王 萌

[濟(jì)南市市政工程設(shè)計(jì)研究院（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，山東 濟(jì)南 250000]

引 言

城市雨水排放是一項(xiàng)十分重要且關(guān)鍵的基礎(chǔ)工作，對(duì)人們?nèi)粘Ｉa(chǎn)生活都有著直接的影響。通常情況下，城市的雨水排放布設(shè)相對(duì)較為復(fù)雜，且不同的城市布局所搭配建設(shè)的排水系統(tǒng)差異也是較大的[1]。近年來，城市雨水排放循環(huán)化、集成化逐漸成為主流，意在以環(huán)保、可持續(xù)的社會(huì)目標(biāo)作為引導(dǎo)，使雨水資源化與此目標(biāo)相符[2]。部分城市以其為引導(dǎo)，結(jié)合收集、輸送、處理、利用以及排放等環(huán)節(jié)，對(duì)城市雨水進(jìn)行基礎(chǔ)處理，以此來實(shí)現(xiàn)等效集成。在這樣的背景之下，雨水集成化模擬技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生[3]。

集成模擬實(shí)際上是一種動(dòng)態(tài)的水量模擬工具，利用專業(yè)設(shè)備預(yù)測(cè)暴雨的徑流方向，同時(shí)，根據(jù)排水系統(tǒng)及管網(wǎng)的布設(shè)情況，將水源引導(dǎo)至就近的污水處理廠之中，經(jīng)過受納水體過濾處理之后，采用橫縱雙向集成處理的方式，依據(jù)水源的處理狀態(tài)，劃分出應(yīng)用途徑，以此來實(shí)現(xiàn)排放目標(biāo)[4]。針對(duì)上述情況，對(duì)雨水資源化下城市排水集成化模擬進(jìn)行分析及研究。考慮到最終測(cè)試結(jié)果的穩(wěn)定性與可靠性，本文在真實(shí)的城市背景之下，以雨水資源化為引導(dǎo)目標(biāo)，結(jié)合標(biāo)定的排水管道位置，針對(duì)不同區(qū)域的降水情況，構(gòu)建資源集成化的模擬結(jié)構(gòu)，從多個(gè)方向上提升城市的綜合排水效果，營(yíng)造更加穩(wěn)定、安全的城市環(huán)境[5]。

1 雨水資源化下城市排水集成化模擬分析

1.1 集成模擬邊界條件設(shè)定

在對(duì)雨水資源化下城市排水集成化模擬進(jìn)行分析與研究之前，需要先針對(duì)城市排水管道的布設(shè)情況，對(duì)集成模擬的邊界條件設(shè)定預(yù)處理[6]。在標(biāo)定的區(qū)域之內(nèi)設(shè)定監(jiān)測(cè)集成網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)，依據(jù)需求，獲取對(duì)應(yīng)的集成模擬數(shù)值及信息，采用松散模擬法，測(cè)定出此時(shí)邊界導(dǎo)數(shù)，具體如式（1）所示：

式中 H——邊界導(dǎo)數(shù)；

n——集成表邊界距離；

δ——排水單向徑流；

t1——邊界預(yù)設(shè)距離；

t2——邊界實(shí)測(cè)距離。

通過上述計(jì)算，最終可以得出實(shí)際的邊界導(dǎo)數(shù)。根據(jù)上述得出的邊界導(dǎo)數(shù)，可以劃定具體的邊界集成模擬覆蓋范圍[7]。

與此同時(shí)，設(shè)定對(duì)應(yīng)的湍動(dòng)能以及紊動(dòng)能耗散率，一般在59%～75%之間，根據(jù)此時(shí)水流的壓強(qiáng)，調(diào)整對(duì)應(yīng)的邊界導(dǎo)數(shù)。形成動(dòng)態(tài)的邊界集成模擬環(huán)境，設(shè)定邊界標(biāo)準(zhǔn)，完成對(duì)集成模擬邊界條件的設(shè)定，為后續(xù)的模擬工作奠定基礎(chǔ)條件[8]。

