本發(fā)明涉及一種基于SWMM水力模型確定城市雨水管網(wǎng)管徑和坡度的方法，屬于市政工程信息技術(shù)與地理信息系統(tǒng)技術(shù)交叉領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

SWMM模型是由美國環(huán)保局推出的一種暴雨徑流模型，能夠完整地模擬城市降雨徑流過程和污染物轉(zhuǎn)移過程，目前廣泛應(yīng)用于暴雨徑流模擬和城市排水系統(tǒng)管理。它可以模擬分析現(xiàn)有管網(wǎng)的排水能力，確定管網(wǎng)排水能力不足的“瓶頸”段，同時依據(jù)模擬結(jié)果預(yù)先測出設(shè)計改造方案的實際效果，通過分析對比經(jīng)濟性指標，可獲得合理經(jīng)濟的方案。但是，SWMM模型的目前主要應(yīng)用于對已有管網(wǎng)的模擬分析和已有管網(wǎng)改造方案對比。

目前，雨水管網(wǎng)設(shè)計主要是人工雨水管網(wǎng)設(shè)計，它基于極限暴雨強度所計算的流量，憑經(jīng)驗采用反復(fù)查閱水力計算表的方法對管段的管徑和坡度等進行人為的調(diào)整，以獲得較經(jīng)濟合理的設(shè)計。該人工雨水管網(wǎng)設(shè)計方法計算量大，且計算結(jié)果精確度較低。 這種人工雨水管網(wǎng)設(shè)計方法的水力計算過程基于靜態(tài)的明渠流公式，假定下游可以自由出流，水力計算過程孤立，管網(wǎng)的設(shè)計過程完全忽略了下游管道的水力流動狀況，難以體現(xiàn)管網(wǎng)的實際通洪效果，以至于產(chǎn)生局部瓶頸現(xiàn)象，導(dǎo)致內(nèi)澇的發(fā)生。也就是說：現(xiàn)有雨水管網(wǎng)設(shè)計方法的靜態(tài)化的計算過程難以滿足城市建設(shè)和環(huán)境保護的需求。

隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，排水行業(yè)對設(shè)計的精度要求越來越高，人們開始將計算機數(shù)學模型應(yīng)用在雨水管網(wǎng)工程中。現(xiàn)階段，采用計算機技術(shù)對已定線的雨水管網(wǎng)系統(tǒng)的管徑和埋深進行優(yōu)化設(shè)計已經(jīng)得到了國內(nèi)外學者大量的研究和應(yīng)用。這些計算機管網(wǎng)優(yōu)化方法主要是以各項水力要素為約束條件，以管網(wǎng)造價等為目標函數(shù)，得出在最優(yōu)解情況下的各參數(shù)（管徑、埋深、坡度等）的組合。這些計算機管網(wǎng)優(yōu)化方法雖然使管網(wǎng)的設(shè)計經(jīng)濟性相比于人工的設(shè)計方法有了很大的提高，但是，計算機管網(wǎng)優(yōu)化算法的管段的設(shè)計仍然采用人工雨水管網(wǎng)設(shè)計方法的推理公式法，水力計算仍然是基于靜態(tài)的水力計算表，在尋找各參數(shù)最優(yōu)組合過程中并沒有考慮實際降雨徑流過程以及實際運行的下游邊界條件，其核心的計算過程與人工雨水管網(wǎng)設(shè)計方法一樣，仍然存在著計算過程靜態(tài)化以及計算結(jié)果難以量化這些缺陷。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題就是提供一種基于SWMM水力模型確定城市雨水管網(wǎng)管徑和坡度的方法，它能考慮到下游水力邊界條件以及壓力流、泵站等復(fù)雜水力情況，對已定線的管網(wǎng)進行自動循環(huán)計算調(diào)整管徑和坡度，最終確定雨水管網(wǎng)設(shè)計方案，克服現(xiàn)有雨水管道設(shè)計的靜態(tài)化計算處理和計算結(jié)果精確度低的問題。

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是通過這樣的技術(shù)方案實現(xiàn)的，它包括有以下步驟：

步驟1，獲取已定線管網(wǎng)的各管道參數(shù)和匯水區(qū)水文參數(shù)，匯水區(qū)水文參數(shù)包括下墊面類型、不透水地面的百分比、降雨情況和地面高程的數(shù)據(jù)；

步驟2，為管道的管徑和埋深賦初始值，并計算檢查井的初值和管道的初始坡度；

步驟3，基于最小坡度約束對管網(wǎng)進行坡度調(diào)整，從上游至下游依次檢查各管段的逆坡、緩坡或平坡情況，對坡度小于最小坡度的管段進行調(diào)整；

