摘要通过计算机技术模拟排水管网系统在不同条件下的运行状况，获得各种降雨工况下，各设计断面水位、流速及流量随时间变化的过程线，实现管网系统真实工况模拟、查找系统超负荷管段和瓶颈点，科学分析城市积水原因，为城市排水系统规划方案调整、优化和管理、改造提供科学依据和理论指导。以香港荃湾、葵涌地区排水系统改造为例，介绍了英国WallingfordSoftware公司开发的InfoWorkCS在城市排水系统水力负荷评估中的应用。
关键词：排水管网；水力模型；模拟分析；
城市雨水排水系统是城市重要的基础设施，担负着收集、输送地面径流的重任。对城市排水系统进行模拟，可以系统地评估城市排水系统水力、水量及水质负荷状况，为城市排水系统规划、改造和建设提供理论性指导，同时为城市排水管网的投资建设提供投资估算依据。本文以香港荃湾、葵涌地区雨水排水系统改造工程为例，介绍InfoWorkCS在城市雨水排水管网水力负荷评估中的应用。
1 InfoWorkCS模型概述：
InfoWorkCS是英国WallingfordSoftware公司开发的城市水文模拟软件，主要应于城市排水管道系统的规划、确定和调整符合成本效益的排水设施改进方案和排水管网的运营管理，城市水浸与污染预报、水质和管网中沉积物输移模拟。
InfoWorkCS是一种非恒定流模拟分析软件，对管网系统的水力负荷、水量及水质进行模拟分析。通过InfoWork模拟某一排水区域的水力状态，能真实反映降雨过程中，系统各断面的水位、流速、积水和流量的时间变化过程，直观地演示径流对管网的影响，并确定管网中的薄弱点。
2 水力模型的建立：
2.1 首先通过InfoWork数据库管理确定管网模型数据、模拟结果存贮的路径。
2.2 管网概化及建模方式：
• 直接在InfoWorkExplorer创建管网模型数据库：从已有的CAD图层中提取研究区域管网数据信息，包括代表管道图形要素的空间位置、管道长度、流向、管径、检查井位置及地面标高；
• 由其他系统转换输入，包括：GIS、CSV、外部数据库、HydroWorks文件等。
2.3 水力模型组成：包括管网系统与地表径流系统；其中地表径流系统是将研究区域内街道作为该系统的管道，其尺寸定义为：街道宽度x2000mm。
3 城市排水系统的InfoWork水力负荷模拟分析
本文以香港九龙的荃湾、葵涌地区为研究范围，利用InfoWork对现状排水系统、改造后排水系统的水力模拟分析，全面了解系统改造后，该区域水浸情况的改善情况，展示了该模拟软件的区域排水分析计算功能，同时也描述该模拟软件对城市排水系统直观的模拟分析过程。
3.1 项目简介
香港平均年降雨量约为2,200mm，雨量时空分布不一，夏季常受短暂、极端的暴雨袭击，在高潮位、风暴潮和热带气旋的同时夹击下，易引起洪水泛滥。
荃湾、葵涌位于香港九龙，东、北两面由东至西被大帽山、下花山半包围，西、南两面临海。该区域雨水排水系统的建设年限较早，随着该区的不断发展，不渗水地面不断增大，区内排水系统已不胜负荷，暴雨时期，受东、北面山洪和西、南两面蓝巴勒海峡潮水的共同影响，常出现水浸。1999年“荃湾、葵涌和青衣排水系统总体规划研究”结果显示，该地区排水系统不能满足目前一般的防洪标准①，提出了一系列排水系统改善的建议，其中包括荃湾和葵涌的防洪隧道雨水排放改善计划。通过在荃湾北面半山区由东至西建造地下雨水隧道，截取山上高处地面径流后，排入蓝巴勒海峡，以减轻该地区水浸危害，改善现有排水系统下游排水状况，实现下游排水主干管的防洪标准提高至200年的水平，减小下游地区经济损失。
3.2 模拟分析前的准备工作
3.2.1 数据库更新：根据最新资料，如竣工图、设计变更、施工图、改造资料、勘测数据等资料更新管网数据库，以确保所采用的数据库与实际情况一致。
3.2.2 划分汇水面积：根据地形条件，划分每个节点接收的汇水面积，将其输入管网模型集水区面积数据表中，以表明每个检查井收集的汇水面积大小。
3.3 参数确定：根据本工程特点和香港相关规范要求，确定降雨工况、影响降雨径流量及水浸水量的下列参数：设计重现期、暴雨强度、潮位、管道粗糙度、管道沉积物高度、径流系数、地表径流通道高度、土地利用指数、土壤指数、降雨历时、模拟运行时间、水头损失类型、检查井贮水量、体积平衡量及体积平衡因子。
3.3.1 设计重现期及相应的暴雨强度曲线①②：
3.3.2 设计潮位：根据蓝巴勒海峡多年潮位观测资料，本工程选择+2.5mPD③；
3.3.3 管道中沉积物高度的确定：
• 坡度＜1:25的管、渠，取减小10%管段截面积相应的高度为该管段的沉积物高度；
• 坡度＞1:25的管、渠，取减小5%管段截面积相应的高度为该管段的沉积物高度。
3.3.4 模拟运行时间：240min。根据管网系统大小确定，以保证峰值径流率出现在模拟运行时间内。
3.3.5 土地属性提取：定义研究区域内各种地面类型、径流特征并赋予相应的参数。
4 拓朴检查及修正：应用InfoWorkCS的Validation对管网内管段连接关系、地面标高、管底标高关系等进行检查。
5 模拟结果分析：
通过平面视窗、纵断面、计算表格、时变图等互动视窗察看、分析各管段、检查井在降雨过程的流量、流速、水位、水力坡度、地面积水情况及各水力参数的过程变化线。采用GIS对模型输出结果进行统计分析，评价研究区域的水力学影响。以下为编号为29252714的管段及检查井在200年设计重现期的水力模拟结果。
5.1 管段水力模拟结果
流量过程线流速过程线
5.2 检查井水力模拟结果
井内水位井内水量
5.3 雨水排水系统改造前后积水深度变化
改造前改造后
6 通过对城市排水管网的水力模拟，可以全面、直观地反映排水管网的网络特征与上下游关系，可以得出某一降雨强度下发生地面积水冒溢点，及时掌握管网排水负荷和运行状况的变化；水力模型技术的应用能大大提高排水管网管理和维护次序，为排水管网诊断、维护、改造、分析和评价提供可靠的方法，避免主观判断与简单推理，提高分析决策水平。
参考文献：
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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