排水管网地理信息系统（九）——雨洪利用方案设计与评估

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数字排水（Digital Water）模块九：雨洪利用设计与评估

摘要：合理的雨洪利用工程建设是减轻城市汛期防洪压力、缓解城市水资源紧缺、改善城市水环境的重要措施。近年来，我国许多城市都在开展雨洪利用的相关研究与应用。但由于雨洪利用工程通常设计复杂，对区域水环境影响较大，实施后的效果无法准确预测，因此总体而言，我国各大城市的雨洪利用仍处于局部试验阶段。基于第四代管网管理技术的数字排水（DigitalWater）平台，可以将气象、地质、土地利用等多方面因素综合考虑，进行雨洪利用工程的设计；并可以对各种城市雨洪利用措施进行模拟分析，辅助工程设计人员进行多种雨洪利用方案的设计、评估与综合比选，有效提高了雨洪利用工程设计的科学化和系统化水平。 关键词：数字排水；DigitalWater；雨洪利用；设计；评估 1 前言 我国城市水资源总体形势十分严峻，特别在城市化迅速发展的进程中，随着人口膨胀和工业的发展，生活用水和工业用水需求攀升，而城市水质却在不断恶化，导致多数城市资源型缺水和水质性缺水的问题日益突出。在城市缺水日趋严重的同时，城市化的发展使不透水地表面积快速增加，改变了天然降雨径流的规律，增加了城市地表径流的产生量，部分城市汛期暴雨积水严重，甚至造成交通瘫痪，严重影响居民正常的生产生活并造成巨大的经济损失，防洪排涝的任务非常繁重。 如果能够实现城市雨洪的科学利用，不仅可以增加城市水资源量、补充地下水，还可降低防洪排水压力、保障安全度汛。近年来，我国城市雨水利用研究与应用发展迅速，北京局部地区已经开始推广应用，许多其他城市也在开展相关的研究。城市雨洪利用采取工程性和非工程性措施人为干扰城市区域的降雨径流水循环过程，从源头上减少城市地表径流的产生，是具有降低排水系统的压力、增加城市水资源、改善城市水环境等多重效果的一项系统工程，不仅有巨大的生态效益和社会效益，而且还有可观的经济效益。 雨洪利用的实质是对水资源进行合理的空间和时间上的存储或调度，由于涉及到气象、水文、地质等多种影响因素，规划设计通常较为复杂。此外，雨洪利用措施的实施对于区域水环境和城市排水系统影响较大，而目前缺乏雨洪利用设施的评价方法和预测手段，无法科学分析雨洪利用措施的实施效果。雨洪利用作为一项系统工程，一次性投资较大，在缺乏有力的技术手段的情况下，方案设计过程较为复杂繁琐而且无法科学评估实施效果，所以我国各大城市的雨洪利用仍处于起步阶段，未得到有效的推广实施。 数字排水（DigitalWater）平台将地理信息系统（GIS）和专业的排水管网水力水质计算模型相结合，为雨洪利用工程的设计与评估提供了技术平台。在该平台中将气象、地质、土地利用等多方面数据进行集成管理，在一个统一的平台下实现数据收集、空间分析、规划制定、方案设计与评估等功能，利用该平台可以对城市雨洪利用措施进行模拟分析，辅助工程师进行各种规模的城市雨洪利用方案的设计与评估，全面提升城市雨洪利用的科学化和系统化水平。

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2 应用示例 雨洪利用措施的实施可以为城市开发新的水资源、减轻城市排水系统的压力、降低洪涝灾害的发生风险。利用数字排水（DigitalWater）平台可以实现城市雨洪利用设计的科学化和系统化，推动城市雨洪利用的广泛应用。下面以某市一个典型居民小区的雨洪利用为例介绍应用数字排水平台（DigitalWater）进行雨洪利用方案设计与评估的基本方法。 2.1 设计典型降雨过程 衡量和评估城市防洪能力、设计雨洪利用方案需要有大量降雨数据的支持。国内外研究表明不同降雨量和降雨特征对于城市雨水排除系统的冲击有所不同。因此，在实际降雨数据获取难度大的情况下，根据降雨强度公式生成典型的能代表当地降雨特征的不同重现期、不同雨峰系数和不同类型的降雨是评估城市防洪能力、设计雨洪利用方案的前提条件。 为了快速生成不同的降雨情景，提高工作效率，数字排水（DigitalWater）平台设计开发了降雨过程生成器，可利用暴雨强度公式快速生成不同重现期、不同雨峰系数和不同类型的降雨。在生成设计暴雨时，用户只需输入图1左侧的降雨强度公式中的系数（可通过城市排水设计手册查到），选择雨峰系数和输出时间间隔，平台将自动生成设计暴雨过程的图表，同时统计此次降雨的降雨量、降雨强度等信息。图1中即为重现期5年、降雨历时2h的前锋型降雨，统计信息显示该降雨过程的平均雨强为40.57mm/hr，总降雨量为81.14mm。