步驟4，運行SWMM水文、水力計算模塊，從下游到上游依次調(diào)整優(yōu)化管網(wǎng)各管段的管徑，更新相關(guān)參數(shù)；

步驟5，運行SWMM水文、水力計算模塊，從下游到上游依次調(diào)整優(yōu)化管網(wǎng)各管段的坡度，更新相關(guān)參數(shù)；

步驟6，判斷循環(huán)次數(shù)是否達到設(shè)定值，如果是，進入步驟7；若果不是，進入步驟8；

步驟7，對管網(wǎng)進行手工調(diào)整，返回步驟4；

步驟8，判斷管徑和流速是否均滿足要求，如果不是，返回步驟4；如果是，進入步驟9；

步驟9，輸出各管道參數(shù)：管徑，坡度，檢查井內(nèi)底標高，管道起、終點標高和地面高程。

本發(fā)明的有益效果：

1、水力計算過程完全由SWMM模擬代替，彌補了現(xiàn)有人工雨水管網(wǎng)設(shè)計方法和計算機管網(wǎng)優(yōu)化方法中采用推理公式法以及水力計算表導(dǎo)致的靜態(tài)化且計算結(jié)果精確度低的局限性；

2、對已定線管網(wǎng)的管徑和坡度進行循環(huán)計算調(diào)整，減小了現(xiàn)有人工雨水管網(wǎng)設(shè)計方法的工作量，提高了管網(wǎng)設(shè)計計算的效率和精度；

3、基于SWMM的水力計算融合了邊界條件，能夠動態(tài)進行洪水過程線、水庫調(diào)蓄過程、壓力流、泵站提升等復(fù)雜水力工況計算，處理復(fù)雜雨水系統(tǒng)處理完全動態(tài)化，使設(shè)計的管網(wǎng)更符合實際運行條件；

4、計算結(jié)果能夠量化，并能對計算結(jié)果進行不同工況下的動態(tài)模擬，預(yù)測強降雨及極端暴雨條件下的內(nèi)澇范圍及風險，使雨水管網(wǎng)的設(shè)計方案更加合理可靠。

所以本發(fā)明具有如下的優(yōu)點：利用SWMM的水力計算模塊，融合動態(tài)降雨事件對應(yīng)的下游水力邊界條件，在處理含壓力流、泵站、閘門等復(fù)雜水力條件的雨水系統(tǒng)設(shè)計中完全動態(tài)化，能準確反映城市雨水管網(wǎng)的實際運行工況，既提高了雨水管網(wǎng)設(shè)計的工作效率，又克服了現(xiàn)有雨水管道設(shè)計的靜態(tài)化和計算結(jié)果精確度低的問題。

附圖說明

本發(fā)明的附圖說明如下：

圖1為本發(fā)明的流程圖；

圖2為本發(fā)明的基于最小坡度調(diào)整初始坡度的流程圖；

圖3為本發(fā)明的優(yōu)化調(diào)整管徑的流程圖；

圖4為本發(fā)明的優(yōu)化調(diào)整坡度的流程圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步說明：

本發(fā)明是對已定線的雨水管網(wǎng)進行管徑和坡度的優(yōu)化調(diào)整。

圖1為本發(fā)明的基于SWMM水力模型確定城市雨水管網(wǎng)管徑和坡度的算法流程圖，該算法開始于步驟S101，然后

在步驟S102，獲取規(guī)劃地區(qū)定線后的管網(wǎng)要素和匯水區(qū)水文參數(shù)，匯水區(qū)水文參數(shù)包括下墊面類型、不透水地面的百分比、降雨情況和地面高程的數(shù)據(jù)；

在步驟S103，為管道的管徑和埋深賦初始值，計算檢查井的初值和管道的初始坡度：初始管徑設(shè)為400mm，初始埋深設(shè)為0.6m，初始的進、出水偏移都設(shè)為0；

檢查井內(nèi)底標高=地面標高－埋深－管徑；

檢查井深=地面標高－檢查井內(nèi)底標高；

管道初始坡度=地面坡度=（上游檢查井地面標高－下游檢查井地面標高）/本管段長度；

進/出水偏移=管段進/出口處管內(nèi)底標高－上/下游檢查井內(nèi)底標高；

在步驟S104，基于最小坡度約束，最小坡度選擇3‰，對管網(wǎng)進行坡度調(diào)整，檢查逆坡、緩坡和平坡的情況，從上游至下游依次對坡度小于最小坡度的管段進行調(diào)整；

在步驟S105，管網(wǎng)管徑循環(huán)計算調(diào)整：運行SWMM水文、水力計算模塊，從下游到上游依次調(diào)整優(yōu)化管網(wǎng)的管徑，更新檢查井內(nèi)底標高，進、出水偏移等參數(shù)；

