本發(fā)明涉及一種基于USRAMS的雨水管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，屬于排水管網(wǎng)設(shè)計(jì)與水力模型技術(shù)交叉領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

我國(guó)雨水系統(tǒng)設(shè)計(jì)，長(zhǎng)期以來均采用推理公式法結(jié)合恒定均勻流理論進(jìn)行管網(wǎng)設(shè)計(jì)計(jì)算，該方法由于自身適用條件的限制，僅適用于較小區(qū)域的設(shè)計(jì)，應(yīng)用與較大匯水流域時(shí)，其計(jì)算精度偏低。新版《室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50014-2006)規(guī)定當(dāng)匯水面積超過2km²時(shí)，宜采用數(shù)學(xué)模型法校核并調(diào)整雨水設(shè)計(jì)方案。隨著新版室外排水規(guī)范的發(fā)布，模型技術(shù)在我國(guó)開始推廣，如丹麥DHI公司的MIKE URBAN，英國(guó)Wallingford公司的ICM，特別是美國(guó)EPA公司的SWMM模型工具軟件已在國(guó)內(nèi)得到廣泛應(yīng)用。

城市內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)分析模型系統(tǒng)(Urban StormWater Risk Analysis Modeling System)(簡(jiǎn)稱USRAMS)是由北京工業(yè)大學(xué)給排水系統(tǒng)研究室在多年研究的基礎(chǔ)上自主開發(fā)的。USRAMS主要由一維管網(wǎng)模型模擬計(jì)算部分與二維地表淹水模擬計(jì)算部分組成，支持一維管網(wǎng)與二維地表的耦合模擬計(jì)算，基于ArcGIS提供的嵌入式組件庫(kù)ArcEngine進(jìn)行開發(fā)，以當(dāng)前主流的地圖數(shù)據(jù)管理平臺(tái)ArcGIS作為底層數(shù)據(jù)庫(kù)的管理系統(tǒng)，采用MicrosoftAccess數(shù)據(jù)庫(kù)作為基礎(chǔ)層數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)。USRAMS采用目前國(guó)內(nèi)常用的SWMM作為一維管網(wǎng)模型水力計(jì)算的計(jì)算引擎，并在此基礎(chǔ)上添加了等流時(shí)線模塊從而使軟件更加符合我國(guó)實(shí)際情況，在二維地表漫流計(jì)算中采用自主研發(fā)的內(nèi)澇淹水計(jì)算引擎，基于路徑追蹤以及水量平衡原理進(jìn)行二維地表淹水模擬分析。USRAMS很好的利用了ArcGIS的數(shù)據(jù)處理功能，可以很好的借助ArcGIS進(jìn)行管網(wǎng)模型基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的處理。

目前，根據(jù)新版《室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范》要求，我國(guó)雨水管網(wǎng)的設(shè)計(jì)重現(xiàn)期提高到了3至5年，設(shè)計(jì)方法依然沿用推理公式法，為了使管網(wǎng)系統(tǒng)更加安全《規(guī)范》規(guī)定折減系數(shù)m值取1。推理公式法是基于恒定流水力學(xué)理論來計(jì)算管網(wǎng)的匯流過程，采用恒定流理論進(jìn)行管網(wǎng)的水動(dòng)力學(xué)過程計(jì)算，其特點(diǎn)在于應(yīng)用簡(jiǎn)單，但是也存在很多實(shí)際問題難以解決。推理公式法是根據(jù)滿流流動(dòng)的時(shí)間來確定匯水時(shí)間，并沒有通過流量過程線來模擬管道的真實(shí)匯流過程。而要更加準(zhǔn)確的模擬管網(wǎng)匯流過程需采用基于圣維南方程組的非恒定流演算法，圣維南方程組描述的非恒定水流運(yùn)動(dòng)是一種淺水中的長(zhǎng)波傳播現(xiàn)象，通常稱為動(dòng)力波，因?yàn)樗鬟\(yùn)動(dòng)的主要作用力是重力，屬于重力波的范疇，如忽略運(yùn)動(dòng)方程中的慣性項(xiàng)和壓力項(xiàng)，只考慮摩阻和底坡的影響，簡(jiǎn)化后方程組所描述的運(yùn)動(dòng)稱為運(yùn)動(dòng)波。

