一种基于运动波模拟的雨水管网设计计算方法

本发明涉及一种基于运动波模拟的雨水管网设计计算方法，属于城市雨水管网与水力模型技术交叉领域。

背景技术：

1、我国长期以来采用推理公式法结合恒定均匀流理论进行雨水管网设计流量的计算，随着管网设计规模的增加，计算误差累积严重，应用于较大汇水流域时，计算精度偏低。因此，《室外排水设计标准》(gb 50014-2021)提出，当汇水面积大于2km2，采用数学模型法确定雨水设计流量。

2、目前，模型技术在雨水管网设计中的应用主要有两类：一类是将模型技术应用到设计方案的校核，即通过对推理公式法设计方案模拟，以节点溢流或管段超载作为校核指标，完成对设计方案的调整；另一类则是将模型技术与管径、坡度组合优化相结合，借助优化算法，综合考虑管网的经济性能和水力性能，以实现更为精确的设计。模型技术应用于雨水管网水力性能的优化或设计方案的校核，其所需校核或优化管网的设计仍然采用推理公式法初步确定，未能实现将模型直接应用到雨水管网设计流量的计算中。

3、雨水管网模型由地表产流模型、地表汇流模型和管网汇流模型组成，模型计算涉及参数众多且仅提供合理化取值范围。我国雨水管网设计参数较少，且在管网设计阶段无实测数据，难以科学定量且无法校核，盲目应用会造成较大设计偏差。因此，为保证数学模型法在设计应用中的可靠性，其关键在于模型参数的设置与雨水管网设计参数一致或等价反映。

4、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。swmm模型针对管网的水动力模块提供了运动波模拟方法，应用运动波模拟时管渠水面坡度等于管渠底坡，管段的最大过流能力等于管道正常满管设计流量，其可以模拟管渠中水流的时空变化过程，与雨水管渠实际流态更加吻合，本专利应用运动波模拟方法计算管段汇流过程，与推理公式法相比，具有较高精度。

技术实现思路

1、鉴于以上问题，本文基于运动波模拟方法，通过模型参数与管网设计参数的等价设置，提出一种基于运动波模拟的雨水管网设计计算方法。

2、本方法的技术方案如下：

3、一种基于运动波模拟的雨水管网设计计算方法，包括如下步骤：

4、步骤1，雨水管网定线：依据设计区域内地形和街区的分布进行管网定线和子汇水区的划分；然后根据设计区域的地块资料，依据《室外排水设计标准》(gb 50014-2021)选定暴雨强度公式和设计暴雨重现期，并确定各子汇水区的地表集水时间、流量径流系数和雨量径流系数；

5、步骤2，选定设计降雨过程线，通过地表产流和地表汇流模拟，计算各子汇水区的雨水口入流过程线；

6、步骤3，将步骤2得到的地表产流模型、地表汇流模型和swmm运动波模块耦合；

7、步骤4，将设计管段进行gis化处理，完成inp文件创建，计算雨水管段的设计流量，并依此完成该管段的水力计算，确定断面尺寸和敷设坡度，完成此管段的设计；

8、步骤5，从上游至下游，依次完成每一管段的设计，直至整个管网设计完成。

9、进一步的，步骤2的具体操作为：

10、1)依据步骤1选定的暴雨强度公式和设计重现期确定降雨历时180min，时间步长1min的同频率分布雨型；

11、2)采用指数法，利用霍顿下渗计算下渗强度，以流量径流系数和雨量径流系数的等价为目标，通过试算方式确定霍顿下渗方程参数，完成地表产流模拟，得到净雨过程线，即不同时刻的净雨量；

12、fi＝fc+(f0-fc)e-ki   (1)

13、

14、

15、

16、式中：i为降雨时段(min)；j为部分降雨时段；f0为初始入渗率(mm/min)；fc为稳定入渗率(mm/min)；k为衰减系数；fi为第i分钟下渗强度(mm)；ri为第i分钟的净雨量(mm)；pi为第i分钟的降雨量(mm)；c为雨量径流系数；cmax为流量径流系数。