在步驟S106，管網(wǎng)坡度循環(huán)計算調(diào)整：運行SWMM水文、水力計算模塊，從下游到上游依次調(diào)整優(yōu)化管網(wǎng)的坡度，更新檢查井內(nèi)底標高，進、出水偏移等參數(shù)；

在步驟S107，判斷循環(huán)次數(shù)是否達到設(shè)定值，如果是，進入S108中；若不是，進入步驟S109；

循環(huán)次數(shù)理論上越多越好，但次數(shù)過多會導(dǎo)致運行時間過長，因此需根據(jù)管網(wǎng)實際規(guī)模合理設(shè)置循環(huán)次數(shù)。

在步驟S108，對管網(wǎng)進行手工調(diào)整，返回步驟S105；

在步驟S109，判斷管徑和流速是否均滿足要求，如果不是，返回步驟S105；如果是，進入步驟S110；

在步驟S110，輸出各管道參數(shù)：管徑，坡度，檢查井內(nèi)底標高，管道起、終點標高和地面高程；

在步驟S111中，雨水管網(wǎng)自動設(shè)計完成。

上述步驟S104中，基于最小坡度約束的調(diào)坡過程的流程圖如圖2所示：

在步驟S201，獲取管網(wǎng)上游初始管段數(shù)據(jù)；

在步驟S202，判斷管段坡度是否小于最小坡度，如果不是，進入步驟S210；如果是，進入步驟S203；

在步驟S203，管段出口處管內(nèi)底標高調(diào)整為：管段出口處管內(nèi)底的新標高=上游檢查井內(nèi)底標高＋進水偏移－最小坡度×本管段長度；

在步驟S204，判斷調(diào)整后的管內(nèi)底標高是否小于下游檢查井內(nèi)底標高，如果是，進入步驟S206；如果不是，進入步驟S205；

在步驟S205，更新出水偏移：新出水偏移=管段出口處管內(nèi)底的新標高－下游檢查井內(nèi)底標高；該管段坡度更新為最小坡度；

在步驟S206，調(diào)整下游檢查井內(nèi)底標高：下游檢查井內(nèi)底的新標高=管段出口處管內(nèi)底的新標高；更新該管段坡度為最小坡度；新井深=井深＋管段出口處管內(nèi)底下移高度；出水偏移為0；

在步驟S207，判斷相鄰管段在下游檢查井處是否為進水節(jié)點，如果是，進入步驟S208；如果不是，進入步驟S209；

在步驟S208，采用管頂平接管段，更新相鄰管段進水偏移：相鄰管段新的進水偏移=本管段新的出水偏移；相鄰管段新的坡度=（（相鄰管段上游檢查井內(nèi)底標高+相鄰管段新的進水偏移）-（相鄰管段下游檢查井內(nèi)底標高+相鄰管段出水偏移））/相鄰管段長度，進入步驟S210；

在步驟S209，采用跌水連接，更新相鄰管段出水偏移：相鄰管段新的出水偏移=相鄰管段出水偏移＋管段出口處管內(nèi)底下移高度；管段坡度保持不變；

在步驟S210，判斷該管段出水節(jié)點是否為出水口，如果不是，進入步驟S211；如果是，進入步驟S212；

在步驟S211，獲取下一管段數(shù)據(jù)，返回步驟S202；

在步驟S212，初始坡度調(diào)整結(jié)束。

上述步驟S105中，管徑調(diào)節(jié)優(yōu)化的流程圖如圖3所示：

在步驟S301，獲取下游末端管道參數(shù)；

在步驟S302，調(diào)用SWMM水文、水力計算模塊，得到流量、水深和流速的數(shù)據(jù)；

在步驟S303，判斷最大水深是否大于管徑，如果不是，進入步驟S318；如果是，進入步驟S304；

在步驟S304，管徑增大一級定義為Dnew；基于最大流量，通過曼寧公式估算所需要管徑，定義管徑為Dman；

在步驟S305，判斷 Dman是否大于Dnew，如果不是，進入步驟S306；如果是，進入步驟S307；

在步驟S306，將管徑更新為Dnew；

在步驟S307，將管徑更新為Dman；

在步驟S308，將Dman化為標準管徑；

在步驟S309，判斷進水偏移是否大于管徑增加量，如果是，進入步驟S310；如果不是，進入步驟S311；

在步驟S310，進水偏移更新為：新的進水偏移=進水偏移－（增大后的管徑－原來的管徑）；上游檢查井內(nèi)底標高和井深不變，進入步驟S313；

在步驟S311，上游檢查井內(nèi)底標高更新為：上游檢查井內(nèi)底新的標高=上游檢查井內(nèi)底標高－（增大后的管徑－原來的管徑－進水偏移）；上游檢查井深更新為：上游檢查井新井深=上游檢查井深＋（增大后的管徑－原來的管徑－進水偏移）；進水偏移更新為0；

