周曉惠 莊樂同 黃海峰 于婧涵 劉洋 崔少燕

摘要： 城市排水輸送系統(tǒng)是我國城市中最重要的一部分，起著城市靜脈血液運(yùn)輸?shù)闹匾饔?，對于整個(gè)城市的健康持續(xù)發(fā)展有著一個(gè)不可替代的作用，而近年來，由于降雨量逐年急劇升高，給我國城市排水輸送系統(tǒng)建設(shè)帶來了新的挑戰(zhàn)。文章通過案例討論新型城市排水管理系統(tǒng)在城市排水管理模型設(shè)計(jì)中的應(yīng)用類型，以及排水模型在我國城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展不同時(shí)期階段的實(shí)際應(yīng)用與城市排水系統(tǒng)能力質(zhì)量評(píng)估等幾個(gè)方面，結(jié)合煙臺(tái)市芝罘區(qū)城市排水站與防澇系統(tǒng)專項(xiàng)規(guī)劃的實(shí)際應(yīng)用案例，闡述了新型城市排水系統(tǒng)模型在城市排水系統(tǒng)專項(xiàng)規(guī)劃設(shè)計(jì)與安裝改造過程中的實(shí)際應(yīng)用問題，并提出了相應(yīng)建議。

關(guān)鍵詞： 城市排水系統(tǒng);數(shù)學(xué)模型;防澇規(guī)劃

中圖分類號(hào)：TP311? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2022）16-0001-02

1 概述

城市水體排水處理配套系統(tǒng)主要用途是一種用于處理和回收大量城市污水和其他城區(qū)雨水的現(xiàn)代城市重要工程排水公用設(shè)施城市排水系統(tǒng)，是列入我國現(xiàn)代城市重要工程公用設(shè)施的組成部分。城市水體排水處理管道系統(tǒng)通常由小型城市排水處理管道和大型城市污水綜合處理廠等兩部分系統(tǒng)組成。在我國目前實(shí)行一個(gè)城市污水、雨水利用管道直接分流制的正常使用情況下，污水由一個(gè)城市排水管道直接處理收集，送至其他城市污水處理后，排入其他城市水體或者經(jīng)污水回收后再直接利用，而這些城市雨水通過城市徑流由其他城市排水管道直接處理收集后，就近直接利用排入其他城市水體。

在現(xiàn)代城市的基礎(chǔ)排水系統(tǒng)規(guī)劃中，城市排水處理系統(tǒng)主要目的是應(yīng)用于預(yù)防暴雨等自然災(zāi)害，這些城市排水系統(tǒng)不僅有效地用于保護(hù)現(xiàn)代城市的重要排水設(shè)施設(shè)備免遭暴雨侵害，同樣可以保障現(xiàn)代城市居民在雨季的正常工作以及生活用水的需求。我國在最初汛期規(guī)劃建造一座現(xiàn)代大型城市時(shí)，排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)劃一直都是大量引用國外的技術(shù)設(shè)計(jì)，但并不完全能夠適合目前汛期我國國內(nèi)現(xiàn)代大型城市排水建設(shè)工程發(fā)展的實(shí)際情況，因此可能會(huì)直接出現(xiàn)汛期內(nèi)發(fā)生洪水或者澇災(zāi)的災(zāi)害現(xiàn)象。城市內(nèi)澇不僅嚴(yán)重影響城市道路交通，嚴(yán)重時(shí)還有可能直接給城市人民造成極大的經(jīng)濟(jì)損失[1-7]。

經(jīng)過長期研究可以發(fā)現(xiàn)，建立一個(gè)數(shù)學(xué)規(guī)劃模型可以有效模擬出目前城市排水系統(tǒng)規(guī)劃的不足，下面筆者將以煙臺(tái)市芝罘區(qū)為實(shí)例，建立一個(gè)數(shù)學(xué)分析模型可用來分析，從而更好地建立一個(gè)新的城市排水規(guī)劃系統(tǒng)。

2 模型介紹

MIKE FLOOD[2]是一維和二維動(dòng)態(tài)耦合的洪水模擬軟件包，主要用于流域洪水等的研究。MIKE FLOOD為內(nèi)陸沿岸河流與海洋流域洪泛區(qū)、海洋與內(nèi)陸的海洋下水道、海灣等之間網(wǎng)絡(luò)連接系統(tǒng)提供了有效的內(nèi)陸河流流域動(dòng)態(tài)管理網(wǎng)絡(luò)連接系統(tǒng)管理解決方式，并應(yīng)用了許多的管理平臺(tái)和動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)管理技術(shù)。

因此MIKE FLOOD不僅可以準(zhǔn)確性地模擬出沿海以及沿岸地區(qū)因狂風(fēng)暴雨和巨大潮汐所引起的洪水泛濫時(shí)的徑流流動(dòng)情況，包括針對洪水流速和上游流體流動(dòng)水位逐點(diǎn)計(jì)算進(jìn)行精確模擬，河道、水渠與江河兩岸洪水相鄰的上游徑流水體洪泛平原、水洼、水庫、湖泊等的上游徑流流動(dòng)水體水量相互交換，潰壩建設(shè)工程洪水引起的下游徑流水體河道和平原中游的徑流水體洪水量的變化演進(jìn)，模型導(dǎo)圖如圖1所示。

