雨水管渠的推理法与模型法耦合交互驱动设计及建模方法技术

本发明专利技术公开了一种雨水管渠的推理法与模型法耦合交互驱动设计及建模方法，包括以下步骤：推理法设计情景确定、水文模型构建及参数选取、雨水管渠的推理法和模型法耦合交互驱动设计、雨水管渠设计方案的水文水力数学模型构建。本发明专利技术原创性地提出了推理法和模型法的衔接关系，进而建立的新方法带来3个有益效果：(1)建立了雨水管渠设计方案水文模型参数选取方法，解决这一长期困扰排水界的技术难题；(2)保留推理法计算同频率最大流量作为设计流量的优点，同时利用水文模型实现对推理法径流系数随设计降雨变化而变化的赋值，提高设计流量计算的科学性；(3)同步完成雨水管渠设计及水文水力数学建模，支持基于数学模型模拟的设计方案评估。方案评估。方案评估。

【技术实现步骤摘要】
雨水管渠的推理法与模型法耦合交互驱动设计及建模方法


[0001]本专利技术涉及室外排水设计
，尤其涉及一种雨水管渠的推理法与模型法耦合交互驱动设计及建模方法。

技术介绍

[0002]雨水管渠设计的方法主要包括三种：推理法、模型法、推理法和模型法联用。
[0003]一、推理法
[0004]推理公式法(以下简称推理法)是雨水管渠设计的经典理论。很可能是爱尔兰人Mulvany(1850)最早提出了推理法的原理(BUTLER D,DIGMAN C,MAKROPOULOS C等.Urban Drainage[M].第4th版.Boca Raton,London,New York:CRC Press,2018)。而建立推理法的人，美国人倾向于是Kuichling(1889)(KUICHLING E.The Relation Between the Rainfall and the Discharge of Sewers in Populous Districts[J].Transactions of the American Society of Civil Engineers,1889,20(1):1
–
56)，英国人倾向于是Lloyd
‑
Davies(1906)(LLOYD
‑
DAVIES D.The Elimination of Storm
‑
Water from Sewerage Systems[J].Minutes of the Proceedings of the Institution of Civil Engineers,1906,164(1906):41
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67)。不论怎么算，推理法已经用了一百多年，至今仍在世界范围内广泛使用。
[0005]推理法计算公式如下：
[0006]Q＝qΨF
[0007]式中，Q是最大径流量；q是设计暴雨强度，它是设计重现期P和降雨历时t的函数，用暴雨强度公式计算；F是汇水面积；Ψ是径流系数(无量纲)，对应设计暴雨和汇水区特征。在推理法的假设条件下，当集水时间等于降雨历时的时候，雨水径流量达到最大值。
[0008]推理法的核心优点在于，它直接给出同重现期(或同频率)的最大径流量作为管道设计的依据。推理法的提出基于3个假设，即暴雨强度在平面上和时间上均匀分布、汇水面积随集流时间均匀增长、管道内为恒定均匀流。这3个假设同时也是推理法的局限，已有不少研究致力于突破这3个假设造成的局限：(1)关于管道内为恒定流的假设，有折减系数法、沟道容量平衡法可以考虑雨水道调蓄作用。这些方法利用了沟道内的调蓄潜力，经济性较好，但是没有安全系数，难以适应气候变化，《室外排水设计规范》自2014年版起不再考虑。(2)关于汇水面积随集流时间均匀增长这个假设，有流量叠加法可以解决。(3)关于暴雨强度在平面和时间上都是均匀分布的假设，也有一些方法试图加以解决。比如《室外排水设计规范》规定的推理法适用于不超过2km2的流域，这可以减少降雨空间分布不均匀性的影响。又比如邓培德先生探索了降雨沿时分布不均匀条件下的径流洪峰调蓄，建立了雨水沟道容量平衡法推理公式计算设计流量。尽管这些努力在一定程度上减小了推理法的缺陷，但是它们不可能改变推理法的适用范围，即不适于过程分析，更不用说对复杂系统的过程分析。
[0009]另外，还有一个至关重要的问题——径流系数取值。这是推理法的关键特征之一，即把复杂多变的产汇流过程概括为径流系数，用径流系数来计算径流量。推理法的英文是
Rational Method，有些文献将其写为Rational Number Method，意思就是用一个有理数作为径流系数来计算径流量(PENNINGTON M.The rational method
