應(yīng)用數(shù)學(xué)模型了解城市雨水管道排水能力，你了解這項(xiàng)技術(shù)嗎？來(lái)自悉地（蘇州）勘察設(shè)計(jì)顧問(wèn)有限公司的錢(qián)海平、陸敏博等人通過(guò)對(duì)出流方式、地面集水時(shí)間、管道淤積等影響因素進(jìn)行深入分析，得出影響管道排水能力的主要因素。這樣便可以為城市的管道排查、設(shè)計(jì)及改造提供借鑒。
蘇州是典型的江南水鄉(xiāng)城市，河網(wǎng)密布。排水設(shè)計(jì)原則是分散就近排入水體，單個(gè)出水口對(duì)應(yīng)的匯水面積一般為5~15 ha。選取10 ha（0.1km2）區(qū)域?yàn)檠芯繉?duì)象，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)按照蘇州暴雨強(qiáng)度老公式（1981年頒布）1年1遇，按照《室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范》，管道設(shè)計(jì)時(shí)徑流系數(shù)取0.60，地面集水時(shí)間t1取10 min，折減系數(shù)m取2，地面高程范圍為2.4~3.0 m，道路最低點(diǎn)保證1.5 m的覆土厚度。為研究地面集水時(shí)間對(duì)管道排水能力影響，匯水區(qū)域考慮三種形式：A（250 m×400 m），B（125 m×800 m），C（500 m×200m），如圖1所示。
圖1 匯水區(qū)域示意圖
將設(shè)計(jì)好的排水系統(tǒng)在InfoWorks ICM中建模。蘇州古城區(qū)內(nèi)現(xiàn)狀雨水管道從設(shè)計(jì)的角度大都不達(dá)標(biāo)，但是城區(qū)積水情況并不嚴(yán)重，說(shuō)明“設(shè)計(jì)能力”與“實(shí)際能力”存在一定的偏差。本文主要關(guān)注各種因素對(duì)管道排水能力的影響，蘇州暴雨強(qiáng)度新公式（2011年頒布）更符合當(dāng)前降雨情況，故選用新暴雨強(qiáng)度公式芝加哥雨型（雨峰系數(shù)r取值0.4）對(duì)設(shè)計(jì)管網(wǎng)進(jìn)行評(píng)估，模型參數(shù)選用經(jīng)蘇州排水防澇模型率定后的數(shù)據(jù)。匯流模型選用偏城市的SWMM，匯流參數(shù)取值0.01，固定徑流系數(shù)取值0.7。設(shè)計(jì)管道如圖2所示。
圖2 管道縱剖面圖
匯水區(qū)域選用A，降雨雨型選用蘇州暴雨強(qiáng)度新公式（3年1遇降雨），河道水位設(shè)置從-0.2~1.5 m，研究不同出流方式對(duì)管道排水能力的影響，結(jié)果如圖3所示。
圖3 河道水位對(duì)管道排水能力影響
由圖3可知，出流方式對(duì)管道排水能力影響顯著。河道水位上漲造成下游頂托，從而降低了管道可以達(dá)到的最大水力坡度值，造成管道排水不暢。
匯水區(qū)域分別選用A、B、C，降雨雨型選用蘇州暴雨強(qiáng)度新公式（1年1遇至5年1遇降雨），河道水位為1.0 m，研究地面集水時(shí)間對(duì)管道排水能力影響，結(jié)果如表1所示。
表1 地面集水時(shí)間對(duì)管道排水能力影響
由表1可知，雖然同樣都是10 ha（0.1km2）區(qū)域、同一設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，但由于區(qū)域形狀不同，計(jì)算結(jié)果存在著一定的偏差。主要是地面集水時(shí)間影響，忽略地形因素，A和C全區(qū)域匯流時(shí)間要＞B，而設(shè)計(jì)地面集水時(shí)間均取10 min，造成B設(shè)計(jì)管道相對(duì)于A和C偏小。
匯水區(qū)域選用A，降雨雨型選用蘇州暴雨強(qiáng)度新公式（2年1遇降雨），河道水位為1.2 m，研究管道逆坡對(duì)管道排水能力影響，結(jié)果如圖4和圖5所示。
由圖4和圖5可知，管道逆坡對(duì)管網(wǎng)的過(guò)流能力影響不大。因?yàn)樵趬毫α髑闆r下，逆坡并沒(méi)有改變管道的水力坡度，也沒(méi)有對(duì)其過(guò)流斷面和糙率產(chǎn)生影響，故管道逆坡對(duì)管網(wǎng)過(guò)流能力影響不大。
