曲壽飛
(大連市金州新區(qū)水利管理服務(wù)中心,遼寧 大連 11610)
科技成果
居民小區(qū)集雨工程數(shù)學(xué)模型
曲壽飛
(大連市金州新區(qū)水利管理服務(wù)中心,遼寧 大連 11610)
根據(jù)當(dāng)?shù)貧夂驐l件、土壤質(zhì)地、屋面材質(zhì)、路面狀態(tài)、下墊面組成計(jì)算出不同下墊面產(chǎn)流系數(shù)。選擇小區(qū)為單元,利用數(shù)學(xué)模型進(jìn)行模擬試驗(yàn),以供居民小區(qū)集雨工程規(guī)劃設(shè)計(jì)與城市集雨規(guī)劃設(shè)計(jì)應(yīng)用。
集雨;滲透;吸濕性;匯流;人居環(huán)境
在承接城市集雨工程研究中,發(fā)現(xiàn)城市小區(qū)集雨計(jì)算很復(fù)雜,小區(qū)面積雖小,但地面覆蓋類(lèi)型很多,這些下墊面的徑流系數(shù)資料很少,管網(wǎng)匯流計(jì)算,全城區(qū)集雨效果等計(jì)算都很繁瑣,由此產(chǎn)生利用數(shù)學(xué)模型進(jìn)行模擬試驗(yàn),以供居民小區(qū)集雨工程規(guī)劃設(shè)計(jì)與城市集雨規(guī)劃設(shè)計(jì)應(yīng)用[1]。
該數(shù)學(xué)模型及軟件能幫助計(jì)算:
1)根據(jù)當(dāng)?shù)貧夂驐l件、土壤質(zhì)地、屋面材質(zhì)、路面狀態(tài)、下墊面組成計(jì)算出不同下墊面產(chǎn)流系數(shù)。
2)小區(qū)修建集雨工程后,小區(qū)產(chǎn)流、集雨量、外流水量與滲透水量分配情況。
3)小區(qū)管網(wǎng)主管、支管流量分布情況。
4)根據(jù)小區(qū)集雨試驗(yàn)?zāi)M成果,可對(duì)全市區(qū)年集雨?duì)顩r進(jìn)行模擬計(jì)算,計(jì)算出各月產(chǎn)流、滲透水量,供城市集雨工程、與防洪規(guī)劃應(yīng)用。
在借鑒國(guó)內(nèi)外研究成果基礎(chǔ)上,要有創(chuàng)新,模型要具有可擴(kuò)展性。
通過(guò)對(duì)城市集雨工程模擬研究,給出集雨工程在城市現(xiàn)代化建設(shè)中主要作用,研究以小區(qū)為單元,將小區(qū)內(nèi)可利用的降雨收集起來(lái),并應(yīng)用在小區(qū)的用水項(xiàng)目中。滿足小區(qū)中草坪灌溉、水景、洗車(chē)等用水。解答3個(gè)問(wèn)題:
1)小區(qū)集雨工程在建設(shè)人居健康環(huán)境中改善水環(huán)境上的具體作用。
2)城市集雨工程在解決水資源上的具體作用。
3)城市集雨工程在緩解城市內(nèi)水防洪的具體作用。
數(shù)學(xué)模型分3部分:集雨產(chǎn)流微觀模擬試驗(yàn),居民小區(qū)有集雨工程下集雨效果模擬及城市城區(qū)集雨工程建設(shè)模擬。
2.1 集雨產(chǎn)流微觀模擬試驗(yàn)
集雨產(chǎn)流微觀模擬是為了獲得小區(qū)集雨工程設(shè)計(jì)相關(guān)參數(shù),共分4部分組成:屋面集雨、路面集雨、步行道入滲、草坪入滲。模擬程序首先要收集當(dāng)?shù)貧庀蠼涤辍⒄舭l(fā)、濕度、氣壓、溫度資料,及各類(lèi)材料的吸濕性、滲透性等資料。計(jì)算步驟見(jiàn)圖1。
圖1 集雨工程微觀模擬框圖
2.2 居民小區(qū)有集雨工程下集雨效果模擬
通過(guò)居民小區(qū)有集雨工程下集雨效果模擬,要獲取在小區(qū)中建設(shè)局部集雨工程的效果和參數(shù),為大面積推廣應(yīng)用提供決策信息。模擬包括下面內(nèi)容,模擬程序見(jiàn)圖2。
模擬:產(chǎn)流過(guò)程、暴雨匯流、管道匯流、集雨池與水景水池調(diào)蓄、向外溢流。
2.3 城市城區(qū)集雨工程建設(shè)模擬
城區(qū)集雨工程建設(shè)模擬,是為了驗(yàn)證小區(qū)局部集雨工程在城市建設(shè)中的作用。主要內(nèi)容如下:
無(wú)集雨工程時(shí)水環(huán)境:地下水狀態(tài)、地表水狀態(tài)、水資源狀態(tài)、人居環(huán)境狀態(tài)。
