一种基于USRAMS的雨水管网优化设计方法与流程

本发明涉及一种基于USRAMS的雨水管网优化设计方法，属于排水管网设计与水力模型技术交叉领域。

背景技术：

我国雨水系统设计，长期以来均采用推理公式法结合恒定均匀流理论进行管网设计计算，该方法由于自身适用条件的限制，仅适用于较小区域的设计，应用与较大汇水流域时，其计算精度偏低。新版《室外排水设计规范》(GB 50014-2006)规定当汇水面积超过2km²时，宜采用数学模型法校核并调整雨水设计方案。随着新版室外排水规范的发布，模型技术在我国开始推广，如丹麦DHI公司的MIKE URBAN，英国Wallingford公司的ICM，特别是美国EPA公司的SWMM模型工具软件已在国内得到广泛应用。

城市内涝风险分析模型系统(Urban StormWater Risk Analysis Modeling System)(简称USRAMS)是由北京工业大学给排水系统研究室在多年研究的基础上自主开发的。USRAMS主要由一维管网模型模拟计算部分与二维地表淹水模拟计算部分组成，支持一维管网与二维地表的耦合模拟计算，基于ArcGIS提供的嵌入式组件库ArcEngine进行开发，以当前主流的地图数据管理平台ArcGIS作为底层数据库的管理系统，采用MicrosoftAccess数据库作为基础层数据库系统。USRAMS采用目前国内常用的SWMM作为一维管网模型水力计算的计算引擎，并在此基础上添加了等流时线模块从而使软件更加符合我国实际情况，在二维地表漫流计算中采用自主研发的内涝淹水计算引擎，基于路径追踪以及水量平衡原理进行二维地表淹水模拟分析。USRAMS很好的利用了ArcGIS的数据处理功能，可以很好的借助ArcGIS进行管网模型基础数据的处理。

目前，根据新版《室外排水设计规范》要求，我国雨水管网的设计重现期提高到了3至5年，设计方法依然沿用推理公式法，为了使管网系统更加安全《规范》规定折减系数m值取1。推理公式法是基于恒定流水力学理论来计算管网的汇流过程，采用恒定流理论进行管网的水动力学过程计算，其特点在于应用简单，但是也存在很多实际问题难以解决。推理公式法是根据满流流动的时间来确定汇水时间，并没有通过流量过程线来模拟管道的真实汇流过程。而要更加准确的模拟管网汇流过程需采用基于圣维南方程组的非恒定流演算法，圣维南方程组描述的非恒定水流运动是一种浅水中的长波传播现象，通常称为动力波，因为水流运动的主要作用力是重力，属于重力波的范畴，如忽略运动方程中的惯性项和压力项，只考虑摩阻和底坡的影响，简化后方程组所描述的运动称为运动波。

运动波演算方法是利用每一管渠动量方程的简化形式，求解连续性方程。用运动波演算时管渠水面坡度等于管渠底坡，可以通过管渠输送的最大流量，为管渠满流正常水流数值，该种形式的演算没有考虑回水影响，进口/出口损失、水流逆转或者压力流，也限制为枝状网络布局。由水力学理论可知，运动波法与推理公式法的设计工况最为接近(水面坡度等于管道底坡，最大流量为管渠正常水流值)，因此在校核推理公式法设计结果时需用运动波法。

针对推理公式法的缺陷以及新版《室外排水规范》的要求，提出一种基于USRAMS的雨水管网优化设计方法。基于雨水管网设计数据构建USRAMS雨水管网水力模型，利用运动波进行模拟计算，根据模型结果将管段超载(如图1所示，管段运行水面高程高于管顶高程，但并未超出地面的现象，超载在管网设计中是不允许存在)作为校核标准，根据模型结果对设计方案进行优化，从而达到提高雨水管网设计可靠性的目的。

技术实现要素：

本发明主要为克服推理公式法的缺点，利用水力模型技术提高雨水管网设计的可靠性，对用推理公式法设计的雨水管网进行校核优化。利用USRAMS与水力学基本原理，提出了一种基于USRAMS的雨水管网优化设计方法。