在步驟S312，相連管段在上游檢查井處的出水偏移更新為：相連管段新的出水偏移=相連管段出水偏移＋（增大后的管徑－原來的管徑－進水偏移）；

在步驟S313，判斷出水偏移是否大于管徑增加量，如果是，進入步驟S314；如果不是，進入步驟S315；

在步驟S314，出水偏移更新為：新的出水偏移=出水偏移－（增大后的管徑－原來的管徑），下游檢查井內(nèi)底標高和井深不變，進入步驟S317；

在步驟S315，下游檢查井內(nèi)底標高更新為：下游檢查井內(nèi)底的新標高=下游檢查井內(nèi)底標高－（增大后的管徑－原來的管徑－出水偏移）；下游檢查井深更新為：下游檢查井新的井深=下游檢查井深＋（增大后的管徑－原來的管徑－出水偏移）；出水偏移更新為0；

在步驟S316，相連管段在下游檢查井處的進/出水偏移更新為：相連管段新的進/出水偏移=相連管段進/出水偏移＋（增大后的管徑－原來的管徑－進水偏移）；

在步驟S317，更新下游所有管段的管徑，檢查井內(nèi)底標高和進、出水偏移等參數(shù)；

在步驟S318，判斷該管段進水節(jié)點是否為起點，如果不是，進入步驟S319；如果是，進入步驟S320；

在步驟S319，獲取下一管段數(shù)據(jù)，返回步驟S302；

在步驟S320，一次管徑調(diào)整結(jié)束。

上述步驟S106中，坡度調(diào)節(jié)優(yōu)化的流程圖如圖4所示：

在步驟S401，獲取下游末端管段參數(shù)；

在步驟S402，調(diào)用SWMM水文水力計算模型，得到管網(wǎng)流量、水深、流速的數(shù)據(jù)；

在步驟S403，判斷流速是否大于最大流速，金屬管的最大流速選擇10m/s，非金屬管的最大流速選擇5m/s，如果是，進入步驟S404；如果不是，進入步驟S412；

在步驟S404，基于最大流速，用曼寧公式計算坡度，坡度更新為曼寧公式計算的坡度；

在步驟S405，計算管段進口處管內(nèi)底標高，管段進口處管內(nèi)底的新標高=下游檢查井內(nèi)底標高＋出水偏移＋管長×坡度新；

在步驟S406，判斷更新后的管段進口處管內(nèi)底標高是否大于上游檢查井內(nèi)底標高，如果是，進入步驟S407；如果不是，進入步驟S408；

在步驟S407，進水偏移更新為：新的進水偏移=管段進口處管內(nèi)底的新標高－上游檢查井內(nèi)底標高；上游檢查井深不變，進入步驟S410；

在步驟S408，上游檢查井內(nèi)底標高更新為：上游檢查井內(nèi)底的新標高=管段進口處管內(nèi)底的新標高；上游檢查井深更新為：上游檢查井新的井深=上游檢查井深＋（上游檢查井內(nèi)底標高－管段進口處管內(nèi)底的新標高）；進水偏移為0；

在步驟S409，上游檢查井處設(shè)置跌水，相連管段在上游檢查井處的出水偏移更新為：相連管段新的出水偏移=相連管段的出水偏移＋（上游檢查井內(nèi)底標高－上游管內(nèi)底的新標高）；

在步驟S410，判斷該管段進水節(jié)點是否為起點，如果不是，進入步驟S411；如果是，進入步驟S418；

在步驟S411，獲取下一管段數(shù)據(jù)，返回步驟402；

在步驟S412，判斷流速是否小于最小流速，最小流速選擇0.75m/s，如果是，進入步驟S413；如果不是，進入步驟S410；

在步驟S413，基于最小流速，采用曼寧公式計算坡度，并將管段坡度更新為該坡度；

在步驟S414，更新管段出口處管內(nèi)底標高：管段出口處管內(nèi)底的新標高=上游檢查井內(nèi)底標高+進水偏移－管長×坡度新；

在步驟S415，判斷管段出口處管內(nèi)底標高是否大于下游檢查井內(nèi)底標高，如果不是，進入步驟S416；如果是，進入步驟S417；

在步驟S416，更新下游所有檢查井內(nèi)底標高和埋深，進入步驟S410；

在步驟S417，判斷下游檢查井處是否有跌水，如果是，進入步驟S410；如果不是，進入步驟S416；

在步驟S418，結(jié)束一次坡度調(diào)整。