2.1邊界條件分析

1）煙臺(tái)市降雨強(qiáng)度及降雨規(guī)律

假設(shè)[q]表示暴雨強(qiáng)度[升/（秒*公頃）]，[T]表示設(shè)計(jì)重現(xiàn)期（年），[t]表示降雨歷時(shí)（分鐘），[t1]表示地面集水時(shí)間（分鐘），[t2]表示管渠內(nèi)雨水流行時(shí)間（分鐘），[m]表示管渠延緩系數(shù)，暗管取2，明渠取1.2，[Q]表示雨水設(shè)計(jì)流量（升/秒），[R]表示徑流系數(shù)，[F]表示匯水面積（公頃），可得出煙臺(tái)市降雨強(qiáng)度以及降雨規(guī)律[3-5]：

[t=t1+mt2]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

[q=167×6.912+7.373lgTt+9.018×0.609]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（2）

[Q=q×F×R]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （3）

利用煙臺(tái)市11個(gè)主要?dú)庀笳镜囊荒甑孛娼邓^測數(shù)據(jù)資料，通過數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析方法，對煙臺(tái)地區(qū)一年降水的陸地空間溫度分布、年平均溫度變化、季節(jié)溫度變化及降水年際變化規(guī)律等進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析。結(jié)果表明：煙臺(tái)市四季降水量逐年由南向北逐漸明顯減少，降水日均天數(shù)為北多南少，四季季節(jié)降水分明，各降水季節(jié)的年均降水量年際平均變化較大，除秋季9月呈現(xiàn)出緩慢上升下降的降水趨勢外，其他3季均為快速上升下降趨勢。煙臺(tái)降水形成過程一般來說是直接受熱帶氣旋、冷鋒、切變線、副熱帶性低高壓、冷鋒漩渦和對流橫槽以及大型臺(tái)風(fēng)等多種系統(tǒng)因素影響。降水主要季節(jié)集中在6～9月，主汛期為7～8月，降水量逐年由南向北逐漸明顯減少。

2）地形地勢分析

煙臺(tái)市地處山東半島中部，東臨威海，西南及北連接濰坊、青島，西北及南面則瀕臨渤海，東北及南面與黃海兩條河道公路相連，海岸線路和河道公路全長909km，以局部丘陵山地形和局部丘陵平原地貌地形為主，其中以艾山為最高，形成了中部高、南北兩側(cè)低的“膠東屋脊”，造成了強(qiáng)和弱強(qiáng)烈對流雨強(qiáng)降水氣象天氣的明顯主要強(qiáng)于局部區(qū)域性和明顯弱于季節(jié)性，全市各地對流降水強(qiáng)度相對分布也不均勻，易發(fā)局地性強(qiáng)的弱強(qiáng)烈對流雨和特大暴雨等強(qiáng)降水氣象天氣。

魯東大學(xué)地處煙臺(tái)市芝罘區(qū)，芝罘區(qū)位于山東半島東北部黃海之濱，境內(nèi)低山、丘陵、平原和洼地，構(gòu)成復(fù)雜多樣的地貌景觀。魯東大學(xué)背靠低山，校內(nèi)陡坡較多，急降雨易造成急流水，水量較大。下面以魯東大學(xué)為例來進(jìn)行分析，由于管道下墊面積的類型是一個(gè)影響管道徑流的直接測量因素，是直接決定地下排水管道流量規(guī)模的一個(gè)關(guān)鍵測量參數(shù)，而煙臺(tái)市芝罘區(qū)規(guī)劃建設(shè)用地主要范圍是用于城鄉(xiāng)居民住宅，公共設(shè)施項(xiàng)目用地，道路綠化廣場用地和非公共建設(shè)設(shè)施用地。

2.2管網(wǎng)模型建立

1）管網(wǎng)拓?fù)?/p>

MIKE URBAN城市排水軟件是排水管網(wǎng)模擬軟件，筆者研究的區(qū)域?yàn)轸敄|大學(xué)，其面積為2.3平方千米，根據(jù)模型概化，需要忽略一些影響小的因子還有一些實(shí)際無法改變的因子。

2）降雨徑流模型

降雨徑流模型把降雨時(shí)間序列數(shù)據(jù)作為邊界，根據(jù)集水區(qū)域的合理劃分和徑流參數(shù)設(shè)置，模擬城市的降雨形成徑流過程的數(shù)學(xué)模型。

3）集水區(qū)的劃分

MIKE URBAN集水區(qū)劃分是根據(jù)泰森多邊形法則，先在井分布圖上繪制各井，再對井的連線作它的垂直平分線，最后組成包圍各個(gè)井的多邊形，這個(gè)多邊形主要為集水區(qū)降雨形成徑流過程提供出水口。