1.2 一維、二維模型集成耦合環(huán)節(jié)構(gòu)建

在完成對(duì)集成模擬邊界條件的設(shè)定之后，接下來，結(jié)合與水資源化引導(dǎo)目標(biāo)，利用一維二維模型，構(gòu)建集成耦合模擬環(huán)節(jié)。一維二維主要是對(duì)不同環(huán)境下城市暴雨徑流的捕捉與測(cè)定的動(dòng)態(tài)耦合模型。

利用一維模型概化城市排水系統(tǒng)的透水面積、不透水面積以及無滯不透水面積，針對(duì)整個(gè)模擬區(qū)域雨水的流動(dòng)情況，測(cè)定出水流量之和，根據(jù)WMM 所提供的Horton 模型，計(jì)算出單向集成產(chǎn)流及不透水地表凈雨量，這部分需要注意的是，一維模型得出的不透水地表凈雨量需要減去初損值，在集成化模擬初始模型中形成定向標(biāo)準(zhǔn)。在上述基礎(chǔ)之上，利用二維模型，進(jìn)行水力計(jì)算，得出的結(jié)果如表1 所示：

表1 水力計(jì)算結(jié)果分析表

根據(jù)表1 可以完成對(duì)水利計(jì)算結(jié)果的分析與研究。接下來，在二維模型的引導(dǎo)之下，結(jié)合三維模擬技術(shù)，設(shè)定對(duì)形態(tài)的集成模擬程序。舉例來說：針對(duì)排水管道不發(fā)達(dá)的區(qū)域，需要設(shè)定三角形、不規(guī)則多邊形模擬形態(tài)，而針對(duì)排水管道發(fā)達(dá)區(qū)域，可以采用四邊形、等效規(guī)則模型，可以更好地呈現(xiàn)雨水的動(dòng)態(tài)變化情況。根據(jù)兩種模型的處理與分析，再結(jié)合城市復(fù)雜的地表狀態(tài)，計(jì)算出此時(shí)的耦合變動(dòng)比率，一般需要控制在6.05～10.23 之間，關(guān)聯(lián)三維技術(shù)，形成定向的集成化模擬環(huán)節(jié)。

1.3 雨水資源化矢量集成模型設(shè)計(jì)

在完成對(duì)一維、二維模型集成耦合環(huán)節(jié)的構(gòu)建之后，接下來，需要結(jié)合城市實(shí)際的排水情況，逐步設(shè)定資源化矢量排水集成模型。與污水排放不同的是，雨水資源化排放的覆蓋面積較為廣闊，且針對(duì)性較強(qiáng)，這便導(dǎo)致城市區(qū)域內(nèi)的集成化模擬工作形成一定難度。

測(cè)定范圍內(nèi)受納水體的中值濃度及水源質(zhì)量，考慮水體的流入河流及河網(wǎng)方向，測(cè)定其動(dòng)態(tài)矢量。這部分需要結(jié)合排水方向及水源流動(dòng)速度，布設(shè)對(duì)應(yīng)的矢量監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)，進(jìn)行測(cè)定，具體如圖1 所示：

圖1 雨水資源化矢量排水狀態(tài)圖

根據(jù)圖1 可以完成對(duì)雨水資源化矢量排水狀態(tài)的分析與了解。根據(jù)節(jié)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)狀態(tài)，模擬此時(shí)的水文、水質(zhì)的變動(dòng)情況，結(jié)合流向、流量、流速、水位、水深等要素，進(jìn)行三維空間分布，再加上附近排水管道的搭接和關(guān)聯(lián)，形成更為強(qiáng)大的排水系統(tǒng)，有利于集成化模擬處理效果的提升。在此基礎(chǔ)之上，將上述設(shè)定的集成耦合環(huán)節(jié)逐步添加到集成化模型之中，與一維、二維模型融合，形成核心交互排水模型，完成對(duì)資源化矢量排水集成模型的設(shè)計(jì)與優(yōu)化。