本发明的技术方案如下：

一种基于USRAMS的雨水管网优化设计方法依次包含以下步骤：

(1)根据推理公式法对雨水管网完成初步设计；

根据新版《室外排水设计规范》(GB 50014-2006)地面集水时间t₁取5～15min，设计重现期P取3～5年，径流系数Ψ按各类地面面积用加权平均法计算得到，折减系数m值取1，暴雨强度公式参数选取当地参数。利用现有的鸿业市政管线设计软件完成雨水管网的初步设计，并输出.xls格式的雨水管网水力计算表与.dwg格式的雨水管网平面布置图。

(2)雨水管网与汇水区数据的GIS化处理

(2.1)雨水管网数据的GIS化处理

将初步设计得到的.xls格式的雨水管网水力计算表中雨水管网信息按照CADTableConvert软件的格式要求粘贴到.txt格式的文本文件中，并将文本文件命名为Y.txt，利用现有的CADTableConvert软件读取Y.txt文本文件，利用CADTableConvert软件中的GIS转化功能完成雨水管网的GIS化，最后利用输出Shape功能将GIS化后的雨水管网中的检查井，出水口，管段分别输出为.shp格式文件，并分别命名为检查井.shp、出水口.shp、管段.shp。

(2.2)汇水区数据的GIS化处理

将初步设计得到的.dwg格式文件加载到ArcGIS软件中，利用SQL语句选择CAD文件Ploygon图层中"Layer"＝'HY_YS_AREA_BORDERLING'的所有元素，将所选元素导出为.shp格式文件并命名为面.shp同时加载到ArcGIS软件中。重新构建所加载的.shp格式文件的字段，添加编号(Text型)、出水口(Text型)字段，利用字段计算器输入"编号"＝'Sub'&'FID'为编号字段赋值。将步骤(2.1)得到的检查井.shp文件加载到ArcGIS中，利用ArcGIS中的Spatial Join工具将面.shp与检查井.shp建立对应关系，并使其与步骤(1)初步设计中的对应关系保持一致，利用字段计算器输入"面.出水口"＝'检查井.编号'为面.shp文件出水口字段赋值，输出面.shp并命名为汇水区.shp。

(3)USRAMS雨水管网水力模型构建

(3.1)导入设计雨水管网数据

将步骤(2)中得到的检查井.shp、出水口.shp、管段.shp、汇水区.shp文件导入到USRAMS软件Access数据库中，同时将汇水区.shp文件的雨量计字段统一赋值为RG1，汇水时间、径流系数字段分别赋值为t₁、Ψ。

(3.2)构建芝加哥雨型

根据当地暴雨强度公式与步骤(1)所选设计重现期P，利用现有的芝加哥雨型生成器构建芝加哥雨型，其中雨峰系数r取0.3～0.5、时间间隔取1min、降雨历时T取180min。将生成的降雨时间序列文件导入到USRAMS模型中。

(4)USRAMS雨水管网水力模型运行计算

取模型计算步长为1min、运行时间取3h、报告时间步长取1min、地表汇流模型选取等流时线、管网汇流模型选取运动波，参数设置完成后运行模型，待模型运行结束后保存模型结果。

(5)根据模型结果对雨水管网设计结果进行优化

根据模型结果对于存在管段超载的管段，结合管段最大计算流量重新选取管径与坡度，同时利用鸿业市政管线软件中的修改管径、修改坡度命令对管段进行修改，使其过流能力等于最大计算流量，待对所有超载管段修改完成后，利用鸿业市政管线软件对修改后的雨水管网进行复算，并重新输出.xls格式的雨水管网水力计算表。

