城市排水系統中雨水存儲裝置的預設模型研究

賈海勝

摘要:建立一個概念上的模型去評價雨水儲水箱在以前雨水排放系統中的作用。雨水儲水箱模型中的流出量就轉化為等量的降雨量。根據這種單一降雨情況下的降雨強度/持續時間/頻率的關聯性(IDF--關聯性),開發出針對暴雨處理的模型。

關鍵詞:暴雨處理設計 雨水存儲裝置 預設模型

中圖分類號:TU992文獻標識碼:A文章編號:1006-8937(2009)03-0144-01

促使水力設施和系統開發研究的主要原因是雨水的輸入問題。為了簡化設計計算和限制模擬的時間,一般利用典型的暴雨降雨來進行研究。

1水力保持力的影響

在過去的幾年里,越來越多的“容量性”系統建成,而且未來還將有更多的被建成。而且大容量的存儲對保留雨水和削減雨水的流量是必須的。這些存儲設施可以建在排水系統中即時存儲,也可以建在綜合排水系統中延時存儲。然而,越來越多的人將開始關注“源頭控制”,這就意味著,存儲能力是由雨水儲水裝置、滲透溝渠、逆流式排水系統等等方面決定的。由于這些源頭控制設施,降雨時間長短的影響甚至比綜合的下水道系統中的存儲還要大。在進行精確的計算時,這就需要更加加強對降雨中固有可變性的考慮。

對綜合城市排水系統中源頭控制影響力大小的評價,主要是通過對雨水中固有的可變性的即時評估,這是因為長時間的降雨具有重要的影響力。當存儲設施放置在綜合下水道系統的上游(在雨水進入下水道系統之前),降雨的輸入通常是模仿進入下水道系統的雨水徑流,這樣可以考慮到上游存儲設施的影響。這些源頭控制設施可以很簡單的用簡單的蓄水池形式的模型進行模擬,這樣就可以在一個很短的時間里處理連續的長時間段的雨水模擬仿真。因此這樣的預處理降雨可以用在下游排水系統設計中,這個處理方法可以在雨水儲水裝置和溝渠使用。由于雨水儲水箱的存在,以前一個月內的降雨的情況可以在同時得到處理。同樣利用這個簡化的模型,我們可以得到雨水儲水裝置各個最理想的設計參數。

2設計方法

為了使雨水儲水裝置的作用在排水系統中顯示出來,所以就要建立一個模型去估算雨水儲水箱在原城市排水系統中的作用,以及用這個模型去估算在人工合成的暴雨中儲水箱產生的作用。為達到這樣的目的,用一個簡單蓄水池模型來收集雨水(如圖1)。屋面部分的雨水將流入雨水儲水箱里,其他部分的雨水,直接流入下水道系統中。一小部分的雨水回用逐漸地用完儲水箱中的積存雨水,回用后的降雨再排入到綜合下水道系統中。如果儲水箱裝滿水的話,溢流出來的雨水直接流入下水道系統中去。

降雨參數中有大量的內在可變性因素的影響,所以在逆程周期中,降雨強度、持續時間、頻率關聯性的最大價值的衰減是需要精確考慮的。然而,雨水儲水箱顯而易見的改變了這種價值的分配系統。在雨水儲水箱儲存能力的作用下,即使強度最大的暴雨也幾乎沒有什么影響,而且仍然適用指數分配方式系統。降雨的頻率越高,雨水儲水箱儲存能力產生的減波作用就越大,這樣就演化成另一種指數分配系統。因此最終結論性的分配系統有兩種方式,這兩種方式之間可以逐漸地相互轉化。這種混合形式的分配系統大體上接近排列分配方式,至少在雨水分析中有添加補充的作用。排列分配方式有很大的限定繼承性,這就意味著有更大突發性降雨概率。在這種排列分配方式下,降雨強度i和逆程周期T之間的是對數線性關系:logi=a1+a2logT。

因為暴雨降雨時間短和雨水儲水箱儲水力保持力大,那么減波所產生的作用就更大。依靠衰減給出的最大相關性,指數分配系統可以保留使用或是用排列分配方式。在這樣的分析中,使用簡單的雨水衰減就足夠了,因為沒有其他推斷的可靠性在逆程周期中比原降雨系統高。最后,線性衰減規律可以使用在暴雨降雨函數中的衰減系數,這樣可以得到單一的人工合成暴雨。

3集合實際應用對模型設計的分析

滲透和設施的水力保持一般是非線性的,因為流出量是限定的,連續長周期的模擬因而是必要的。簡單概念上的模型對上游設施水利保持力是單一的,而且在長時間的模擬中,這個概念上的模型不需要長時間的計算。在這個模型中,27年的降雨被合并處理,這樣的降雨是和Flemish合成暴雨屬于一個系列的。一套Rewaput模型的參數處理在奔騰III733電腦上處理時間僅僅需要大概5秒鐘。如果參數變化超過集水量,這時候分配系數被離散化并且其他好幾套的參數被考慮。在處理中,離散化的步驟、參數的誤差和參數的種類決定了計算的數目,這些在處理中必須要考慮的。在Rewaput模型中,三角形的分配系統可用來估算隨機的儲存變量和雨水的消耗量。

4結果分析

雖然雨水儲水箱的儲存量和滲透設施在降雨中不一定完全起到作用,但這種上游式水力保持設施仍然對流入下水道的雨水徑流有很大的影響。可以看出,如果這些設施在一定范圍內安裝實施使用,那么合適的雨水儲水箱能很顯著的削減下水道中的流量峰值。在圖1中,可以看到雨水儲水箱在暴雨處理中的影響。在這個計算分析中,估計在30%封閉區域里,每100m2屋面設置一個5000升的雨水儲水箱,每天每100m2消耗100升雨水。這個幾乎削減里人工合成暴雨中的峰值,一年的使用相當于以前五年的分析。有可能通過一個簡單的設計方法去預見這個影響。

從這個方法可以看出,源頭控制技術在下游式排水系統中的作用。更進一步地,可以看出有可能對雨水中各種參數進行合并處理,這樣可以得到更精確的上游式對雨水處理的影響。為了限制計算時間,可以成功地使用簡單的模型去處理。

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