運(yùn)動(dòng)波演算方法是利用每一管渠動(dòng)量方程的簡(jiǎn)化形式，求解連續(xù)性方程。用運(yùn)動(dòng)波演算時(shí)管渠水面坡度等于管渠底坡，可以通過管渠輸送的最大流量，為管渠滿流正常水流數(shù)值，該種形式的演算沒有考慮回水影響，進(jìn)口/出口損失、水流逆轉(zhuǎn)或者壓力流，也限制為枝狀網(wǎng)絡(luò)布局。由水力學(xué)理論可知，運(yùn)動(dòng)波法與推理公式法的設(shè)計(jì)工況最為接近(水面坡度等于管道底坡，最大流量為管渠正常水流值)，因此在校核推理公式法設(shè)計(jì)結(jié)果時(shí)需用運(yùn)動(dòng)波法。

針對(duì)推理公式法的缺陷以及新版《室外排水規(guī)范》的要求，提出一種基于USRAMS的雨水管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法?；谟晁芫W(wǎng)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)構(gòu)建USRAMS雨水管網(wǎng)水力模型，利用運(yùn)動(dòng)波進(jìn)行模擬計(jì)算，根據(jù)模型結(jié)果將管段超載(如圖1所示，管段運(yùn)行水面高程高于管頂高程，但并未超出地面的現(xiàn)象，超載在管網(wǎng)設(shè)計(jì)中是不允許存在)作為校核標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)模型結(jié)果對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化，從而達(dá)到提高雨水管網(wǎng)設(shè)計(jì)可靠性的目的。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明主要為克服推理公式法的缺點(diǎn)，利用水力模型技術(shù)提高雨水管網(wǎng)設(shè)計(jì)的可靠性，對(duì)用推理公式法設(shè)計(jì)的雨水管網(wǎng)進(jìn)行校核優(yōu)化。利用USRAMS與水力學(xué)基本原理，提出了一種基于USRAMS的雨水管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。

本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

一種基于USRAMS的雨水管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法依次包含以下步驟：

(1)根據(jù)推理公式法對(duì)雨水管網(wǎng)完成初步設(shè)計(jì)；

根據(jù)新版《室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50014-2006)地面集水時(shí)間t₁取5～15min，設(shè)計(jì)重現(xiàn)期P取3～5年，徑流系數(shù)Ψ按各類地面面積用加權(quán)平均法計(jì)算得到，折減系數(shù)m值取1，暴雨強(qiáng)度公式參數(shù)選取當(dāng)?shù)貐?shù)。利用現(xiàn)有的鴻業(yè)市政管線設(shè)計(jì)軟件完成雨水管網(wǎng)的初步設(shè)計(jì)，并輸出.xls格式的雨水管網(wǎng)水力計(jì)算表與.dwg格式的雨水管網(wǎng)平面布置圖。

(2)雨水管網(wǎng)與匯水區(qū)數(shù)據(jù)的GIS化處理

(2.1)雨水管網(wǎng)數(shù)據(jù)的GIS化處理

將初步設(shè)計(jì)得到的.xls格式的雨水管網(wǎng)水力計(jì)算表中雨水管網(wǎng)信息按照CADTableConvert軟件的格式要求粘貼到.txt格式的文本文件中，并將文本文件命名為Y.txt，利用現(xiàn)有的CADTableConvert軟件讀取Y.txt文本文件，利用CADTableConvert軟件中的GIS轉(zhuǎn)化功能完成雨水管網(wǎng)的GIS化，最后利用輸出Shape功能將GIS化后的雨水管網(wǎng)中的檢查井，出水口，管段分別輸出為.shp格式文件，并分別命名為檢查井.shp、出水口.shp、管段.shp。

(2.2)匯水區(qū)數(shù)據(jù)的GIS化處理

將初步設(shè)計(jì)得到的.dwg格式文件加載到ArcGIS軟件中，利用SQL語句選擇CAD文件Ploygon圖層中"Layer"＝'HY_YS_AREA_BORDERLING'的所有元素，將所選元素導(dǎo)出為.shp格式文件并命名為面.shp同時(shí)加載到ArcGIS軟件中。重新構(gòu)建所加載的.shp格式文件的字段，添加編號(hào)(Text型)、出水口(Text型)字段，利用字段計(jì)算器輸入"編號(hào)"＝'Sub'&'FID'為編號(hào)字段賦值。將步驟(2.1)得到的檢查井.shp文件加載到ArcGIS中，利用ArcGIS中的Spatial Join工具將面.shp與檢查井.shp建立對(duì)應(yīng)關(guān)系，并使其與步驟(1)初步設(shè)計(jì)中的對(duì)應(yīng)關(guān)系保持一致，利用字段計(jì)算器輸入"面.出水口"＝'檢查井.編號(hào)'為面.shp文件出水口字段賦值，輸出面.shp并命名為匯水區(qū).shp。

