地下排水系統(tǒng)排水性能影響因素分析

楊 艷， 李胡勇

(黃淮學(xué)院 建筑工程學(xué)院，河南 駐馬店 463000)

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地下排水系統(tǒng)排水性能影響因素分析

楊 艷， 李胡勇

(黃淮學(xué)院 建筑工程學(xué)院，河南 駐馬店 463000)

排水系統(tǒng)性能的影響因素眾多，為了對(duì)其量化研究，將排水量作為衡量排水性能的指標(biāo)，研究了不同影響因素的變化對(duì)排水量的影響。結(jié)果表明：對(duì)于設(shè)計(jì)參數(shù)而言，排水系統(tǒng)入口阻抗相對(duì)于其他參數(shù)對(duì)排水量大小的影響最小；排水溝土壤表面以下的水位深度對(duì)排水量的大小影響最大；排水溝間距的影響(尤其是排水溝間距較小的情況)也不容忽視。另外，對(duì)于非設(shè)計(jì)參數(shù)而言，氣候因素和城市土地利用率對(duì)地下排水系統(tǒng)性能的影響類(lèi)似，在對(duì)未來(lái)排水系統(tǒng)性能進(jìn)行預(yù)測(cè)時(shí)，這兩個(gè)因素均要考慮。

地下排水系統(tǒng)； 排水性能； 影響因子； 敏感度分析

0 引 言

衡量排水系統(tǒng)性能的一個(gè)重要指標(biāo)是地下排水量的大小，而影響排水量的因素除了降雨強(qiáng)度和路表之外還有很多別的因素[1]。關(guān)于排水參數(shù)和地下排水系統(tǒng)的正確設(shè)計(jì)的研究成果已經(jīng)有很多：Endres等比較了不同分析模型的預(yù)測(cè)結(jié)果，并實(shí)地測(cè)量了抽水引起的包氣帶的排水和潛水含水層的存儲(chǔ)水量。基于延遲排水模型預(yù)測(cè)得到的排水存儲(chǔ)耗散較快，而實(shí)時(shí)觀測(cè)模型預(yù)測(cè)的排水貯存的耗散量卻很少，如果存在耗散的話，耗散量在整個(gè)泵送實(shí)驗(yàn)階段一直衰減。其結(jié)果表明，這些分析模型中使用的水表邊界條件沒(méi)有充分反映泵送實(shí)驗(yàn)期間控制滲流區(qū)行為的機(jī)制[2]。Hirekhan等應(yīng)用WaSim軟件在半干旱季風(fēng)氣候帶評(píng)估了地下排水系統(tǒng)的性能，表明WaSim是一個(gè)簡(jiǎn)單評(píng)估地下排水系統(tǒng)的水力性能工具，可用于半干旱季風(fēng)氣候的地下排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)[3]。Gureghian等采用有限元法計(jì)算了排水土壤的穩(wěn)態(tài)水表高度。Youngs對(duì)深層土壤冪律排水方程給出了解釋[4]。Valipour比較了各向異性土壤中的兩種類(lèi)型的地下排水系統(tǒng)(水平和垂直)，指出，水力傳導(dǎo)系數(shù)的變化對(duì)排水溝的間距影響顯著[5]。此外，還有許多研究者針對(duì)不同滲透性能的地面，對(duì)其排水性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和計(jì)算[6-10]。

以往大多數(shù)研究側(cè)重于排水間距，忽視了地下排水系統(tǒng)排水參數(shù)的作用。本文利用EnDrain軟件改變排水參數(shù)，對(duì)地下排水系統(tǒng)的排水量的變化進(jìn)行了量化研究。除了排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)之外，其他因素的研究對(duì)于地下排水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)而言同樣具有重要意義，本文針對(duì)氣候和土地利用這兩個(gè)關(guān)鍵因素定量研究了它們對(duì)地下排水系統(tǒng)積水量以及排水量的影響。

