排水管网系统是重要的城市基础设施,担负着收集和输送城市污水和城市降雨、融雪产生的径流的任务,具有保护环境和城市减灾双重功能^[1] 。我国传统的雨水管网设计应用恒定均匀流推理公式法,该方法假设降雨在整个汇水面积上的分布是均匀的、降雨强度在选定的降雨时段内均匀不变、汇水面积随集流时间增长的速度为常数,在特定条件下的推理公式法应用简单,并且容易理解公式所包含的内涵,但是实际降雨在时空分布上具有不均匀性,地表汇流过程相当复杂,并且推理公式法不能计算流量过程线,这对雨水管网系统设计的可靠性和在空间与时间上的应用范围有很大影响,当应用于较大规模排水系统的设计计算时会产生较大的误差^[1,2,3] 。现行《室外排水设计规范》(GB 50014-2006,2014年版)3.2.1条中要求当汇水面积超过2km²时,宜考虑降雨在时空分布的不均匀性和管网汇流过程,采用数学模型法计算雨水设计流量^[2] 。

　　 在采用数学模型法进行雨水管网计算时,应实现管网模型参数的“设计条件等价”^[4] 。文献[4] 提出了基于SWMM的产汇流参数等价处理方法。采用推理公式法计算雨水设计流量的设计参数主要包括汇水区的径流系数和汇水时间,和其相对应的计算方法是等流时线法,因此在模型中通过应用等流时线法可实现模型参数和时间条件的等价^[3] 。US-RAMS(Urban StormWater Risk Analysis Modeling System)模型软件的地表产汇流模块即是应用等流时线法计算汇水区的出流流量过程线并将其作为检查井的入流流量过程线进行后续的管网汇流模拟计算。为了分析城市雨水管网的排水能力,本文提出了应用USRAMS模型软件对雨水管网进行模拟分析的方法。

　　 USRAMS(城市内涝风险分析模型系统)是由北京工业大学给排水系统研究室自主开发的模型软件。USRAMS水力模型计算包括排水管网模型模拟计算部分和二维内涝淹水模拟计算部分,软件采用ArcGIS提供的嵌入式组件库ArcEngine进行开发,以地理信息系统ArcGIS作为基础层数据管理平台,以Microsoft Office Access作为基础层数据库系统,通过调用SWMM计算引擎并增加等流时线法进行一维水力模型模拟计算,通过调用自主开发的内涝淹水计算引擎基于水量平衡原理进行二维内涝模拟计算与分析^[3] ,系统整体架构如图1所示,模型计算过程包括降雨过程、地表产汇流过程、管网汇流过程和内涝淹水模拟计算过程。

　　 基于USRAMS模型软件分析雨水管网排水能力的步骤如图2所示,主要包括以下步骤:

　　 (1)根据雨水管网数据存储情况构建USRAMS雨水管网模型数据库及管网矢量拓扑结构。

　　 (2)构建模型区域不同重现期芝加哥降雨雨型。

　　 (3)对USRAMS模型进行相关的模型设置。

　　 (4)对管网模型进行不同重现期的模拟计算。

　　 (5)分析模型结果,评估管网排水能力。

　　 USRAMS管网模型数据层包括检查井、管段、泵、水池、出水口和汇水区,其中汇水区数据层的径流系数和汇水时间字段的参数是应用等流时线法计算时所需参数。汇水区的划分对模型计算结果影响较大,现状汇水区的划分,通过泰森多边形法进行划分,或者通过ArcGIS的空间统计与图层叠加工具进行划分;对于规划情景,则将规划汇水分区直接进行GIS转换。

　　 USRAMS管网模型的构建首先在GIS平台将管网图形数据和属性数据录入到相应的数据层和相应的属性字段,然后通过USRAMS的数据检查模块进行管道逆坡、管段错位等数据检查,根据数据检查结果对模型数据进行相应的调整,从而完成US-RAMS雨水管网模型的矢量拓扑结构及模型数据库的构建。

　　 模型区域暴雨强度公式如式(2)所示^[2] (式中参数意义略),USRAMS模型系统芝加哥雨型生成模块如图3所示,在芝加哥雨型生成模块中设置建模地区的暴雨强度公式基础参数A、C、b、n和P(重现期)、t(降雨历时)、r(峰值比例)及T(输出时间间隔),构建不同重现期的芝加哥降雨过程线。在应用等流时线法进行地表产汇流模型计算时已经输入了径流系数,因此在生成芝加哥雨型时,将是否采用径流系数设置为默认值1。

