基于USRAMS模型的管网排水能力评估

基于USRAMS模型的管网排水能力评估

冯萌萌

山东龙建设计有限公司山东寿光262700

摘要：本文系统介绍了USRAMS模型，包含USRAMS模型基本功能、管网水力模型构建、设计降雨过程线构建，并依托USRAMS模型对管网排水能力进行了评估分析。可以为城市管网排水能力评估工作提供一定的参考价值

关键词：排水能力评估；USRAMS模型

近年来，由于极端天气频发，城市化进程加快，我国城市内涝日益严重，造成了巨大的生命财产损失，灾害的影响范围和程度进一步扩大，严重制约了我国经济的健康发展。城市内涝是一种非常昂贵的自然灾害。为解决城市内涝问题，党中央、国务院高度重视。为加强城市排水防涝体系建设，2013年03月25日，国务院办公厅颁布《关于做好城市排水防涝设施建设工作通知》（国办发[2013]23号），通知要求“建成较为完善的城市排水防涝工程体系”。

城市内涝风险分析模型系统（USRAMS）是由北京工业大学给排水系统研究院自主开发的。开发了嵌入式构件库ArcGIS。目前主流的地理地图数据管理平台ArcGIS作为底层数据库的管理系统，底层数据库系统采用MicrosoftAccess数据库。USRAMS采用目前国内常用的SWMM模型作为维修网络模型水力计算的介绍，在此基础上增加了等流量时间线模块。该软件更符合我国的实际情况。在二维地面洪水计算中，采用了自行开发的水淹计算指南。基于路径跟踪和水平衡原理，对二维地表水驱进行了模拟分析。USRAMS充分利用了ArcGIS的数据处理功能，可以借鉴ArcGIS对管理网络模型的基础数据进行处理。

1.USRAMS产汇流模型

SWMM采用损失前损失法和非线性水库模型模拟了地表产流和汇流过程。非线性储层模型是一种基于非线性运动波的物理泛化模型，所有参数都具有非常实际的物理意义。国外采用非线性水库进行设计方案审查时，水库参数有相应的规定。由于我国缺乏相应的初步研究，高层次的物理仿真模型难以应用。除线性水库模型外，还可以采用等时线法和瞬时单位线法模拟地表产流和汇流过程。将推理公式法应用于我国雨水管网设计中。其主要设计参数为径流系数和汇水时间。相应的计算方法为等流线法。USRAMS在SWMM计算引擎中增加了等时模块，很好地适应了我国的实际情况。它不仅可以用非线性水库模型计算地表产流和汇流过程，还可以用等时线法计算地表产流和汇流过程。等时线法从物理角度揭示了流域水文特征具有“记忆”功能，降雨与径流的关系可用卷积积分法表示。

2.USRAMS基本功能

USRAMS使用中文界面，并具有友好的操作界面。USRAMS的基本功能包括：编辑和查看模型的基础数据（降雨数据、管网数据、汇水面积数据）、数据检查、上下游跟踪、查看管网纵断面、绘制主题地图、数据导出和集成ARCGIS的缩放、移动和查询等基本功能。USRAMS主要采用ARCGIS和ADTABLE转换来完成模型数据的处理。它还可以在USRAMS中编辑和查看模型数据。软件提供了雨量编辑器、进水编辑器、储罐容量编辑器、泵性能曲线编辑器等，为了保证模型数据的质量，USRAMS提供了多种数据检查功能和网络拓扑关系。检查模型数据的完整性、模型参数和合理性。包括异常值检查、管道反坡检查、管道错位检查、节点高程检查、现场缺失检查、管网拓扑检查、参数合理性检查。它不仅节省了人力物力资源，而且提高了数据检查的效率和准确性。上游跟踪功能可以快速选择与指定节点连接的所有上游管线，并以突出显示的形式显示。下游跟踪功能可以快速选择指向节点和下游节点之间的管道，并以突出显示的形式显示。通过上下游分析，可以分析管网的连通性，查看管道走向。通过纵断面的绘制功能，可以看到管道纵断面，了解管道敷设情况。USRAMS可以绘制各种专题地图，包括管道填充度、管道过载能力、管道瓶颈分析、节点洪水量、管道流向和最大洪水结果等专题地图。该软件不仅可以自动绘制各种主题地图，还可以根据用户的需要定制渐变主题地图。在一维管网合流模型的模拟计算中，USRAMS采用与SWMM相同的计算方法，选择恒流、运动波和动态波来模拟管网合流过程。USRAMS模拟计算了不同重现期（如1年、2年、5年等）的管网模型，并计算了最大值，并根据管道填充程度绘制了重现期下结果的专题图。最后，根据该模型的计算结果，对管网的排水能力进行了评价。

3.管网水力模型构建

管网基础数据是建立排水管网水力模型的基础。排水管网水力模型的建立过程也是管网的基础数据处理过程。管网基础数据的处理是整个排水管网水力模型构建和分析的主要内容。时间。管网基础数据主要包括检查井、管道、水泵、水池、排水口、集水区等，其中检查井、排水口、水池为点层，管道、水泵为线层，集水区为面层。

4.设计降雨过程线构建

目前国内在进行排水管网排水能力评估时，一般使用120min或180min的芝加哥雨型。各情景模拟计算步骤如下：

（1）收集基础资料包括降雨资料，管网资料等并通过ArcGIS构建一维管网模型，利用USRAMS的数据检查功能对数据进行检查保证数据准确性；

（2）利用构建芝加哥生成器结合沧州市暴雨强度公式生成芝加哥雨型，取合理的雨峰系数、降雨历时、分别生成重现期为0.5年，1年，2年，3年的芝加哥雨型；

（3）分别进行重现期0.5年，1年，2年，3年情景下的模拟计算，地表产汇流模型选择等流时线法，管网汇流模型选择动力波，模拟时间取3h，时间步长取10s，根据模型结果得到管网最大充满度，并绘制最大充满度结果主体图。

5.现状排水管网排水能力分析

由充满度主体图取随着重现期的提高充满度为1的管段不断增加。根据各重现期的模拟结果，以管段的满流状态（充满度为1）作为管段排水能力划分标准，可划分为五个标准区间，分别为重现期小于0.5年，大于等于0.5年小于1年，大于等于1年小于2年，大于等于2年小于3年，大于等于3年。管段排水能力标准划分如图3-9所示，各标准区间的管长与所占比例如表3-2所示

6.瓶颈管段分析

超载指在重力流管路系统中，雨水或污水管道处于满管压力流状态，但并未发生节点溢流的水力现象。管段超载一般表现为两种形式；

（1）由于管道水力坡度小于管道底坡，此时管道实际过流能力小于正常满流设计流量，故该类型的超载现象是由于管段下游的水位顶托现象引起的。

（2），管道水力坡度大于管道底坡，此时管道的真时过流能力已经大于管道正常满流设计流量，该类型的管段超载现象可归结为管段本身过流能力不足。

对于受下游水位顶托的管段，首先考虑改善管段下游的水力条件，减少顶托现象。对于本身过流能力不足的管段，则需通过增大管径或坡度提高过流能力，或在管段上游增加调蓄池减小管段压力。将本身过流能力不足的管段称为瓶颈管段，以重现期为0.5年的情景为例，通过模型分析指出瓶颈管段位置。

参考文献：

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[4]周玉文,孟昭鲁,王民.城市雨水口流域等流时线法降雨径流模拟模型[J].沈阳建筑工程学院学报,1994(04):339-344.