有集雨工程時(shí)水環(huán)境:地下水狀態(tài)、地表水狀態(tài)、水資源狀態(tài)。
城市排水能力:設(shè)計(jì)暴雨、無(wú)集雨工程排水能力、有集雨工程排水能力。
圖2 小區(qū)集雨工程效果模擬框圖
圖3 城區(qū)集雨工程建設(shè)模擬框圖
3.1 集雨產(chǎn)流微觀數(shù)學(xué)模型(不同下墊面產(chǎn)流系數(shù)模擬試驗(yàn))
在模型編制中,考慮了模型要能真實(shí)反映影響產(chǎn)流的相關(guān)因素,并能具有可擴(kuò)展性。
考慮到小區(qū)面積較小,地面高差不大,暫忽略坡度影響。主要因素有,不同材質(zhì)屋面、路面、步行道、不同植被草坪,前期降水影響,在初損中考慮蒸發(fā)、填洼、截流等影響。產(chǎn)流系數(shù)分類(lèi)與編號(hào)表見(jiàn)表1。
可寫(xiě)成:
式中:λij為對(duì)應(yīng) i種下墊面j種材質(zhì)狀態(tài)下的產(chǎn)流系數(shù);βij為對(duì)應(yīng)i種下墊面j種材質(zhì)狀態(tài)下的前期降水影響系數(shù);Pk為一次降水過(guò)程中K時(shí)段中相對(duì)應(yīng)降水量;P0為前期降水量;tk為一次降水過(guò)程中 K時(shí)段降水歷時(shí);δij為對(duì)應(yīng) i種下墊面 j種材質(zhì)狀態(tài)下的截流量;eij
k為對(duì)應(yīng)i種下墊面j種材質(zhì)狀態(tài)K時(shí)段的蒸發(fā)損失;wij為對(duì)應(yīng)i種下墊面 j種材質(zhì)狀態(tài)下填洼雨量;fij
k為對(duì)應(yīng)i種下墊面j種材質(zhì)狀態(tài)K時(shí)段的入滲雨量;n為一次降雨過(guò)程中有 n個(gè)時(shí)段。
表1 產(chǎn)流系數(shù)分類(lèi)與編號(hào)
3.2 產(chǎn)流系數(shù)相關(guān)參數(shù)計(jì)算方法
前期降水影響:在美國(guó)資料中對(duì)前期降雨影響給了充分反映,他區(qū)分為兩種狀態(tài),土壤處在較干狀態(tài),和土壤處于濕潤(rùn)狀態(tài),兩者相差在 10-50%間。但該方法不能體現(xiàn)前期降水量和相隔時(shí)間因素,我們采用了降水量和相隔時(shí)間因素。產(chǎn)流系數(shù)相關(guān)參數(shù)計(jì)算公式見(jiàn)表2。
式中:β為前期降雨影響折算系數(shù);P0前期降水量;d為相距天數(shù)。
匯流過(guò)程中蒸發(fā)影響:在降水過(guò)程中蒸發(fā)損失也是很大的,降水中物體表面蒸發(fā)損失,是在物體表面以全部形成水膜后蒸發(fā)的,沒(méi)有用土壤蒸發(fā)計(jì)算公式。所以計(jì)算公式采用我國(guó)常用水面蒸發(fā)經(jīng)驗(yàn)公式(見(jiàn)式4),其中飽和蒸發(fā)量為結(jié)合計(jì)算機(jī)計(jì)算,采用由熱平衡導(dǎo)出的溫度計(jì)算式(見(jiàn)式3),免除查表繁瑣。
式中:b0為飽和水氣壓(毫巴);t氣溫,℃;e蒸發(fā)量,mm/h;b2米高處氣壓(毫巴),u米高處風(fēng)速,m/s。
土壤入滲計(jì)算:土壤滲透采用在城市規(guī)劃中廣泛使用的霍頓公式,其中衰減指數(shù)是根據(jù)各城市近年氣象資料匹配的(大連市1.68)。
式中:f為任意時(shí)段滲透雨量;fI為土壤穩(wěn)定入滲速度;f0土壤初始入滲速度,T降水歷時(shí)。
表2 產(chǎn)流系數(shù)相關(guān)參數(shù)計(jì)算公式
截流量計(jì)算:按覆蓋材料的吸濕量考慮,以質(zhì)量百分比表示。軟覆蓋以雨量厚度表示。
填洼量:填洼指地表不平,地面凸凹不平,以凸凹面積百分比和凹陷深度兩指標(biāo)計(jì)算。
截流填洼參數(shù)見(jiàn)表3。
表3 截流填洼參數(shù)表(根據(jù)各地實(shí)測(cè)或有關(guān)文獻(xiàn)獲取)
3.3 居民小區(qū)集雨工程集雨效果模擬