1.4 Digital Water 徑流預(yù)警實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)集成化模擬

在完成對(duì)資源化矢量排水集成模型的設(shè)計(jì)之后，接下來，采用Digital Water 徑流預(yù)警完善整體的集成模擬效果，實(shí)現(xiàn)雨水資源的排放。所謂Digital Water 徑流預(yù)警，主要是針對(duì)雨水資源的排放設(shè)定的一種監(jiān)控平臺(tái)。將日常的工作項(xiàng)目設(shè)定在平臺(tái)之中，以指令下達(dá)的方式實(shí)現(xiàn)控制處理。

采用集成模擬模型，獲取基礎(chǔ)的雨水資源數(shù)據(jù)，設(shè)定對(duì)應(yīng)的徑流極限標(biāo)準(zhǔn)，一旦城市內(nèi)部的徑流量超過設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)，平臺(tái)便會(huì)通過集成模擬程序作出預(yù)警，更為及時(shí)、便捷地避免暴雨徑流對(duì)城市造成的影響，一定程度上也減少了洪水災(zāi)害的發(fā)生頻率，更好地實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)排水集成化模擬。

2 方法測(cè)試

本次主要是對(duì)雨水資源化下城市排水集成化模擬實(shí)際應(yīng)用情況作出分析與研究，考慮到最終測(cè)試結(jié)果的穩(wěn)定性與可靠性，需要選擇X 市的排水系統(tǒng)作為測(cè)試的主要目標(biāo)對(duì)象，設(shè)定傳統(tǒng)多負(fù)荷模擬測(cè)試組、傳統(tǒng)組合模擬測(cè)試組以及本文所設(shè)計(jì)的資源化集成模擬測(cè)試組進(jìn)行比照分析，同時(shí)，最終得出的測(cè)試結(jié)果以對(duì)比的形式展開研究。接下來，需要搭建相應(yīng)的測(cè)試環(huán)境。

2.1 測(cè)試準(zhǔn)備

在對(duì)雨水資源化下城市排水集成化模擬實(shí)際應(yīng)用情況作出分析與研究之前，需要先搭建相應(yīng)的測(cè)試環(huán)境。X 市年降水量較大，且排水系統(tǒng)較為單一，經(jīng)過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，部分路段的排水管道由于年久失修，出現(xiàn)裂痕、斷裂等問題，現(xiàn)狀堪憂。不僅如此，X 市也常常由于連續(xù)性暴雨形成洪澇災(zāi)害，對(duì)人們?nèi)粘５纳a(chǎn)生活形成較大的影響，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)a(chǎn)生不可估計(jì)的損失。針對(duì)上述情況，需要結(jié)合雨水資源化處理目標(biāo)，進(jìn)行排水集成化模擬。首先，利用SWMM 模型獲取基礎(chǔ)的集成模擬信息，同時(shí)，將其與X 市的排水系統(tǒng)單元形成對(duì)應(yīng)處理，具體如圖2 所示：

圖2 SWMM 模型對(duì)應(yīng)X 市排水系統(tǒng)單元圖

根據(jù)圖2，可以完成對(duì)SWMM 模型與X 市排水系統(tǒng)單元的對(duì)應(yīng)搭接處理。與此同時(shí)，以雨水資源化為測(cè)定的引導(dǎo)目標(biāo)，在實(shí)現(xiàn)排水之前，需要對(duì)此時(shí)不同河段水源的水質(zhì)濃度及中值濃度進(jìn)行測(cè)定，一般需要控制在（25.03～36.15）ppm 之間。

