上海市設(shè)計(jì)雨型對(duì)雨水管網(wǎng)模擬的影響研究

艾 靜 廖子元 方定懿 陶 濤

(同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200092)

上海市設(shè)計(jì)雨型對(duì)雨水管網(wǎng)模擬的影響研究

艾 靜 廖子元 方定懿 陶 濤

(同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200092)

采用推理公式法設(shè)計(jì)了上海A地區(qū)的雨水管網(wǎng)系統(tǒng)，并在此基礎(chǔ)上，分別以芝加哥雨型和Pilgrim & Cordery雨型作為設(shè)計(jì)雨型，利用城市雨水模擬管理軟件(SWMM)建立該區(qū)域雨水模擬模型。模擬結(jié)果表明，雨型對(duì)積水的模擬結(jié)果有較大影響，主要體現(xiàn)在積水時(shí)長(zhǎng)、最大積水深度和受積水影響的面積大小上；對(duì)于上海地區(qū)，推薦使用P&C雨型作為設(shè)計(jì)雨型，在此雨型下設(shè)計(jì)的管網(wǎng)更安全。

雨水,管網(wǎng)，SWMM，雨型

發(fā)達(dá)國(guó)家一般借助于數(shù)學(xué)模型來(lái)計(jì)算雨水管網(wǎng)的徑流量，我國(guó)的GB 50014—2006室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范(2014版)也指出，在計(jì)算雨水的設(shè)計(jì)流量時(shí)，若匯水面積大于2 km2，宜考慮降雨在時(shí)空分布的不均勻性和管網(wǎng)匯流過(guò)程，利用數(shù)學(xué)模型法來(lái)計(jì)算[1,2]。設(shè)計(jì)雨型是模型的輸入?yún)?shù)，是模型進(jìn)行徑流量計(jì)算的基礎(chǔ)條件，不同的雨型會(huì)導(dǎo)致降雨徑流的計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生明顯差異。就此，本文將基于SWMM，以上海A地區(qū)的雨水管網(wǎng)為例，探討不同設(shè)計(jì)雨型對(duì)雨水管網(wǎng)模擬的影響。

1 雨型研究現(xiàn)狀

雨型描述了降雨過(guò)程，是不同降雨歷時(shí)內(nèi)的降雨強(qiáng)度隨時(shí)間變化的特征。雨型的推求對(duì)于城市雨水管網(wǎng)、調(diào)蓄設(shè)施的規(guī)劃及設(shè)計(jì)具有重要意義。

在國(guó)外，對(duì)城市短歷時(shí)暴雨雨型的研究較多且起步早。20世紀(jì)40年代,前蘇聯(lián)的Bogomazova等人通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析烏克蘭等地區(qū)的降雨資料，劃分出了七種雨型[3]。Keifer和Chu從暴雨強(qiáng)度公式出發(fā)，提出了雨峰出現(xiàn)時(shí)刻的統(tǒng)計(jì)方法，及雨峰前后瞬時(shí)暴雨強(qiáng)度的計(jì)算公式，得到了芝加哥雨型[4]。Pilgrim & Cordery雨型則是，Pilgrim和Cordery基于數(shù)理統(tǒng)計(jì)原理，利用一種無(wú)級(jí)序平均法，推求得到的[5]。

國(guó)內(nèi)對(duì)雨型的研究較少，對(duì)于如何判斷一個(gè)地區(qū)的雨型，在全國(guó)范圍內(nèi)沒有開展相關(guān)工作。目前，國(guó)內(nèi)普遍采用《城市暴雨強(qiáng)度公式編制和設(shè)計(jì)暴雨雨型確定技術(shù)導(dǎo)則》(下簡(jiǎn)稱《導(dǎo)則》)推薦的芝加哥雨型[6]，然而不同地區(qū)的降雨過(guò)程各具特點(diǎn)，統(tǒng)一采用芝加哥雨型來(lái)表征顯然不盡合理，且隨著城市防澇標(biāo)準(zhǔn)的提高以及海綿城市建設(shè)的推進(jìn)，推求各城市的設(shè)計(jì)雨型有重要意義。目前，江蘇省各市已在大量具有代表性、典型性的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，確定了各自的暴雨雨型，可供其他城市在相關(guān)工作上參考。

2 上海市不同雨型的比較

雨型是降雨強(qiáng)度在時(shí)間尺度上的分配過(guò)程，利用不同的雨型會(huì)計(jì)算得出明顯不同的降雨徑流。為探求上海市不同設(shè)計(jì)雨型對(duì)雨水管網(wǎng)模擬的影響，本文分別以上海市的芝加哥雨型和P&C雨型作為設(shè)計(jì)雨型。

上海市芝加哥雨型是利用其暴雨強(qiáng)度公式，并取降雨歷時(shí)為120 min，雨峰系數(shù)為0.405計(jì)算得出，其特征是有一尖削的單峰[5]。P&C雨型是利用上海市1985年—2012年的降雨資料得到的歷時(shí)120 min以5 min為單位時(shí)段的雨量分配比例，及各重現(xiàn)期下上海市120 min降雨總量的基礎(chǔ)上求出[1]。兩種雨型的分布如圖1所示。