(3)USRAMS雨水管網(wǎng)水力模型構(gòu)建

(3.1)導(dǎo)入設(shè)計(jì)雨水管網(wǎng)數(shù)據(jù)

將步驟(2)中得到的檢查井.shp、出水口.shp、管段.shp、匯水區(qū).shp文件導(dǎo)入到USRAMS軟件Access數(shù)據(jù)庫(kù)中，同時(shí)將匯水區(qū).shp文件的雨量計(jì)字段統(tǒng)一賦值為RG1，匯水時(shí)間、徑流系數(shù)字段分別賦值為t₁、Ψ。

(3.2)構(gòu)建芝加哥雨型

根據(jù)當(dāng)?shù)乇┯陱?qiáng)度公式與步驟(1)所選設(shè)計(jì)重現(xiàn)期P，利用現(xiàn)有的芝加哥雨型生成器構(gòu)建芝加哥雨型，其中雨峰系數(shù)r取0.3～0.5、時(shí)間間隔取1min、降雨歷時(shí)T取180min。將生成的降雨時(shí)間序列文件導(dǎo)入到USRAMS模型中。

(4)USRAMS雨水管網(wǎng)水力模型運(yùn)行計(jì)算

取模型計(jì)算步長(zhǎng)為1min、運(yùn)行時(shí)間取3h、報(bào)告時(shí)間步長(zhǎng)取1min、地表匯流模型選取等流時(shí)線、管網(wǎng)匯流模型選取運(yùn)動(dòng)波，參數(shù)設(shè)置完成后運(yùn)行模型，待模型運(yùn)行結(jié)束后保存模型結(jié)果。

(5)根據(jù)模型結(jié)果對(duì)雨水管網(wǎng)設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化

根據(jù)模型結(jié)果對(duì)于存在管段超載的管段，結(jié)合管段最大計(jì)算流量重新選取管徑與坡度，同時(shí)利用鴻業(yè)市政管線軟件中的修改管徑、修改坡度命令對(duì)管段進(jìn)行修改，使其過流能力等于最大計(jì)算流量，待對(duì)所有超載管段修改完成后，利用鴻業(yè)市政管線軟件對(duì)修改后的雨水管網(wǎng)進(jìn)行復(fù)算，并重新輸出.xls格式的雨水管網(wǎng)水力計(jì)算表。

重復(fù)步驟(1)～步驟(5)直到模型結(jié)果中所有管段均沒有超載現(xiàn)象為止。

本發(fā)明有益效果主要體現(xiàn)在：

1.采用本發(fā)明所述的方法，能夠克服傳統(tǒng)推理公式法的不足，利用模型技術(shù)使雨水管網(wǎng)設(shè)計(jì)結(jié)果更加可靠，為雨水管網(wǎng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

2.本專利所述方法所需參數(shù)少且易于得到，徑流系數(shù)、匯水時(shí)間可直接獲取，模型搭建過程簡(jiǎn)單快捷，模型結(jié)果可靠，保證了方法的適用性。

3.本專利所述方法具有可操作性，無需進(jìn)行復(fù)雜的程序編寫，只需借助現(xiàn)有的軟件即可完成各個(gè)步驟，操作簡(jiǎn)易，容易實(shí)現(xiàn)，保證了本專利的可實(shí)施性。

附圖說明：

圖1為管道超載示意圖

圖2為本發(fā)明“一種基于USRAMS的雨水管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法”的工作流程示意圖。

圖3管道優(yōu)化前

圖4管道優(yōu)化后

具體實(shí)施方式：

本發(fā)明的具體實(shí)施流程如圖2所示，包括以下步驟：

(1)根據(jù)新版《室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50014-2006)地面集水時(shí)間t₁取5～15min，設(shè)計(jì)重現(xiàn)期P取3～5年，徑流系數(shù)Ψ按各類地面面積用加權(quán)平均法計(jì)算得到，折減系數(shù)m值取1，暴雨強(qiáng)度公式參數(shù)選取當(dāng)?shù)貐?shù)。利用現(xiàn)有的鴻業(yè)市政管線設(shè)計(jì)軟件完成雨水管網(wǎng)的初步設(shè)計(jì)，并輸出.xls格式的雨水管網(wǎng)水力計(jì)算表與.dwg格式的雨水管網(wǎng)平面布置圖。