設(shè)計(jì)暴雨、降水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn):
暴雨:按小區(qū)排水設(shè)計(jì)要求,選擇5 a一遇5 min暴雨,折算1 h雨厚(大連市選擇128 mm/h),取近年最大降水過(guò)程按128 mm/h修正,獲得設(shè)計(jì)雨強(qiáng)。暴雨過(guò)程模擬產(chǎn)流系數(shù)見(jiàn)表4。
表4 降雨過(guò)程模擬產(chǎn)流系數(shù)
年雨量標(biāo)準(zhǔn):按選擇多年平均值,以近年全年降水過(guò)程進(jìn)行修正。
3.3.1 暴雨產(chǎn)流數(shù)學(xué)模型
雨洪產(chǎn)流模擬:
3.3.2 匯流數(shù)學(xué)模型
表面漫流匯流歷時(shí):
采用 K inematic漫流匯流歷時(shí)公式:
管流:曼寧公式
式中;tc為匯水時(shí)間,h;V為水流速度,m/s;R為水力半徑;nk為下墊面或管道糙率(曼寧粗糙系數(shù));J為分區(qū)或管段比降;tc為表面漫流匯流歷時(shí),h;H為地面高差,m;λ為產(chǎn)流系數(shù);P為降水量,mm/h;L為流域長(zhǎng),km。
分區(qū)法計(jì)算表見(jiàn)表5。
表5 分區(qū)法計(jì)算表格
表中:∑λF匯入該段管道匯流面積折算面積和,tc匯流區(qū)到該段管道入口匯水時(shí)間,各段管道入口到匯流口徑流歷時(shí)t2=L/V,L為管道長(zhǎng)。
3.3.3 小區(qū)集雨工程模擬數(shù)學(xué)模型
雨洪徑流模擬:參見(jiàn)小區(qū)模擬計(jì)算。
集雨量:按全年降水日進(jìn)行計(jì)算,年產(chǎn)流量w1,年入滲量 w2,年小區(qū)排入市政排水系統(tǒng)水量 w3,年小區(qū)有效集雨量 W4,計(jì)算模型如下:
式中:β為集雨池與水景水池用水百分比;QR為小區(qū)日用集雨水量;Wex為水景水池 X天蒸發(fā)與滲漏損失。
式中:W1為集雨區(qū)年凈雨量;W2為集雨區(qū)年入滲雨量;W3為集雨區(qū)年向城市排水系統(tǒng)溢流雨量;W4為集雨區(qū)年利用雨量;Pd為日降水量;λij為對(duì)應(yīng)i種下墊面j區(qū)段的產(chǎn)流系數(shù);Fij為對(duì)應(yīng) i種下墊面 j區(qū)段的產(chǎn)流面積;F1d-1h1d-1為降雨前一天集雨池可蓄水面積與水深;F2d-1h2d-1為降雨前一天水景水池可蓄水面積與水深;nd為年降雨天數(shù);n為下墊面 i的個(gè)數(shù);m為對(duì)應(yīng)i種下墊面 j區(qū)段的的個(gè)數(shù)。
成果:設(shè)計(jì)暴雨集雨量與溢流量。
年集雨量與溢流量。
3.4 城區(qū)集雨工程建設(shè)效果模擬
城市下墊面 Fij組成見(jiàn)表 6。
表 6 城市下墊面 Fij組成
地表水產(chǎn)流:城市排水分 2部分,一部分按小區(qū)建設(shè)集雨工程計(jì)算,一部分不修建集雨工程。有集雨工程面積,按小區(qū)模擬計(jì)算成果,進(jìn)行擴(kuò)大指標(biāo)估算,無(wú)集雨工程部分按常規(guī)徑流計(jì)算。
式中:Wm1為集雨區(qū)年凈雨量;Wm2為集雨區(qū)年入滲雨量;Wm3為集雨區(qū)年向城市排水系統(tǒng)溢流雨量;Wm4為集雨區(qū)年利用雨量;Pd為日降水量;λij為對(duì)應(yīng) i種下墊面 j區(qū)段的產(chǎn)流系數(shù);Sij為對(duì)應(yīng) i種下墊面 j區(qū)段的產(chǎn)流坡度修正系數(shù);Fij為無(wú)集雨工程對(duì)應(yīng) i種下墊面j區(qū)段的產(chǎn)流面積;Fm1為有集雨工程小區(qū)的產(chǎn)流面積;nd為年降雨天數(shù);n為下墊面 i的個(gè)數(shù);m為對(duì)應(yīng)i種下墊面 j區(qū)段的的個(gè)數(shù)。
城市排水能力:由于小區(qū)集雨工程建設(shè),雨洪在小區(qū)中被利用,洪峰流量大大削減,排水能力增加,排水標(biāo)準(zhǔn)將提高。
