一种基于SWMM水力模型确定城市雨水管网管径和坡度的方法与流程

本发明涉及一种基于SWMM水力模型确定城市雨水管网管径和坡度的方法，属于市政工程信息技术与地理信息系统技术交叉领域。

背景技术：

SWMM模型是由美国环保局推出的一种暴雨径流模型，能够完整地模拟城市降雨径流过程和污染物转移过程，目前广泛应用于暴雨径流模拟和城市排水系统管理。它可以模拟分析现有管网的排水能力，确定管网排水能力不足的“瓶颈”段，同时依据模拟结果预先测出设计改造方案的实际效果，通过分析对比经济性指标，可获得合理经济的方案。但是，SWMM模型的目前主要应用于对已有管网的模拟分析和已有管网改造方案对比。

目前，雨水管网设计主要是人工雨水管网设计，它基于极限暴雨强度所计算的流量，凭经验采用反复查阅水力计算表的方法对管段的管径和坡度等进行人为的调整，以获得较经济合理的设计。该人工雨水管网设计方法计算量大，且计算结果精确度较低。 这种人工雨水管网设计方法的水力计算过程基于静态的明渠流公式，假定下游可以自由出流，水力计算过程孤立，管网的设计过程完全忽略了下游管道的水力流动状况，难以体现管网的实际通洪效果，以至于产生局部瓶颈现象，导致内涝的发生。也就是说：现有雨水管网设计方法的静态化的计算过程难以满足城市建设和环境保护的需求。

随着计算机技术的发展，排水行业对设计的精度要求越来越高，人们开始将计算机数学模型应用在雨水管网工程中。现阶段，采用计算机技术对已定线的雨水管网系统的管径和埋深进行优化设计已经得到了国内外学者大量的研究和应用。这些计算机管网优化方法主要是以各项水力要素为约束条件，以管网造价等为目标函数，得出在最优解情况下的各参数（管径、埋深、坡度等）的组合。这些计算机管网优化方法虽然使管网的设计经济性相比于人工的设计方法有了很大的提高，但是，计算机管网优化算法的管段的设计仍然采用人工雨水管网设计方法的推理公式法，水力计算仍然是基于静态的水力计算表，在寻找各参数最优组合过程中并没有考虑实际降雨径流过程以及实际运行的下游边界条件，其核心的计算过程与人工雨水管网设计方法一样，仍然存在着计算过程静态化以及计算结果难以量化这些缺陷。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题就是提供一种基于SWMM水力模型确定城市雨水管网管径和坡度的方法，它能考虑到下游水力边界条件以及压力流、泵站等复杂水力情况，对已定线的管网进行自动循环计算调整管径和坡度，最终确定雨水管网设计方案，克服现有雨水管道设计的静态化计算处理和计算结果精确度低的问题。

本发明所要解决的技术问题是通过这样的技术方案实现的，它包括有以下步骤：

步骤1，获取已定线管网的各管道参数和汇水区水文参数，汇水区水文参数包括下垫面类型、不透水地面的百分比、降雨情况和地面高程的数据；

步骤2，为管道的管径和埋深赋初始值，并计算检查井的初值和管道的初始坡度；

步骤3，基于最小坡度约束对管网进行坡度调整，从上游至下游依次检查各管段的逆坡、缓坡或平坡情况，对坡度小于最小坡度的管段进行调整；

步骤4，运行SWMM水文、水力计算模块，从下游到上游依次调整优化管网各管段的管径，更新相关参数；

步骤5，运行SWMM水文、水力计算模块，从下游到上游依次调整优化管网各管段的坡度，更新相关参数；

步骤6，判断循环次数是否达到设定值，如果是，进入步骤7；若果不是，进入步骤8；

步骤7，对管网进行手工调整，返回步骤4；

步骤8，判断管径和流速是否均满足要求，如果不是，返回步骤4；如果是，进入步骤9；

步骤9，输出各管道参数：管径，坡度，检查井内底标高，管道起、终点标高和地面高程。

本发明的有益效果：

1、水力计算过程完全由SWMM模拟代替，弥补了现有人工雨水管网设计方法和计算机管网优化方法中采用推理公式法以及水力计算表导致的静态化且计算结果精确度低的局限性；

2、对已定线管网的管径和坡度进行循环计算调整，减小了现有人工雨水管网设计方法的工作量，提高了管网设计计算的效率和精度；

3、基于SWMM的水力计算融合了边界条件，能够动态进行洪水过程线、水库调蓄过程、压力流、泵站提升等复杂水力工况计算，处理复杂雨水系统处理完全动态化，使设计的管网更符合实际运行条件；