雨型的雨峰大小、位置、持續(xù)時(shí)間和雨峰出現(xiàn)時(shí)累計(jì)雨量的大小對(duì)降雨徑流的計(jì)算有較大影響。上海市的芝加哥雨型與P&C雨型在上述幾個(gè)方面的對(duì)比如表1所示。

3 模型模擬

A地區(qū)地處上海，地勢(shì)平坦，總匯水面積為340.01 ha。布置其雨水管網(wǎng)如圖2所示，管道總里程數(shù)為19.59 km。利用推理公式法設(shè)計(jì)A地區(qū)P=1年,3年,5年時(shí)的雨水管網(wǎng)，并在此基礎(chǔ)上建立SWMM模型。不同重現(xiàn)期下A地區(qū)雨水管網(wǎng)的管徑、管長(zhǎng)分布如圖3所示。

將上海市的芝加哥雨型和P&C雨型分別輸入模型，模擬結(jié)果對(duì)比如表2所示。隨著重現(xiàn)期的提高，兩種雨型下，受積水影響的匯水面積大小均在增加，但P&C雨型下的模型更容易出現(xiàn)積水，且積水情況更嚴(yán)重。對(duì)于芝加哥雨型，積水節(jié)點(diǎn)的最大服務(wù)面積是P=5年時(shí)的40.56 ha，而在P&C雨型下，積水節(jié)點(diǎn)的最小服務(wù)面積是P=1年時(shí)的52.52 ha，大于40.56 ha。并且在P&C雨型下，積水持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng)，最大積水深度更深，幾乎為芝加哥雨型下最大積水深度的3倍。

表2 不同設(shè)計(jì)雨型下A地區(qū)的積水情況

以上情況均說(shuō)明相比于芝加哥雨型，A地區(qū)在P&C雨型下的積水情況更嚴(yán)重。結(jié)合表1，表2和圖1，推測(cè)其原因?yàn)椋罕M管P&C雨型的峰值較芝加哥雨型稍小，但雨峰出現(xiàn)較晚，雨峰出現(xiàn)時(shí)的累計(jì)雨量較大，管網(wǎng)中已有一定充滿度，致使管網(wǎng)沒有足夠的能力承擔(dān)雨峰下的雨量，加之其雨峰持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，使得該雨型下的積水情況更嚴(yán)重。

因此，考慮到P&C雨型下的模型積水情況更嚴(yán)重，對(duì)于上海地區(qū)，推薦使用更加符合實(shí)際降雨的P&C雨型作為設(shè)計(jì)雨型，在此雨型下設(shè)計(jì)的管網(wǎng)更安全。

4 結(jié)論及建議

本文系統(tǒng)介紹了芝加哥雨型和P&C雨型的推求方法，采用推理公式法，設(shè)計(jì)了上海市A區(qū)域不同設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)下的雨水管網(wǎng)；利用SWMM模型分別模擬了兩種雨型及不同設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)下的管網(wǎng)積水情況，可以看出雨型對(duì)積水的模擬結(jié)果有較大影響，主要體現(xiàn)在積水時(shí)長(zhǎng)、最大積水深度和受積水影響的面積大小上，這主要是由雨峰大小、位置、持續(xù)時(shí)間和雨峰出現(xiàn)時(shí)累計(jì)雨量大小等因素的不同引起的；因此推薦上海地區(qū)使用P&C雨型作為設(shè)計(jì)雨型，在此雨型下設(shè)計(jì)的管網(wǎng)更安全。

[1] 蔣 明.新暴雨形勢(shì)下上海市設(shè)計(jì)暴雨雨型研究[J].湖南理工學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2015,28(2):69-80.

[2] GB 50014—2006,室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范(2014版)[S].

[3] 莫洛可夫,M B,施果林.雨水道與合流水道[M].北京:建筑工程出版社,1956.

[4] Keifer G J, Chu H H., Synthetic storm pattern for drainage design[J]. Journal of the Hydraulics Division, ASCE, 1957, 83(4):1-25.

[5] Pilgrim D H.，Cordery I. Rainfall temporal patterns for design floods[J]. Journal of the Hydraulics Division,ASCE,1975,101(1):81-95.

[6] 中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部,中國(guó)氣象局.城市暴雨強(qiáng)度公式編制和設(shè)計(jì)暴雨雨型確定技術(shù)導(dǎo)則[M].北京:氣象出版社,2014.

Influence of rainfall pattern on storm drainage network modeling in Shanghai

Ai Jing Liao Ziyuan Fang Dingyi Tao Tao

(CollegeofEnvironmentalScienceandEngineering,TongjiUniversity,Shanghai200092,China)

Reasoning formula method was used to design the storm drainage network of area A in Shanghai. On this basis, the designed network was modeled using SWMM. Chicago rainfall pattern and Pilgrim & Cordery rainfall pattern were respectively adapted to the model. It was shown that rainfall pattern substantially changes the simulation result on ponding, mainly on ponding time, maximum ponding depth and ponding area. Storm drainage network designed with Pilgrim & Cordery rainfall was more likely to meet the drainage requirement, so it was recommended in Shanghai.

rainwater, drainage network, SWMM, rainfall pattern

1009-6825(2017)21-0099-03

2017-05-12

艾 靜(1994- )，女，在讀碩士; 廖子元(1994- )，男，在讀博士; 方定懿(1994- )，男，在讀碩士; 陶 濤(1974- )，女，教授

TU823.6

A