(2)將初步設(shè)計(jì)得到的.xls格式的雨水管網(wǎng)水力計(jì)算表中雨水管網(wǎng)信息按照CADTableConvert軟件的格式要求粘貼到.txt格式的文本文件中，并將文本文件命名為Y.txt，利用現(xiàn)有的CADTableConvert軟件讀取Y.txt文本文件，利用CADTableConvert軟件中的GIS轉(zhuǎn)化功能完成雨水管網(wǎng)的GIS化，最后利用輸出Shape功能將GIS化后的雨水管網(wǎng)中的檢查井，出水口，管段分別輸出為.shp格式文件，并分別命名為檢查井.shp、出水口.shp、管段.shp。

(3)將初步設(shè)計(jì)得到的.dwg格式文件加載到ArcGIS軟件中，利用SQL語句選擇CAD文件Ploygon圖層中"Layer"＝'HY_YS_AREA_BORDERLING'的所有元素，將所選元素導(dǎo)出為.shp格式文件并命名為面.shp同時(shí)加載到ArcGIS軟件中。重新構(gòu)建所加載的.shp格式文件的字段，添加編號(hào)(Text型)、出水口(Text型)字段，利用字段計(jì)算器輸入"編號(hào)"＝'Sub'&'FID'為編號(hào)字段賦值。將步驟(2)得到的檢查井.shp文件加載到ArcGIS中，利用ArcGIS中的Spatial Join工具將面.shp與檢查井.shp建立對(duì)應(yīng)關(guān)系，并使其與步驟(1)初步設(shè)計(jì)中的對(duì)應(yīng)關(guān)系保持一致，利用字段計(jì)算器輸入"面.出水口"＝'檢查井.編號(hào)'為面.shp文件出水口字段賦值，輸出面.shp并命名為匯水區(qū).shp。

(4)將步驟(2)～步驟(3)中得到的檢查井.shp、出水口.shp、管段.shp、匯水區(qū).shp文件導(dǎo)入到USRAMS軟件Access數(shù)據(jù)庫(kù)中，同時(shí)將匯水區(qū).shp文件的雨量計(jì)字段統(tǒng)一賦值為RG1，匯水時(shí)間、徑流系數(shù)字段分別賦值為t₁、Ψ。

(5)根據(jù)當(dāng)?shù)乇┯陱?qiáng)度公式與步驟(1)所選設(shè)計(jì)重現(xiàn)期P，利用現(xiàn)有的芝加哥雨型生成器構(gòu)建芝加哥雨型，其中雨峰系數(shù)r取0.3～0.5、時(shí)間間隔取1min、降雨歷時(shí)T取180min。將生成的降雨時(shí)間序列文件導(dǎo)入到USRAMS模型中。

(6)取模型計(jì)算步長(zhǎng)為1min、運(yùn)行時(shí)間取3h、報(bào)告時(shí)間步長(zhǎng)取1min、地表匯流模型選取等流時(shí)線、管網(wǎng)匯流模型選取運(yùn)動(dòng)波，參數(shù)設(shè)置完成后運(yùn)行模型，待模型運(yùn)行結(jié)束后保存模型結(jié)果。

(7)根據(jù)模型結(jié)果對(duì)于存在管段超載的管段，結(jié)合管段最大計(jì)算流量重新選取管徑與坡度，同時(shí)利用鴻業(yè)市政管線軟件中的修改管徑、修改坡度命令對(duì)管段進(jìn)行修改，使其過流能力等于最大計(jì)算流量，待對(duì)所有超載管段修改完成后，利用鴻業(yè)市政管線軟件對(duì)修改后的雨水管網(wǎng)進(jìn)行復(fù)算，并重新輸出.xls格式的雨水管網(wǎng)水力計(jì)算表。

(8)重復(fù)步驟(1)～步驟(7)直到模型結(jié)果中所有管段均沒有超載現(xiàn)象為止。

效果說明：

以檢查井YDX446與檢查井YDX444之間的管段優(yōu)化前后的效果進(jìn)行比較說明，優(yōu)化前后效果如圖3、圖4所示。

根據(jù)圖3、圖4優(yōu)化前后效果比較，管道優(yōu)化前存在管道超載現(xiàn)象，管道優(yōu)化后不存在管道超載現(xiàn)象，說明了本專利的可實(shí)施性。