　　 在完成模型数据转换与处理后,需要在US-RAMS平台进行一维管网模型的相关设置,包括泵曲线设置、水池曲线设置、时间序列设置、降雨设置和模拟选项设置。

　　 基于USRAMS的管网模型运行模块执行不同重现期情景的管网模型模拟计算,重现期的选取根据建模区域的实际情况确定,如选取的重现期分别为1年、2年、3年和5年,地表产汇流模型选择等流时线法,管段汇流模型选择动力波。模拟完成后通过USRAMS的最大值统计功能统计模型计算结果的最大值,管段的最大充满度结果即自动统计在管段数据层的最大充满度字段中。

　　 管段的排水能力标准划分以最大充满度为依据,以选取的重现期为1年、2年、3年和5年为例,如表1所示。在5年重现期的模拟情景结果中,管段最大充满度<1的,其重现期标准为>5年,最大充满度=1的,其重现期标准为≤5年;在3年重现期的模拟情景结果中,对于上述重现期标准为≤5年的管段,管段最大充满度<1的,其3年<重现期标准≤5年,管段最大充满度=1的,其重现期标准为≤3年;在2年重现期的模拟情景结果中,对于上述重现期标准为≤3年的管段,管段最大充满度<1的,其>2年重现期标准≤3年,管段最大充满度=1的,其重现期标准为≤2年;在1年重现期的模拟情景结果中,对于上述重现期标准为≤2年的管段,管段最大充满度<1的,其1年<重现期标准≤2年,管段最大充满度=1的,其重现期标准为≤1年。由此,可将模拟区域的雨水管网划分为重现期P>5年、3年<P≤5年、2年<P≤3年、1年<P≤2年和P≤1年5五个排水能力标准区间。

　　 以哈尔滨市五道街流域现状雨水管网为例,五道街流域位于哈尔滨市江南主城区沿江汇水区排水分区,地势南高北低,管网系统的受纳水体为松花江。五道街流域总面积435.6hm²,现状雨水检查井共1 409个,管网系统总长度45.43km,区域综合径流系数取0.65,汇水时间15min。

　　 五道街流域现状管网模型数据来源于哈尔滨市现状管网ArcGIS数据库,五道街流域USRAMS现状管网模型的构建只需将现状GIS数据库五道街区域数据导出并将其输入到USRAMS管网模型各数据层与各属性字段,然后运用USRAMS的数据检查模块进行相关数据检查,从而完成管网模型的构建。汇水区的划分通过GIS采用泰森多边形法进行划分,通过对现状用地下垫面类型进行统计分析确定区域径流系数取0.65,汇水时间按统一值取为15min。五道街流域现状管网模型系统如图4所示。

　　 根据哈尔滨市暴雨强度公式,利用USRAMS芝加哥雨型生成器分别计算生成总历时为120min,雨峰系数为0.5,重现期分别为1年(降雨量29.4mm)、2年(降雨量37.8mm)、3年(降雨量42.7mm)和5年(降雨量48.9mm)的芝加哥降雨雨型。

　　 在USRAMS平台设置泵曲线为流量(L/s)-扬程(m)曲线,输入泵站的流量-扬程参数,设置水池曲线为TABULAR曲线,输入水池深度(m)-面积(m²)参数。在管网模型运行模块中设定地表产汇流模型为等流时线法,管网汇流模型为动力波法,考虑到降雨在管道中的汇流时间和退水时间,模拟时间设定为6h,计算时间步长30s,报告时间步长5min。

　　 在USRAMS中分别进行重现期为1年、2年、3年和5年的模拟计算,然后统计各重现期下管段最大充满度结果,根据最大充满度结果绘制各重现期的结果主题示意如图5所示。

　　 根据图5可知,在1年重现期降雨情景下,多数管段的最大充满度已经达到1,随着重现期的提高,最大充满度为1的管段数量在不断增加。根据各重现期管段最大充满度结果,按照2.4节所述方法划分管段的排水能力标准区间分布情况如图6所示。

　　 在各个排水能力标准区间的管段长度和其所占比例如表2所示。

　　 由图6和表2的结果可知,若考虑五道街流域雨水管网设计重现期为2年,则约70.36%的管段未达到设计标准,在规划改造时,因首先考虑标准区间在P≤1年和1年<P≤2年的管段。

　　 USRAMS模型软件的管网模型运行模块通过等流时线法计算地表产汇流然后参与后续管网计算,实现了模型参数与基于推理公式法设计雨水流量的设计条件等价。本文论述了基于USRAMS模型软件分析城市雨水管网排水能力的方法,通过构建US-RAMS雨水管网模型,进行不同重现期情景下的模拟计算,根据管段最大充满度结果将管段划分为不同的排水能力标准区间,评估管段的排水能力,确定不达标管段,为规划改造或规划设计提供依据。