格實際排水流量Qs_i,j代入連續(xù)方程中，得到：

$h_p^{T+2DT}=h_p^T+\frac{2DT}{A_{lp}}\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}{Q}_{pi}^{T+DT}+\frac{2{{\mathrm{DTQs}}_{i1}}^{T+DT}}{A_{lp}}---\left(10\right)$

式中：T為時刻，DT為計算時間步長，為在T+2DT時刻管道內的水深，為在T時刻管道內的水深。當管道內為明渠流時，A_lp取管道的底面積，即管道長度l_p與管道平均寬度B_p之積；當為有壓流時，A_lp＝l_pB_S。i為與某一網(wǎng)格相鄰的網(wǎng)格的序號，N為與某一網(wǎng)格相鄰的網(wǎng)格數(shù)量，為第pi個管道在T+DT時刻的流量，為在T+DT時刻網(wǎng)格的實際排水流量。

當利用式(10)計算得到的值大于管道頂端高程時，由計算得到的水位值即為窄縫內的壓強水頭，否則計算結果為管道內的明渠流水深值。

管網(wǎng)出水口處的流量根據(jù)出水口所在網(wǎng)格的水位或壓強水頭與河道水位關系按非恒定流計算。

當排水分區(qū)內沒有詳細的有排水管網(wǎng)空間分布和設計參數(shù)時，本實施例按S3步驟進行模擬，具體模擬步驟為：

首先將排水分區(qū)概化為地下水庫，并通過該排水分區(qū)或城市的暴雨強度公式和排水系統(tǒng)的設計標準為各排水分區(qū)內的每個網(wǎng)格估算地下蓄水空間容量，用于評估排水管網(wǎng)系統(tǒng)對地面積水的影響。然后進行以下步驟：

S31、計算每個網(wǎng)格在每個計算時間步長內實際排入地下水庫的水量；

其具體計算方法為：獲取每個網(wǎng)格的積水量及地下水庫的剩余容量，取二者中較小值作為網(wǎng)格的實際排水量，具體為計算每個計算時間步長內各網(wǎng)格的積水量，并將其與地下水庫的剩余容量進行比較，取其中較小值作為網(wǎng)格的實際排水量。

S32、計算每個計算時間步長末地下水庫的總儲水量。

相比于現(xiàn)有技術的缺點和不足，本發(fā)明具有以下有益效果：

1、當城市無詳細的排水管網(wǎng)普查或設計資料時，仍可以概化模擬排水系統(tǒng)對洪澇分布的影響。

2、當城市有詳細的排水管網(wǎng)普查或設計資料時，可將整個排水分區(qū)分隔成網(wǎng)格狀，從而既可以對小區(qū)或排水分區(qū)的較小尺度的排水管網(wǎng)系統(tǒng)內的水流運動進行模擬，也可以對整個城市的較大尺度的排水管網(wǎng)系統(tǒng)內的水流運動進行模擬。

3、當采用“等效管網(wǎng)”的概念對城市排水管網(wǎng)系統(tǒng)進行模擬時，模型對地下管網(wǎng)的概化和模擬原理與地面網(wǎng)格在空間尺度上是相匹配的，實現(xiàn)了在每個網(wǎng)格上和每個計算時間步長內洪澇實時結合的模擬，與洪澇實際發(fā)生過程和作用機理更吻合。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內。