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图 1利用暴雨生成器设计典型降雨过程

2.2 城市洪水风险分析 利用数字排水（DigitalWater）平台评估城市雨水排除系统的运行能力和城市发生洪水的风险，首先要利用数字排水（DigitalWater）平台的建模功能根据管网数据、GIS图层、土地利用情况等基础资料构建城市排水系统模拟模型。本示例中选取一块占地面积为5.22公顷的典型居民小区作为研究对象，该小区采用雨污分流的排水体制，图2中为构建好的该区域雨水排除系统模型。

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图 2现状洪水风险分析

为评估小区所在流域雨水管网的排水能力和暴雨时的洪水风险，需要结合区域的防洪要求和能够代表该地区降雨的典型降雨过程进行模拟分析，将以上利用暴雨生成器生成的重现期为5年的降雨时间序列输入到模型的雨量计中（在暴雨生成器中点击“生成降雨”即可实现），在数字排水（DigitalWater）平台中就可对5年一遇的暴雨情景下管网的排水状况进行模拟。 对排水管网系统进行水动力学仿真模拟并对模拟结果进行分析，以评估该小区的防洪能力。为方便用户分析模拟结果，数字排水（DigitalWater）平台开发了直观、动态的多界面显示模式，可以在同一界面内同时查看结果专题渲染图、曲线图、纵断图、报表等多种模拟结果展示形式。在本例中，模拟结果如图2所示。由主地图窗口的管线充满度专题图可知，小区内的雨水管网在降雨发生时充满度较大，特别是小区干管的充满度都在0.7以上，说明雨水管道所承载的负荷较大。由节点溢流量专题渲染图可以看到，小区内有5个检查井发生了溢流，模拟结果统计显示溢流时间长达3h，说明在重现期5年的降雨情况下，该小区内地表大量雨水无法及时排除，积水严重，将会给小区居民的正常生活带来诸多不便。 2.3 雨洪利用方案设计 城市洪水频发一方面是因为降雨过程中产生的径流量较大，另一方面是因为城市排水系统的设计标准较低导致运行能力不足，致使大量的雨水滞留在地表，既得不到利用，也无法及时排除。雨洪利用工程的设计目的就是要在充分利用水资源的同时减少地表径流进入排水管网的水量，降低城市排水系统的压力。雨洪利用的设计需考虑多方面的因素，首先要对区域周边的地形及地下管网布置进行详细调研。数字排水平台可以将多种数据集成于一个平台，并利用无极缩放功能对地图放大缩小以查看不同的信息，如：基础地形数据、地下管网数据、卫星航拍数据以及各种属性信息等。本示例中，小区内地表不透水比例为40%，主要不透水面为屋面、路面、停车场和小广场，小区内无雨水集蓄和处理设施，地表径流主要通过雨水井进入雨水管网排除，少量地表径流通过绿地下渗。除绿地部分的雨水起到了灌溉作用外，其他下垫面上的雨水径流直接排入地下管网，造成了水资源浪费和城市非点源污染。同时通过上节对雨水管网的模拟分析可知，进入雨水管网的径流量已经给雨水管网造成了过大的负荷冲击，以致检查井溢流、地面积水。所以需要采取有效措施实现该小区的雨洪利用，改善小区排水情况。 目前，修建蓄水池、铺设透水路面和增加城市绿地面积等方法是广泛应用的进行小区雨水的收集和初步处理的雨洪利用设施。因此，本例中，小区的雨洪利用方案可采用多管齐下的方式，具体设计如下：（1）城市不透水面积增加，导致暴雨径流洪峰提前，国内外对非点源污染的研究表明，不透水下垫面的增加不仅增大了暴雨径流量，而且阻止了土壤渗滤和植被吸收进行径流的净化。所以采取多种措施将小区现有的不透水地表改造为透水铺装将有效减少地表径流量、改善径流水质。通过对小区主要不透水面性质和特征的分析，决定将小区现有的道路和停车场改造为透水铺装，并增加小区绿化面积，可使小区的地表不透水率减少为30％。（2）小区内有两条雨水管网的支线，而节点溢流专题图显示5个溢流的节点都属于西侧支线的下游，说明这一分支管网给下游造成了较大影响。所以在这一分支管网与干管连接的地方可修建一个蓄水池，用来调节进入下游管网的水量。在传统的蓄水池设计中需要准确计算蓄水池上游来水量和下游可承载能力，计算过程较为繁琐。利用DigitalWater的管网仿真模拟功能，可以分析蓄水池节点的总入流水量(本例中，5年一遇暴雨情境下模拟结果为1928 m3)，然后根据该点的地下管网的三维分布，确定可行的蓄水池布置位置和初步设计规格。在不进行完全截流的设计原则下，初步设计蓄水池的容量为1500m3，结合小区地下管线的布局，设计小区蓄水池规格为300m2*5m，用于截留上游两条雨水管道的雨水。 利用数字排水（DigitalWater）平台的数据编辑功能，以上设计内容可以输入系统，并反映为模型参数的变化。修改汇水区的土地利用属性和水文属性就可以完成对小区下垫面性质和特征的修改；利用管网编辑功能可以将管网中的节点转化为蓄水池，同时设置蓄水池的尺寸等属性，完成蓄水池的设计。