3.4.1 集雨工程排水能力
設(shè)計(jì)洪峰:
原狀態(tài)(按水科院水文所推理公式):
有集雨工程措施狀態(tài):
式中:P1h為設(shè)計(jì)降水頻率下一小時(shí)日降水量;Sij為對(duì)應(yīng)i種下墊面j區(qū)段的坡度系數(shù);λij為對(duì)應(yīng) i種下墊面 j區(qū)段的產(chǎn)流系數(shù);Fij為無(wú)集雨工程對(duì)應(yīng)i種下墊面j區(qū)段的產(chǎn)流面積;W3為有集雨工程示范小區(qū)溢流量;F1為有集雨工程示范小區(qū)面積;Fm1為有集雨工程小區(qū)面積;n0為暴雨強(qiáng)度衰減指數(shù)(根據(jù)大連降雨過(guò)程線匹配為 n0=3.29)。
軟件是在VB.NET平臺(tái)開(kāi)發(fā),主界面由4部分組成:1菜單;2工具條;3動(dòng)畫(huà)播放區(qū);4成果輸出區(qū)(詳見(jiàn)圖4)。軟件在完成模擬過(guò)程中,可將計(jì)算全過(guò)程記錄在數(shù)據(jù)庫(kù)中。
4.1 菜單
由五個(gè)主菜單及十個(gè)子菜單組成。
集雨模擬參數(shù):修改與加載氣象資料、修改與加載產(chǎn)流參數(shù)、修改與加載小區(qū)集雨模擬參數(shù)、退出。
集雨試驗(yàn)?zāi)M:產(chǎn)流系數(shù)模擬試驗(yàn)、集雨管路設(shè)計(jì)流量模擬試驗(yàn)。
年集雨量模擬:年集雨量模擬。繪圖:繪圖。
幫助:光華JY-SY幫助、其它。
4.2 工具條
工具條由八個(gè)按鈕組成:①加載小區(qū)集雨模擬參數(shù);②加載產(chǎn)流參數(shù);③加載氣象資料;④產(chǎn)流系數(shù)模擬試驗(yàn);⑤集雨管路設(shè)計(jì)流量模擬試驗(yàn);⑥年集雨量模擬;⑦繪圖;⑧幫助。
4.3 動(dòng)畫(huà)播放
當(dāng)選擇不同雨型時(shí),可有不同雨強(qiáng)動(dòng)畫(huà)片播放。
4.4 成果輸出區(qū)
隨著模擬時(shí)間的推進(jìn),成果輸出區(qū)的模擬成果數(shù)據(jù)不斷變化,變化成果與最終成果都存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中。
圖4 集雨模擬軟件界面圖
[1]田光忠.昌平區(qū)集雨工程的典型范例[J].水利規(guī)劃與設(shè)計(jì),2008(06):24-27.
M athematical M odels of Rain Collection in Residential Area
QU Shou-fei
(Dalian City Jinzhou New DistrictWater Conservancy Management&Service Center,Dalian 116100,China)
According to the local climatic conditions,soil texture,roofingmaterials,pavement condition,and surface composition,different underlying surface runoff coefficients are calculated.Selecting the residential area as a unit,the simulation experiment of using mathematical models was carried out in order to apply them for the design and planning in the residential water rain collection.
rainwater collection;permeability;moisture absorption;concentration;living environment
TV992
B
1007-7596(2015)02-0014-05
2014-12-15
曲壽飛(1964-),男,遼寧大連人,高級(jí)工程師,從事技術(shù)管理工作。