4、计算结果能够量化，并能对计算结果进行不同工况下的动态模拟，预测强降雨及极端暴雨条件下的内涝范围及风险，使雨水管网的设计方案更加合理可靠。

所以本发明具有如下的优点：利用SWMM的水力计算模块，融合动态降雨事件对应的下游水力边界条件，在处理含压力流、泵站、闸门等复杂水力条件的雨水系统设计中完全动态化，能准确反映城市雨水管网的实际运行工况，既提高了雨水管网设计的工作效率，又克服了现有雨水管道设计的静态化和计算结果精确度低的问题。

附图说明

本发明的附图说明如下：

图1为本发明的流程图；

图2为本发明的基于最小坡度调整初始坡度的流程图；

图3为本发明的优化调整管径的流程图；

图4为本发明的优化调整坡度的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

本发明是对已定线的雨水管网进行管径和坡度的优化调整。

图1为本发明的基于SWMM水力模型确定城市雨水管网管径和坡度的算法流程图，该算法开始于步骤S101，然后

在步骤S102，获取规划地区定线后的管网要素和汇水区水文参数，汇水区水文参数包括下垫面类型、不透水地面的百分比、降雨情况和地面高程的数据；

在步骤S103，为管道的管径和埋深赋初始值，计算检查井的初值和管道的初始坡度：初始管径设为400mm，初始埋深设为0.6m，初始的进、出水偏移都设为0；

检查井内底标高=地面标高－埋深－管径；

检查井深=地面标高－检查井内底标高；

管道初始坡度=地面坡度=（上游检查井地面标高－下游检查井地面标高）/本管段长度；

进/出水偏移=管段进/出口处管内底标高－上/下游检查井内底标高；

在步骤S104，基于最小坡度约束，最小坡度选择3‰，对管网进行坡度调整，检查逆坡、缓坡和平坡的情况，从上游至下游依次对坡度小于最小坡度的管段进行调整；

在步骤S105，管网管径循环计算调整：运行SWMM水文、水力计算模块，从下游到上游依次调整优化管网的管径，更新检查井内底标高，进、出水偏移等参数；

在步骤S106，管网坡度循环计算调整：运行SWMM水文、水力计算模块，从下游到上游依次调整优化管网的坡度，更新检查井内底标高，进、出水偏移等参数；

在步骤S107，判断循环次数是否达到设定值，如果是，进入S108中；若不是，进入步骤S109；

循环次数理论上越多越好，但次数过多会导致运行时间过长，因此需根据管网实际规模合理设置循环次数。

在步骤S108，对管网进行手工调整，返回步骤S105；

在步骤S109，判断管径和流速是否均满足要求，如果不是，返回步骤S105；如果是，进入步骤S110；

在步骤S110，输出各管道参数：管径，坡度，检查井内底标高，管道起、终点标高和地面高程；

在步骤S111中，雨水管网自动设计完成。

上述步骤S104中，基于最小坡度约束的调坡过程的流程图如图2所示：

在步骤S201，获取管网上游初始管段数据；

在步骤S202，判断管段坡度是否小于最小坡度，如果不是，进入步骤S210；如果是，进入步骤S203；

在步骤S203，管段出口处管内底标高调整为：管段出口处管内底的新标高=上游检查井内底标高＋进水偏移－最小坡度×本管段长度；

在步骤S204，判断调整后的管内底标高是否小于下游检查井内底标高，如果是，进入步骤S206；如果不是，进入步骤S205；

在步骤S205，更新出水偏移：新出水偏移=管段出口处管内底的新标高－下游检查井内底标高；该管段坡度更新为最小坡度；

在步骤S206，调整下游检查井内底标高：下游检查井内底的新标高=管段出口处管内底的新标高；更新该管段坡度为最小坡度；新井深=井深＋管段出口处管内底下移高度；出水偏移为0；

在步骤S207，判断相邻管段在下游检查井处是否为进水节点，如果是，进入步骤S208；如果不是，进入步骤S209；

在步骤S208，采用管顶平接管段，更新相邻管段进水偏移：相邻管段新的进水偏移=本管段新的出水偏移；相邻管段新的坡度=（（相邻管段上游检查井内底标高+相邻管段新的进水偏移）-（相邻管段下游检查井内底标高+相邻管段出水偏移））/相邻管段长度，进入步骤S210；