重复步骤(1)～步骤(5)直到模型结果中所有管段均没有超载现象为止。

本发明有益效果主要体现在：

1.采用本发明所述的方法，能够克服传统推理公式法的不足，利用模型技术使雨水管网设计结果更加可靠，为雨水管网的规划设计提供指导。

2.本专利所述方法所需参数少且易于得到，径流系数、汇水时间可直接获取，模型搭建过程简单快捷，模型结果可靠，保证了方法的适用性。

3.本专利所述方法具有可操作性，无需进行复杂的程序编写，只需借助现有的软件即可完成各个步骤，操作简易，容易实现，保证了本专利的可实施性。

附图说明：

图1为管道超载示意图

图2为本发明“一种基于USRAMS的雨水管网优化设计方法”的工作流程示意图。

图3管道优化前

图4管道优化后

具体实施方式：

本发明的具体实施流程如图2所示，包括以下步骤：

(1)根据新版《室外排水设计规范》(GB 50014-2006)地面集水时间t₁取5～15min，设计重现期P取3～5年，径流系数Ψ按各类地面面积用加权平均法计算得到，折减系数m值取1，暴雨强度公式参数选取当地参数。利用现有的鸿业市政管线设计软件完成雨水管网的初步设计，并输出.xls格式的雨水管网水力计算表与.dwg格式的雨水管网平面布置图。

(2)将初步设计得到的.xls格式的雨水管网水力计算表中雨水管网信息按照CADTableConvert软件的格式要求粘贴到.txt格式的文本文件中，并将文本文件命名为Y.txt，利用现有的CADTableConvert软件读取Y.txt文本文件，利用CADTableConvert软件中的GIS转化功能完成雨水管网的GIS化，最后利用输出Shape功能将GIS化后的雨水管网中的检查井，出水口，管段分别输出为.shp格式文件，并分别命名为检查井.shp、出水口.shp、管段.shp。

(3)将初步设计得到的.dwg格式文件加载到ArcGIS软件中，利用SQL语句选择CAD文件Ploygon图层中"Layer"＝'HY_YS_AREA_BORDERLING'的所有元素，将所选元素导出为.shp格式文件并命名为面.shp同时加载到ArcGIS软件中。重新构建所加载的.shp格式文件的字段，添加编号(Text型)、出水口(Text型)字段，利用字段计算器输入"编号"＝'Sub'&'FID'为编号字段赋值。将步骤(2)得到的检查井.shp文件加载到ArcGIS中，利用ArcGIS中的Spatial Join工具将面.shp与检查井.shp建立对应关系，并使其与步骤(1)初步设计中的对应关系保持一致，利用字段计算器输入"面.出水口"＝'检查井.编号'为面.shp文件出水口字段赋值，输出面.shp并命名为汇水区.shp。

(4)将步骤(2)～步骤(3)中得到的检查井.shp、出水口.shp、管段.shp、汇水区.shp文件导入到USRAMS软件Access数据库中，同时将汇水区.shp文件的雨量计字段统一赋值为RG1，汇水时间、径流系数字段分别赋值为t₁、Ψ。

(5)根据当地暴雨强度公式与步骤(1)所选设计重现期P，利用现有的芝加哥雨型生成器构建芝加哥雨型，其中雨峰系数r取0.3～0.5、时间间隔取1min、降雨历时T取180min。将生成的降雨时间序列文件导入到USRAMS模型中。

(6)取模型计算步长为1min、运行时间取3h、报告时间步长取1min、地表汇流模型选取等流时线、管网汇流模型选取运动波，参数设置完成后运行模型，待模型运行结束后保存模型结果。

(7)根据模型结果对于存在管段超载的管段，结合管段最大计算流量重新选取管径与坡度，同时利用鸿业市政管线软件中的修改管径、修改坡度命令对管段进行修改，使其过流能力等于最大计算流量，待对所有超载管段修改完成后，利用鸿业市政管线软件对修改后的雨水管网进行复算，并重新输出.xls格式的雨水管网水力计算表。

(8)重复步骤(1)～步骤(7)直到模型结果中所有管段均没有超载现象为止。

效果说明：

以检查井YDX446与检查井YDX444之间的管段优化前后的效果进行比较说明，优化前后效果如图3、图4所示。

根据图3、图4优化前后效果比较，管道优化前存在管道超载现象，管道优化后不存在管道超载现象，说明了本专利的可实施性。