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2.4 雨洪利用方案评估 利用数字排水（DigitalWater）平台对以上设计的雨洪利用方案进行模拟计算。模拟完成后，可通过专题图、纵断图、模拟结果曲线、模拟结果表以及三维视图查看雨洪利用设计方案实施后管网内的水流状况。图 3为本例中方案实施后小区附近排水管网在5年一遇降雨情景下的模拟结果分析界面（包括管道充满度专题图、蓄水池上游纵断面、蓄水池入流曲线及模拟结果动态表）。通过分析发现，本例中在重现期为5年的降雨情景下，蓄水池没有发生溢流，可以达到调蓄5年一遇降雨的能力；蓄水池的蓄水量曲线如图 3中曲线图所示。蓄水池的入水量模拟结果表显示，在重现期为5年的降雨情景下，可收集雨水1253m3；不透水面积的减少使进入雨水管网的地表径流量减少，同时蓄水池的调蓄作用减少了下游雨水管网的负荷，降低了小区发生洪涝灾害的危险，小区雨水管网中仅有一个检查井发生溢流，且溢流时间仅持续10分钟，溢流量不到1m3，不会对小区居民的正常生活造成影响；分析模拟结果中满管时间的统计数据发现，实现雨洪利用后，减少了进入下游管道的雨水量，下游管道的满流时间有所减少，在一定程度上减少了下游管网的排水负荷，降低了下游管道发生溢流的风险。通过以上分析可知，这一雨洪利用方案实现了节约水资源、城市防洪等多方面的目标。在旱季可将蓄水池内收集的雨水用于小区景观或绿地浇灌。

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图 3雨洪利用方案评估界面

3 技术路线 雨洪利用方案的设计包括洪水风险分析、蓄洪设施尺寸设计、径流管理措施制定及雨水回用等多个环节。在数字排水（DigitalWater）平台中，实现了城市雨洪利用设计与评估的流程化操作模式（见图4）：（1）首先利用基础资料构建研究区域排水管网的模拟模型，然后利用降雨生成器设计适合当地情况的典型降雨过程，并在降雨情景下模拟排水管网的运行状况，根据排水管网溢流情况评估该区域发生洪水的风险；（2）在分析区域基础资料和洪水风险的基础上结合研究区域的实际情况进行雨洪利用方案的设计，同时生成雨洪利用情景下的排水管网模拟模型；（3）在数字排水（DigitalWater）平台中进行雨洪利用方案的水动力学仿真模拟，分析模拟结果中的管网负荷、雨洪利用设施的运行情况和地表积水状况以评估该雨洪利用方案是否可行，如果没达到预期的目标，则需要通过改变雨洪利用设施的类型及规格等措施进行方案的优化调整。

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图 4 雨洪利用方案设计及分析工作流程

4 结论 雨洪利用工程是减轻城市防洪压力、缓解水资源紧张、改善水环境质量的重要措施，但由于雨洪利用涉及多个方面，方案设计较为复杂且无法预知实施效果，影响了雨洪利用工程的推广应用进程。数字排水（Digital- Water）平台将地理信息系统（GIS）和专业的排水管网水力水质计算模型相结合，可以综合考虑气象、水文、土地利用等多种因素进行雨洪利用方案的设计、评估与优化，使雨洪利用方案更为合理，同时可以对各种城市雨洪利用措施进行模拟对比，辅助工程设计人员进行不同的城市雨洪利用方案的设计和评估，有效提高了城市雨洪利用的科学化和系统化水平。 —————————— 咨询电话：400-686-6901 E-mail:support@digitalwater.cn 网站 : http://digitalwater.cn

jenfyhjh

不错的资料，收下了，谢谢