在步骤S209，采用跌水连接，更新相邻管段出水偏移：相邻管段新的出水偏移=相邻管段出水偏移＋管段出口处管内底下移高度；管段坡度保持不变；

在步骤S210，判断该管段出水节点是否为出水口，如果不是，进入步骤S211；如果是，进入步骤S212；

在步骤S211，获取下一管段数据，返回步骤S202；

在步骤S212，初始坡度调整结束。

上述步骤S105中，管径调节优化的流程图如图3所示：

在步骤S301，获取下游末端管道参数；

在步骤S302，调用SWMM水文、水力计算模块，得到流量、水深和流速的数据；

在步骤S303，判断最大水深是否大于管径，如果不是，进入步骤S318；如果是，进入步骤S304；

在步骤S304，管径增大一级定义为Dnew；基于最大流量，通过曼宁公式估算所需要管径，定义管径为Dman；

在步骤S305，判断 Dman是否大于Dnew，如果不是，进入步骤S306；如果是，进入步骤S307；

在步骤S306，将管径更新为Dnew；

在步骤S307，将管径更新为Dman；

在步骤S308，将Dman化为标准管径；

在步骤S309，判断进水偏移是否大于管径增加量，如果是，进入步骤S310；如果不是，进入步骤S311；

在步骤S310，进水偏移更新为：新的进水偏移=进水偏移－（增大后的管径－原来的管径）；上游检查井内底标高和井深不变，进入步骤S313；

在步骤S311，上游检查井内底标高更新为：上游检查井内底新的标高=上游检查井内底标高－（增大后的管径－原来的管径－进水偏移）；上游检查井深更新为：上游检查井新井深=上游检查井深＋（增大后的管径－原来的管径－进水偏移）；进水偏移更新为0；

在步骤S312，相连管段在上游检查井处的出水偏移更新为：相连管段新的出水偏移=相连管段出水偏移＋（增大后的管径－原来的管径－进水偏移）；

在步骤S313，判断出水偏移是否大于管径增加量，如果是，进入步骤S314；如果不是，进入步骤S315；

在步骤S314，出水偏移更新为：新的出水偏移=出水偏移－（增大后的管径－原来的管径），下游检查井内底标高和井深不变，进入步骤S317；

在步骤S315，下游检查井内底标高更新为：下游检查井内底的新标高=下游检查井内底标高－（增大后的管径－原来的管径－出水偏移）；下游检查井深更新为：下游检查井新的井深=下游检查井深＋（增大后的管径－原来的管径－出水偏移）；出水偏移更新为0；

在步骤S316，相连管段在下游检查井处的进/出水偏移更新为：相连管段新的进/出水偏移=相连管段进/出水偏移＋（增大后的管径－原来的管径－进水偏移）；

在步骤S317，更新下游所有管段的管径，检查井内底标高和进、出水偏移等参数；

在步骤S318，判断该管段进水节点是否为起点，如果不是，进入步骤S319；如果是，进入步骤S320；

在步骤S319，获取下一管段数据，返回步骤S302；

在步骤S320，一次管径调整结束。

上述步骤S106中，坡度调节优化的流程图如图4所示：

在步骤S401，获取下游末端管段参数；

在步骤S402，调用SWMM水文水力计算模型，得到管网流量、水深、流速的数据；

在步骤S403，判断流速是否大于最大流速，金属管的最大流速选择10m/s，非金属管的最大流速选择5m/s，如果是，进入步骤S404；如果不是，进入步骤S412；

在步骤S404，基于最大流速，用曼宁公式计算坡度，坡度更新为曼宁公式计算的坡度；

在步骤S405，计算管段进口处管内底标高，管段进口处管内底的新标高=下游检查井内底标高＋出水偏移＋管长×坡度新；

在步骤S406，判断更新后的管段进口处管内底标高是否大于上游检查井内底标高，如果是，进入步骤S407；如果不是，进入步骤S408；

在步骤S407，进水偏移更新为：新的进水偏移=管段进口处管内底的新标高－上游检查井内底标高；上游检查井深不变，进入步骤S410；

在步骤S408，上游检查井内底标高更新为：上游检查井内底的新标高=管段进口处管内底的新标高；上游检查井深更新为：上游检查井新的井深=上游检查井深＋（上游检查井内底标高－管段进口处管内底的新标高）；进水偏移为0；

在步骤S409，上游检查井处设置跌水，相连管段在上游检查井处的出水偏移更新为：相连管段新的出水偏移=相连管段的出水偏移＋（上游检查井内底标高－上游管内底的新标高）；

在步骤S410，判断该管段进水节点是否为起点，如果不是，进入步骤S411；如果是，进入步骤S418；

在步骤S411，获取下一管段数据，返回步骤402；

在步骤S412，判断流速是否小于最小流速，最小流速选择0.75m/s，如果是，进入步骤S413；如果不是，进入步骤S410；

在步骤S413，基于最小流速，采用曼宁公式计算坡度，并将管段坡度更新为该坡度；

在步骤S414，更新管段出口处管内底标高：管段出口处管内底的新标高=上游检查井内底标高+进水偏移－管长×坡度新；

在步骤S415，判断管段出口处管内底标高是否大于下游检查井内底标高，如果不是，进入步骤S416；如果是，进入步骤S417；

在步骤S416，更新下游所有检查井内底标高和埋深，进入步骤S410；

在步骤S417，判断下游检查井处是否有跌水，如果是，进入步骤S410；如果不是，进入步骤S416；

在步骤S418，结束一次坡度调整。