4）模型參數(shù)設(shè)置

選擇時(shí)間-面積曲線作為降雨徑流模型，根據(jù)下墊面類型進(jìn)行設(shè)置，將道路圖層、河流圖層、建筑物圖層、草地圖層以及其他圖層設(shè)置的不透水系數(shù)進(jìn)行自動(dòng)計(jì)算，得到每個(gè)地方不同的透水率，不同下墊面的不透水系數(shù)設(shè)置[3]，可如表1所示。

5）徑流模型的模擬

在設(shè)置好降雨邊界條件和集水區(qū)參數(shù)后，對上述五種情況徑流模型進(jìn)行運(yùn)行，同時(shí)要保證模擬時(shí)間與降雨邊界時(shí)間的一致，完成模擬后查看徑流系數(shù)等結(jié)果。

3 模型分析

3.1城市管道網(wǎng)排水分析

城市內(nèi)部管道的布局建設(shè)，決定了城市在不同程度降雨下的排水能力。由于煙臺(tái)市城市管道覆蓋率較低并且運(yùn)營年限沒有達(dá)到規(guī)定的測試要求[3]。所以本文結(jié)合煙臺(tái)市降水總量、城市管道結(jié)構(gòu)、排水能力評(píng)估的報(bào)告，在煙臺(tái)市劃定的范圍內(nèi)進(jìn)行降水、排水的分析。通過分析建立的模型，逐步得到管道排水量的準(zhǔn)確數(shù)值并且加以評(píng)估排水能力。

3.2內(nèi)澇分析

煙臺(tái)市地處沿海，地勢多為小丘陵山脈，導(dǎo)致地面崎嶇不平，間接地影響城市管道排水的估計(jì)量，使筆者的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，估計(jì)值得到偏差。在現(xiàn)狀內(nèi)澇分析的基礎(chǔ)上，降雨數(shù)值不變，采取新的設(shè)計(jì)管道網(wǎng)，調(diào)整之前不足的實(shí)驗(yàn)步驟[4-7]。分析模擬結(jié)果，如果地表面的積水量和降水時(shí)間不符合，但是在允許的范圍內(nèi)，則返回之前的原設(shè)計(jì)方案進(jìn)行修改調(diào)整、反復(fù)進(jìn)行，直到所有步驟完成之后，城市不會(huì)出現(xiàn)內(nèi)澇情況。

4 數(shù)學(xué)模型在應(yīng)用中的問題

綜合上文，該數(shù)學(xué)模型在具體實(shí)施的過程中存在以下幾個(gè)問題：

1）獲得準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)和資料的難度極大。在模型建立之前，資料與數(shù)據(jù)的收集非常關(guān)鍵，它們的準(zhǔn)確性更是重中之重。但是由于年限較長，統(tǒng)計(jì)技術(shù)有缺陷，以及少部分資料不輕易公布等原因，導(dǎo)致在統(tǒng)計(jì)降水量，預(yù)估排水材料的效果、排水量的檢測以及地區(qū)的地質(zhì)地貌等方面略微出現(xiàn)誤差。

2）排水模型軟件的選擇。當(dāng)今國內(nèi)排水模型的軟件選擇不多，而國外擁有眾多的排水模型例如丹麥的MOUSE、Infoworks、SWMM等，它們的專業(yè)性更強(qiáng)，適用范圍更廣、更準(zhǔn)確，但是對比國內(nèi)軟件，需要花費(fèi)更高的價(jià)格。

3）數(shù)學(xué)模型的檢驗(yàn)。初步建立的數(shù)學(xué)模型，通過一步步地帶入數(shù)據(jù)，不斷地分析誤差，進(jìn)行修改完善，確立最后的模型。?數(shù)據(jù)的帶入以及模型的成型是一個(gè)非常復(fù)雜和艱難的過程。

5 數(shù)學(xué)模型的改進(jìn)方案

1）擴(kuò)寬資料收集的渠道。資料收集的人員要分工明確，有針對性地對各方面數(shù)據(jù)進(jìn)行收集并建立城市數(shù)據(jù)平臺(tái)進(jìn)行評(píng)估和監(jiān)督基本數(shù)據(jù)。

2）在選擇模型建立軟件的過程中，分析城市的具體情況，結(jié)合自身的研究方向，選擇性價(jià)比高、可操作性強(qiáng)的軟件，以便于模型建立的順利進(jìn)行。

3）合理地分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。分析假設(shè)的參數(shù)是否合理，對城市的地理位置，氣候等環(huán)境因素估計(jì)是否合理，適當(dāng)優(yōu)化雨峰的位置，并把與實(shí)際情況相差較大的數(shù)據(jù)刪除。

6 總結(jié)

在社會(huì)的不斷發(fā)展，城市的功能不斷完善過程中城市排水管道規(guī)劃依舊有不合理的地方，因此會(huì)導(dǎo)致排水困難，造成城市內(nèi)澇。引入數(shù)學(xué)模型的分析，可以很好地解決城市排水問題，為城市發(fā)展做出貢獻(xiàn)。數(shù)學(xué)模型科學(xué)的理論評(píng)估，準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)結(jié)果，使最終的數(shù)據(jù)有很大說服力。總而言之，數(shù)學(xué)模型在城市排水方面的應(yīng)用是非常廣泛且有效的。

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【通聯(lián)編輯：唐一東】