利用三維處理技術(shù)，對(duì)標(biāo)定河道進(jìn)行基礎(chǔ)定位，針對(duì)X 市不同位置的排水管道進(jìn)行定點(diǎn)定位。需要注意的是，每一個(gè)點(diǎn)位點(diǎn)均是獨(dú)立的，在實(shí)際集成模擬的過程中，根據(jù)降水情況的不同，進(jìn)行針對(duì)性的處理連接對(duì)應(yīng)區(qū)域的節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)化的集成模擬，至此，便完成對(duì)測(cè)試環(huán)境的搭建。

2.2 測(cè)試過程及結(jié)果分析

根據(jù)上述搭建的測(cè)試環(huán)境，接下來，結(jié)合X 市排水系統(tǒng)集成化模擬要求及標(biāo)準(zhǔn)，以雨水資源化為引導(dǎo)，進(jìn)行實(shí)際測(cè)定。首先，將相關(guān)區(qū)域的集成定位點(diǎn)關(guān)聯(lián)在一起，針對(duì)不同區(qū)域降水量情況，進(jìn)行初始的集成模擬處理，并對(duì)固定區(qū)域的暴雨徑流進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)定捕捉，測(cè)定周期為3 周，共3 次，具體情況如圖3 所示：

圖3 暴雨徑流動(dòng)態(tài)捕捉狀態(tài)圖

根據(jù)圖3 可以完成對(duì)暴雨徑流動(dòng)態(tài)捕捉狀態(tài)的分析與研究。從圖中可以了解到，在不同的周期之內(nèi)，暴雨的徑流量均是不同的，采用該集成化模擬技術(shù)，形成三維呈現(xiàn)圖像，可更加直觀地實(shí)時(shí)反映雨水的變化情況。隨后，以此為基礎(chǔ)，依據(jù)排水環(huán)節(jié)，設(shè)定模擬程序，并營(yíng)造穩(wěn)定科學(xué)的邊界條件，計(jì)算出集成矢量，采用松散集成模擬的模式，測(cè)算出集成模擬區(qū)域的單元矢量，具體如式（2）所示：

式中 G——單元矢量；

χ——集成化范圍；

Φ——單元排水量；

β1——?jiǎng)討B(tài)變化矢量；

β2——矢量差值；

i——集成次數(shù)。

通過上述計(jì)算，最終可以得出實(shí)際的單元矢量。根據(jù)得出的單元矢量，結(jié)合SWMM 模型，實(shí)現(xiàn)二次集成化模擬。最終結(jié)合上述信息，利用構(gòu)建的模擬模型，對(duì)此時(shí)X 市的暴雨情況及徑流方向進(jìn)行分析，測(cè)定出模擬達(dá)標(biāo)率，并進(jìn)行雙向分析研究，具體如表2 所示：

表2 測(cè)試結(jié)果對(duì)比分析表

根據(jù)表2 可以完成對(duì)測(cè)試結(jié)果的分析與研究。與傳統(tǒng)多負(fù)荷模擬測(cè)試組、傳統(tǒng)組合模擬測(cè)試組相比，本文所設(shè)計(jì)的資源化集成模擬測(cè)試組最終得出的模擬達(dá)標(biāo)率能夠達(dá)到91%，表明其集成化模擬的效果更佳，對(duì)于暴雨徑流的模擬還原度更好，具有實(shí)際的應(yīng)用價(jià)值。

3 結(jié) 語

對(duì)比傳統(tǒng)的排水方式，本文以雨水資源化作為引導(dǎo)，結(jié)合智能化技術(shù)，構(gòu)建更加靈活、多變的雨水集成化模擬結(jié)構(gòu)，最大程度降低存在的集成誤差，將城市排水管道合理、均衡地關(guān)聯(lián)在一起，促使城市雨水排放系統(tǒng)從松散集成逐步轉(zhuǎn)換為緊密集成。在SUDS 的排放要求之下，不斷完善、優(yōu)化整體的雨水排放結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步增強(qiáng)其自身的排水穩(wěn)定性，降低排放事故風(fēng)險(xiǎn)，再加上高效能核算平臺(tái)的輔助與支持，為城市雨水的排放工作提供更大的便利，提升整體的排水效果。