1 研究對(duì)象

本文研究的排水系統(tǒng)來(lái)源于某高山氣候城市，城市排水管網(wǎng)為聯(lián)合系統(tǒng)，城市總集水面積約2.028公頃，其中745公頃是防水的。對(duì)該下水道系統(tǒng)進(jìn)行綜合污水管網(wǎng)建模，管網(wǎng)由5 358個(gè)節(jié)點(diǎn)，4 528個(gè)分集水區(qū)，5 695個(gè)環(huán)節(jié)和53個(gè)排污口組成。整個(gè)系統(tǒng)排水集中到中央廢水處理裝置。

2 排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)排水量的影響

2.1 影響排水量的排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)

影響排水量的排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)有：排水溝之間的水位深度(Dm)；土壤表面以下的排水溝水位深度(Dw)；排水溝入口阻抗(E)和排水溝間距(S)，

E=He/Q*

(1)

其中：He為入口揚(yáng)程(m)；Q*為排水量(m2/d)，Q*=RS，R是水補(bǔ)給量(m/d)。除此之外，還有降雨量(氣候變化的影響)和防水率(土地利用的影響)。

本文基于EnDrain軟件對(duì)地下排水性能進(jìn)行模擬，對(duì)應(yīng)于不同的排水參數(shù)組合，本文設(shè)計(jì)了不同的案例，并對(duì)比了每個(gè)案例下的排水量。

4個(gè)因子的初始值設(shè)定為：Dm=1.0 m，Dw=1.5 m，E=0.5 d/m，S=65 m，利用EnDrain軟件計(jì)算得到的初始排水量Qinitial=0.000 9 m/d。仿真實(shí)驗(yàn)中統(tǒng)計(jì)的變量有排水量Q、相對(duì)排水量增長(zhǎng)百分比ΔQ/Qinitial、ΔP/Pinitial(P代表4個(gè)因子變量即：Dm、Dw、E、S)，以及敏感度指標(biāo)C，計(jì)算如下:

(2)

敏感度指標(biāo)C衡量了排水量的變化對(duì)影響排水量因子變化的敏感度大小。

2.2 仿真結(jié)果和討論

由圖1可以看出，最大的排水量增長(zhǎng)百分比為233%，此時(shí)Dm=0.1 m相對(duì)初始值1 m減少了90%，排水量增長(zhǎng)百分比最小值為22%，對(duì)應(yīng)于Dm=1 m增長(zhǎng)了10%；另外，C平均值為2.3。由此表明，排水溝之間水表深度變化1%時(shí)，排水量變化為2.3%。

圖1 統(tǒng)計(jì)量隨Dm的變化

由圖2可以看出，最大的排水量增長(zhǎng)百分比為89%，此時(shí)的排水溝土壤表面以下Dw相對(duì)初始值減少了30%，排水量增長(zhǎng)百分比最小值為0%，對(duì)應(yīng)的Dw值減少了3%；另外，C平均值為3。由此表明，排水溝土壤表面以下的水位深度變化1%時(shí)，排水量變化為3%。

圖2 統(tǒng)計(jì)量隨排水溝土壤表面以下Dw的變化

由圖3可以看出，最大的排水量增長(zhǎng)百分比為11%，此時(shí)E相對(duì)初始值減少了100%，排水量增長(zhǎng)百分比最小值為0%；另外，C平均值為0。由此表明，E相對(duì)其他參數(shù)來(lái)說(shuō)對(duì)排水量幾乎沒(méi)有影響。

圖3 統(tǒng)計(jì)量隨E的變化

由圖4可以看出，最大的排水量增長(zhǎng)百分比為400%，此時(shí)S相對(duì)初始值減少了62%，排水量增長(zhǎng)百分比最小值為33%，對(duì)應(yīng)的S值增加31%；另外，C平均值為1.5。由此表明，排水溝間距變化1%時(shí)，排水量變化為1.5%。

圖4 統(tǒng)計(jì)量隨S的變化

由圖1～4可以看出，隨著Dm的增加，排水量基本保持線性減少；對(duì)于Dw而言，排水量隨著它的增加保持增加的趨勢(shì)；隨著S從25 m增加到45 m，排水量急劇下降，當(dāng)S增加到150 m之后，系統(tǒng)排水量基本保持不變。

對(duì)比不同參數(shù)下C平均值大小可以看出(見(jiàn)圖5)，Dw對(duì)排水量的大小影響最大，此外排水溝間距的影響也不容忽視，尤其是排水溝間距較小的情況更是如此。