匯水區(qū)域選用A，降雨雨型選用蘇州暴雨強(qiáng)度新公式（2年1遇降雨），河道水位為1.0 m，研究管道逆坡對(duì)管道排水能力影響，結(jié)果如圖6和圖7所示。
圖7 管道淤積
由圖6和圖7可知，管道淤積對(duì)其過(guò)流能力影響顯著。管網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中發(fā)生的淤積現(xiàn)象，一方面減小了管道過(guò)流能力，另一方面加大管道糙率。過(guò)流斷面縮小，水力坡度增長(zhǎng)的更快，造成了管網(wǎng)部分檢查井冒溢。
匯水區(qū)域選用A，降雨雨型選用蘇州暴雨強(qiáng)度新公式（2年1遇降雨），河道水位為1.2 m，研究大管套小管對(duì)管道排水能力影響，結(jié)果如圖8和圖9所示。
圖8 設(shè)計(jì)管道 圖9 大管套小管
由圖8和圖9可知，大管套小管對(duì)管網(wǎng)排水能力影響顯著。因?yàn)椤靶」堋睖p小了管道的過(guò)流斷面，在排水過(guò)程中為了保證水量平衡，“小管”需要更大的水力坡度，從而造成地面積水。
（1）壓力流狀態(tài)下管道實(shí)際排水能力要比設(shè)計(jì)狀態(tài)大的多。當(dāng)管道形成壓力流時(shí)，其排水能力依然可以按照曼寧公式計(jì)算，只是此時(shí)坡度不再是管道的敷設(shè)坡度，而是其實(shí)際的水力坡度。如圖8中的末端管，設(shè)計(jì)管徑為d1000，坡度為1‰，但此時(shí)的水力坡度為4.6‰，實(shí)際過(guò)流能力相對(duì)于設(shè)計(jì)提升107%，達(dá)到1 574.8 L/s。這就解釋了為什么蘇州古城區(qū)管道核算出來(lái)只有新公式的0.5年一遇，積水情況卻不嚴(yán)重。
（2）當(dāng)管道形成壓力流時(shí)，此時(shí)管道過(guò)流能力主要受過(guò)流斷面面積和水力坡度大小這兩個(gè)因素影響。管道逆坡并沒(méi)有影響管道的過(guò)流斷面和水力坡度，故其對(duì)管道排水能力影響不大；出流方式影響的是水力坡度的增長(zhǎng)空間，從而對(duì)管道排水能力有較大的影響；地面集水時(shí)間的取值和大管套小管影響的是管道過(guò)流斷面的大小，其對(duì)管道排水能力有較大的影響；管道淤積既減小了其過(guò)流斷面，又增大了管道糙率，從而對(duì)管道排水能力產(chǎn)生了顯著的影響。
（3）由此可見(jiàn)，城市排水管網(wǎng)建設(shè)應(yīng)全方位考慮，管道設(shè)計(jì)應(yīng)充分了解區(qū)域情況，最好采用模型工具對(duì)設(shè)計(jì)管道進(jìn)行校核；狠抓管道施工質(zhì)量，避免發(fā)生大管套小管等現(xiàn)象；更應(yīng)重視管道養(yǎng)護(hù)管理，定期對(duì)管道清通。另一方面，城市排水是一個(gè)系統(tǒng)工程，當(dāng)下游水位達(dá)到一定高度時(shí)，此時(shí)再增大管徑對(duì)其排水能力也不會(huì)有多大的影響，反之若下游排水口排水順暢，則其排水能力大大增強(qiáng)，一般不會(huì)積水，即使局部區(qū)域積水，其持續(xù)時(shí)間也不會(huì)太長(zhǎng)。
（1）壓力流情況下，管道排水能力主要受水力坡度、過(guò)流斷面和糙率的影響，其中出流方式對(duì)水力坡度影響顯著，管道淤積和大管套小管則影響了管網(wǎng)的過(guò)流斷面。
（2）管道逆坡對(duì)管網(wǎng)排水能力影響不大，而管道淤積對(duì)管網(wǎng)排水能力危害較大，建議定期對(duì)管網(wǎng)進(jìn)行清通維護(hù)。
（3）采用推理公式計(jì)算管道管徑時(shí)，應(yīng)重視地面集水時(shí)間“t1”的取值，若遇到地形復(fù)雜區(qū)域，建議使用模型工具對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行校核。
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