17、①流量径流系数等价准则：净雨过程线最大15min的平均径流系数(所有采用j+14)与该子汇水区的流量径流系数相等；

18、②雨量径流系数等价准则：整场降雨的总径流量与总降雨量之比与雨量径流系数相等。

19、3)以地表集水时间和净雨过程线作为输入，采用线性汇流曲线类型，应用等流时线法计算地表汇流过程，完成各子汇水区的雨水口入流过程线计算；

20、

21、式中：i、j为降雨时刻，同公式(1)-(4)；tk为子汇水区地表集水时间(min)；qi为i时刻的流量(l/s)；ri-j为i-j时段的净雨强度(mm)，当i-j≤0时，ri-j取0；f为区域汇流面积(m2)；α为单位换算系数。

22、进一步的，步骤3的具体操作为：

23、1)应用步骤2对所有子汇水区进行地表产汇流模拟，根据公式(1)-(5)计算每个子汇水区的雨水口入流过程线；

24、2)调用swmm的运动波模块模拟时，将每个子汇水区的雨水口入流过程线以节点入流的方式输入到各子汇水区对应的检查井中，实现地表产汇流和管网汇流的耦合；

25、进一步的，步骤4中确定雨水管段的设计流量的具体操作为：

26、1)设计管段为起始管段时，其设计流量的计算方法：以管段上游检查井所对应的子汇水区雨水口入流过程线的峰值流量作为设计流量；

27、2)设计管段为非起始管段时，其设计流量的计算方法：①调用swmm动态链接库中的函数接口完成inp文件的模拟，并对与设计管段连接的所有上游管段的流量模拟结果进行读取；②将本设计管段雨水口入流过程线和与本设计管段连接的所有上游管段的流量过程线叠加，并以峰值流量作为本设计管段的设计流量。

28、进一步的，inp文件的创建，具体操作为：

29、1)基于gdal开发技术依据定线管网坐标信息构建管网矢量化拓扑结构，并将设计结果(编号、管径、坡度和高程等)同步写入属性表中，将检查井、出水口和管段分别输出为.shp格式文件，并分别命名为检查井.shp、出水口.shp和管段.shp。

30、2)将管段.shp、检查井.shp、出水口.shp和雨水口入流过程线等信息写入inp文件，用于swmm动态链接库的调用模拟。

31、本发明有益效果主要体现在：

32、1.通过径流系数与指数法结合的方式计算地表产流过程、采用等流时线法计算地表汇流过程，可以较好的实现设计条件的等价，保障了模型应用的可靠性；

33、2.采用运动波法模拟管段汇流过程，与雨水管渠实际流态更加吻合，有助于提高雨水管网设计精度；

34、3.基于swmm和gdal开发技术，提出了雨水管段设计流量自动计算框架，可以实现运动波模拟的雨水管网设计流程，操作简单，避免了人工演算的复杂，提高工作效率。

技术特征：

1.一种基于运动波模拟的雨水管网设计计算方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤2的具体操作为：

3.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤3的具体操作为：

4.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤4中确定雨水管段的设计流量的具体操作为：

技术总结
一种基于运动波模拟的雨水管网设计计算方法，属于城市雨水管网与水力模型技术交叉领域。该方法采用径流系数与φ指数法结合的方式模拟地表产流过程，并与等流时线法耦合，完成雨水口入流过程线的计算；基于SWMM二次开发，调用SWMM运动波模块模拟管段汇流过程，并读取模拟结果；以流量过程线计算为核心，自上游管段开始，将设计管段的雨水口入流过程线和与之相连的上游管段流量过程线叠加，并以峰值作为该管段的设计流量；基于GDAL开发技术，采用传统水力设计方法，实现管网自上而下的逐段设计。本发明通过运动波计算管段汇水，考虑了整个流量过程的演算，更切近雨水管网实际流态，提高了雨水管网的设计精度。

技术研发人员：吴珊,赵玉杰,王昊
受保护的技术使用者：北京工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/11