圖5 不同參數(shù)下C平均值

3 其他因素對(duì)排水系統(tǒng)排水性能的影響

城市可能的氣候變化會(huì)引起降雨強(qiáng)度的增加，另外，路表的變化會(huì)導(dǎo)致城市防水性的變化，這也是導(dǎo)致城市地區(qū)發(fā)生洪澇的兩個(gè)關(guān)鍵因素[11-13]。

為了研究排水系統(tǒng)對(duì)降雨量(氣候變化的影響)的響應(yīng)，本文選取了典型的降雨事件，進(jìn)而評(píng)估和比較它們對(duì)系統(tǒng)性能的影響。

評(píng)估了15、60 min降雨時(shí)間間隔以及4種不同重現(xiàn)期(RP=1、2、5)組合的8個(gè)降雨事件(見(jiàn)表1)。

為了在城市排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中考慮氣候變化的影響，Arnbjerg-Nielsen從3種不同的方法計(jì)算了氣候變化因子(CCF)[14]，CCF的變化特征具有區(qū)域特性[15-18]，本文考慮CCF的帶寬限制在10%～50%，步長(zhǎng)10%(CCF= 1.0，1.1，1.2，1.3，1.4，1.5)。因此，考慮CCF的降雨強(qiáng)度可以通過(guò)原始降雨強(qiáng)度乘以CCF計(jì)算得到。

表1 降雨事件的特征

土地利用率的變化直接表征系統(tǒng)的防水性變化。然而其變化的數(shù)值大小可以為正也可以為負(fù)，該參數(shù)的變化帶寬設(shè)定為-40%～+60%。因此未來(lái)?xiàng)l件下的有效防水面積(EIF)可以從當(dāng)前有效防水面積和區(qū)域因子fA(fA=1.0,1.2,1.4,1.6,1.8)計(jì)算得到，鋪砌路面面積的增長(zhǎng)量和減少量分別按下式計(jì)算：

EIFfA=EIF·fA

(4)

EIFfA=EIF/fA

(5)

圖6給出了表1所示個(gè)事件狀態(tài)下的模擬結(jié)果，其中系統(tǒng)積水量VFlood量級(jí)為104m3，下水道排水流量VCSO量級(jí)為105m3。從圖6可以看到，一般情況下，隨著重現(xiàn)期RP的增加(對(duì)比事件1～4和事件5～8)，系統(tǒng)性能降低(即VFlood增加)。然而，由于降雨事件的動(dòng)態(tài)特性，下水道排水量VCSO的規(guī)律性就不那么明顯，例如，從事件1(RP=1)至事件4(RP= 5)，隨著RP的增大，VCSO增大，但是從事件6(RP=2)～事件8(RP= 5)，隨著RP的增大，VCSO卻在減小。

圖6 降雨事件下的積水量和排水量的對(duì)比

圖7所示為積水量及排水量增長(zhǎng)百分比隨降雨強(qiáng)度(CCF)的變化。從圖中可以看出，系統(tǒng)積水量最大增長(zhǎng)可以達(dá)到1 000%以上(對(duì)應(yīng)于降雨事件5，CCF=1.5的情況)，對(duì)于下水道排水量而言，隨著降雨強(qiáng)度的增加其增長(zhǎng)百分比均不超過(guò)100%。另外，一個(gè)很有意思的發(fā)現(xiàn)是，對(duì)于在任何重現(xiàn)期RP下的8個(gè)所有降雨事件而言，降雨強(qiáng)度的影響均相同。

圖7 降低強(qiáng)度對(duì)系統(tǒng)性能的影響

圖8所示為積水量及排水量增長(zhǎng)百分比隨土地利用率(fA)的變化，與降雨強(qiáng)度類(lèi)似，土地利用率的變化對(duì)系統(tǒng)積水量的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于對(duì)排放量的影響。積水量增加的最高百分比可以達(dá)到1 000%和950%(對(duì)應(yīng)于事件1和5在RP=1的情況下)。

