摘要通過計算機技術模擬排水管網系統在不同條件下的運行狀況，獲得各種降雨工況下，各設計斷面水位、流速及流量隨時間變化的過程線，實現管網系統真實工況模擬、查找系統超負荷管段和瓶頸點，科學分析城市積水原因，為城市排水系統規劃方案調整、優化和管理、改造提供科學依據和理論指導。以香港荃灣、葵涌地區排水系統改造為例，介紹了英國WallingfordSoftware公司開發的InfoWorkCS在城市排水系統水力負荷評估中的應用。
　　關鍵詞：排水管網；水力模型；模擬分析；
　　城市雨水排水系統是城市重要的基礎設施，擔負著收集、輸送地面徑流的重任。對城市排水系統進行模擬，可以系統地評估城市排水系統水力、水量及水質負荷狀況，為城市排水系統規劃、改造和建設提供理論性指導，同時為城市排水管網的投資建設提供投資估算依據。本文以香港荃灣、葵涌地區雨水排水系統改造工程為例，介紹InfoWorkCS在城市雨水排水管網水力負荷評估中的應用。
　　1 InfoWorkCS模型概述：
　　InfoWorkCS是英國WallingfordSoftware公司開發的城市水文模擬軟件，主要應于城市排水管道系統的規劃、確定和調整符合成本效益的排水設施改進方案和排水管網的運營管理，城市水浸與污染預報、水質和管網中沉積物輸移模擬。
　　InfoWorkCS是一種非恒定流模擬分析軟件，對管網系統的水力負荷、水量及水質進行模擬分析。通過InfoWork模擬某一排水區域的水力狀態，能真實反映降雨過程中，系統各斷面的水位、流速、積水和流量的時間變化過程，直觀地演示徑流對管網的影響，并確定管網中的薄弱點。
　　2 水力模型的建立：
　　2.1 首先通過InfoWork數據庫管理確定管網模型數據、模擬結果存貯的路徑。
　　2.2 管網概化及建模方式：
　　• 直接在InfoWorkExplorer創建管網模型數據庫：從已有的CAD圖層中提取研究區域管網數據信息，包括代表管道圖形要素的空間位置、管道長度、流向、管徑、檢查井位置及地面標高；
　　• 由其他系統轉換輸入，包括：GIS、CSV、外部數據庫、HydroWorks文件等。
　　2.3 水力模型組成：包括管網系統與地表徑流系統；其中地表徑流系統是將研究區域內街道作為該系統的管道，其尺寸定義為：街道寬度x2000mm。
　　3 城市排水系統的InfoWork水力負荷模擬分析
　　本文以香港九龍的荃灣、葵涌地區為研究范圍，利用InfoWork對現狀排水系統、改造后排水系統的水力模擬分析，全面了解系統改造后，該區域水浸情況的改善情況，展示了該模擬軟件的區域排水分析計算功能，同時也描述該模擬軟件對城市排水系統直觀的模擬分析過程。
　　3.1 項目簡介
　　香港平均年降雨量約為2,200mm，雨量時空分布不一，夏季常受短暫、極端的暴雨襲擊，在高潮位、風暴潮和熱帶氣旋的同時夾擊下，易引起洪水泛濫。
　　荃灣、葵涌位于香港九龍，東、北兩面由東至西被大帽山、下花山半包圍，西、南兩面臨海。該區域雨水排水系統的建設年限較早，隨著該區的不斷發展，不滲水地面不斷增大，區內排水系統已不勝負荷，暴雨時期，受東、北面山洪和西、南兩面藍巴勒海峽潮水的共同影響，常出現水浸。1999年“荃灣、葵涌和青衣排水系統總體規劃研究”結果顯示，該地區排水系統不能滿足目前一般的防洪標準①，提出了一系列排水系統改善的建議，其中包括荃灣和葵涌的防洪隧道雨水排放改善計劃。通過在荃灣北面半山區由東至西建造地下雨水隧道，截取山上高處地面徑流后，排入藍巴勒海峽，以減輕該地區水浸危害，改善現有排水系統下游排水狀況，實現下游排水主干管的防洪標準提高至200年的水平，減小下游地區經濟損失。
　　3.2 模擬分析前的準備工作
　　3.2.1 數據庫更新：根據最新資料，如竣工圖、設計變更、施工圖、改造資料、勘測數據等資料更新管網數據庫，以確保所采用的數據庫與實際情況一致。
　　3.2.2 劃分匯水面積：根據地形條件，劃分每個節點接收的匯水面積，將其輸入管網模型集水區面積數據表中，以表明每個檢查井收集的匯水面積大小。
　　3.3 參數確定：根據本工程特點和香港相關規范要求，確定降雨工況、影響降雨徑流量及水浸水量的下列參數：設計重現期、暴雨強度、潮位、管道粗糙度、管道沉積物高度、徑流系數、地表徑流通道高度、土地利用指數、土壤指數、降雨歷時、模擬運行時間、水頭損失類型、檢查井貯水量、體積平衡量及體積平衡因子。
　　3.3.1 設計重現期及相應的暴雨強度曲線①②：
　　
　　3.3.2 設計潮位：根據藍巴勒海峽多年潮位觀測資料，本工程選擇+2.5mPD③；
　　3.3.3 管道中沉積物高度的確定：
　　• 坡度＜1:25的管、渠，取減小10%管段截面積相應的高度為該管段的沉積物高度；
　　• 坡度＞1:25的管、渠，取減小5%管段截面積相應的高度為該管段的沉積物高度。
　　3.3.4 模擬運行時間：240min。根據管網系統大小確定，以保證峰值徑流率出現在模擬運行時間內。
　　3.3.5 土地屬性提取：定義研究區域內各種地面類型、徑流特征并賦予相應的參數。
　　4 拓樸檢查及修正：應用InfoWorkCS的Validation對管網內管段連接關系、地面標高、管底標高關系等進行檢查。
　　5 模擬結果分析：
　　通過平面視窗、縱斷面、計算表格、時變圖等互動視窗察看、分析各管段、檢查井在降雨過程的流量、流速、水位、水力坡度、地面積水情況及各水力參數的過程變化線。采用GIS對模型輸出結果進行統計分析，評價研究區域的水力學影響。以下為編號為29252714的管段及檢查井在200年設計重現期的水力模擬結果。
　　5.1 管段水力模擬結果
　　
　　流量過程線流速過程線
　　5.2 檢查井水力模擬結果
　　
　　井內水位井內水量
　　5.3 雨水排水系統改造前后積水深度變化
　　
　　改造前改造后
　　
　　6 通過對城市排水管網的水力模擬，可以全面、直觀地反映排水管網的網絡特征與上下游關系，可以得出某一降雨強度下發生地面積水冒溢點，及時掌握管網排水負荷和運行狀況的變化；水力模型技術的應用能大大提高排水管網管理和維護次序，為排水管網診斷、維護、改造、分析和評價提供可靠的方法，避免主觀判斷與簡單推理，提高分析決策水平。
　　參考文獻：
　　1. HighwaysDepartmentofHongKong.RoadNote6–RoadPavementDrainage.Research&DevelopmentDivisionRD/RN/0064thMay1994.
　　2. DrainageServicesDepartmentofHongKong.StormwaterDrainageManual–Planning,DesignandManagement.ThirdEdition,December2000.
　　3. StormDrainageMasterPlanStudyinTsuenWan,KwaiChungandTsingYi.AgreementNo.10/96,November2001

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