圖8 積水量增長(zhǎng)百分比隨土地利用率的變化

此外，可以將不同降雨事件下的氣候變化和土地利用率變化等效為重現(xiàn)期RP的變化。

圖9所示為降雨強(qiáng)度(CCF)及地利用率fA在不同RP下的等效表示，這種評(píng)估是基于RP、CCF和fA的插值方法。例如，對(duì)于降雨事件3(RP=3)，當(dāng)其降雨強(qiáng)度CCF為1.4時(shí)，此事件與保持降雨強(qiáng)度不變而RP變?yōu)?對(duì)地下排水系統(tǒng)的影響是相同的。

圖9 降雨強(qiáng)度CCF和地利用率fA在不同重現(xiàn)期RP下的等效表示

系統(tǒng)性能P可表示為CCF和fA的函數(shù)，因此，通過(guò)比較氣候變化和面積因素的影響，可以評(píng)估系統(tǒng)對(duì)它們的敏感性。圖10所示為氣候變化和土地面積因素對(duì)系統(tǒng)影響的對(duì)比。從圖中可以看到，降雨強(qiáng)度CCF增加到 1.5時(shí)與土里利用率增加80%(fA=1.8)具有大致相同的效果，即在這種降雨事件下，降雨強(qiáng)度增加50%對(duì)排水系統(tǒng)造成的影響可以通過(guò)土地利用率減少40%來(lái)補(bǔ)償。

圖10 氣候變化因素和土地面積因素對(duì)系統(tǒng)影響的對(duì)比

4 結(jié) 論

地下排水系統(tǒng)的排水量對(duì)于水資源管理十分重要，本文研究了不同影響因素的變化對(duì)排水量的影響，得到如下結(jié)論：

(1) 在排水系統(tǒng)中，排水系統(tǒng)入口阻抗相對(duì)于其他參數(shù)而言對(duì)于排水量大小的影響最小。

(2) 排水溝土壤表面以下的水位深度對(duì)排水量大小的影響最大，當(dāng)其變化1%時(shí)，相應(yīng)的排水量大小變化可達(dá)3%。

(3) 隨著排水溝間距從25 m增加到45 m時(shí)，排水量急劇下降，當(dāng)其增加到150 m之后，系統(tǒng)排水量基本保持不變。

(4) 排水溝土壤表面以下的水位深度對(duì)排水量的大小影響最大，排水溝間距的影響也不容忽視，尤其是排水溝間距較小的情況更是如此。

(5) 除了排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)之外，其余非設(shè)計(jì)因素，如氣候和城市土地利用率對(duì)地下排水系統(tǒng)性能也有一定影響。本研究表明它們的影響類(lèi)似，因此在對(duì)排水系統(tǒng)性能進(jìn)行預(yù)測(cè)時(shí)，這兩個(gè)因素均要考慮。

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Analysis of the Influence Factor on the Performance of Subsurface Drainage System

YANGYan，LIHu-yong

(School of Architectural Engineering, Huanghuai University, Zhumadian 463000, China)

Subsurface drainage performance is critical to the urban water management, however, there are a lot of factors related to it. In this paper, drainage discharge is considered as the evaluation index for the sake of quantity study, and effect of drainage parameters change on amount of drain discharge is investigated in subsurface drainage systems. It can be concluded that for design parameters, entrance resistance at the drain have minimum of effect on drain discharge into the other drainage parameters. Depth of water level in drain below soil surface is introduced as the most effective parameter between all of the drainage parameters for drain discharge, the role of drain spacing particularly in low space should not be ignored. In addition, for other factors, according to the sensitivity analysis, the impact of rainfall intensities and pavement of urban areas share a similar impact on drainage performance, hence it is important to look into both aspects in trying to predict future performance of subsurface drainage system. This paper analyzes the factors that impact the drainage performance of underground drainage systems roundly, and provides reference for the design of such systems.

subsurface drainage system; drainage performance; influence factor； sensitivity analysis

2015-05-20

河南省科技攻關(guān)計(jì)劃項(xiàng)目(122102310437)

楊 艷(1982-)，女，河南信陽(yáng)人，碩士，講師，研究方向：結(jié)構(gòu)工程及工程力學(xué)。

Tel.：15210531280；E-mail：545228254@qq.com

TU 528.42

A

1006-7167(2016)02-0030-04