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frequently used,often misused[C]//Water New Zealand Stormwater Conference 2012.)。径流系数取值是个复杂问题，它和地面覆盖类型(如屋面、绿地)、地形(如平地、起伏、坡地)、设计暴雨重现期、降雨历时都有关系。我国《室外排水设计规范》要求依据地面覆盖类型对径流系数取值，2021年最新版《室外排水设计标准》(根据国家相关规定，最新版规范改称为标准)条文4.1.8增加了随设计重现期提高而提高径流系数的要求。美国华盛顿州运输局发布的水力手册要求在依据地面覆盖类型取值的基础上，还要根据地形(如平地、起伏、坡地)和设计重现期调整取值(WASHINGTON STATE DEPARTMENT OF TRANSPORTATION.Hydraulics Manual[R].2019,M23
‑
20.06)。不仅如此，径流系数和降雨历时也有关。在推理法设计中，设计师在开始计算前先给各个汇水区指定径流系数。而在这个时候，下游汇水区的集水时间是不知道的，因为只有在设计出上游管道的管径、坡度并计算出管道流行时间之后，才能计算出来。也就是说，设计师在对下游汇水区径流系数取值的时候，下游汇水区的设计降雨历时是不知道的。那么，这种预先指定的径流系数很难说是准确的。由上可见，设计师给径流系数取值不合理、随意的可能性不仅存在，而且这种可能性很大。地表产流过程十分复杂，准确地给径流系数取值对设计师提出了过高的要求。而一个过高的要求在实践中往往会被忽略，相当于没有要求，于是径流系数取值不得不成为―宜粗不宜细的办法”。
[0010]二、模型法
[0011]2014年版《室外排水设计规范》把数学模型法(以下简称模型法)引入设计。其中条文3.2.1规定―当汇水面积大于2km2时，宜考虑降雨和地面渗透吸能的时空分布不均匀性和管网汇流过程等因素，采用数学模型法确定雨水设计流量”。2021年版《室外排水设计标准》将―宜”改为―应”。―宜”表示允许稍有选择，而―应”表示严格，在正常情况下均应这样做。这就提高了要求应用模型法的严格程度。
[0012]排水工程设计常用的数学模型一般由降雨模型、产流模型、汇流模型、管网水动力模型等一系列模型组成，涵盖了排水系统的多个环节。数学模型可以考虑同一降雨事件中降雨强度在不同时间和空间的分布情况，因而可以更加准确地反映地表径流的产生过程和径流流量，也便于和后续的管网水动力学模型衔接。
[0013]模型法的核心优点在于，它集成了降雨、产流、汇流过程理论和认识，通过关联计算模拟它们之间的非线性关系，进而可以对复杂系统进行过程分析，不受推理法假设的限制。但是，模型也有两个重要缺点：
[0014]一是模型法不能直接计算出设计流量，只能对设计方案进行校核和评估；
[0015]二是模型法需要实测数据对模型进行参数率定和验证，而设计方案是没有实测数据的。实践中，目前解决这个问题的做法要么是在数学模型软件手册(如EPA SWMM)推荐范围内自定参数值，要么采用别人报道的数学模型参数值。这两种做法都像是刻舟求剑，是权宜本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.雨水管渠的推理法与模型法耦合交互驱动设计及建模方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、根据雨水管渠的布置，划分出若干个子汇水区和管段，并建立表格记录管段与子汇水区之间的连接关系；S2、为所有子汇水区确定推理法设计情景；所述推理法设计情景是指推理法的3个基础参数的组合，即：(P，t1，Ψ)其中：P是设计暴雨重现期，单位为年；t1是地面集水时间，单位为min；Ψ是推理法的子汇水区径流系数；推理法设计情景(P，t1，Ψ)的设计降雨为：q(P，t1)其中，q是降雨强度，q(P，t1)代表降雨强度是P和t1的函数；推理法设计情景(P，t1，Ψ)的Ψ仅适用于设计降雨q(P，t1)且降雨历时为t1的时刻，即：Ψ＝Ψ(P，t1)其中：Ψ(P，t1)代表推理法对子汇水区径流系数的取值函数；子汇水区常由不透水面和透水面构成，则子汇水区径流系数等于不透水面径流系数和透水面径流系数的加权平均值：Ψ＝％Imperv
·
Ψ
imp
+(1
‑
％Imperv)Ψ
per
其中：％Imperv是不透水面占比，Ψ
imp
是推理法的不透水面径流系数，Ψ
per
是推理法的透水面径流系数；推理法设计情景(P，t1，Ψ)可以分解为两个部分：不透水面设计情景(P，t1，Ψ
imp
)和透水面设计情景(P，t1，Ψ
per
)，其中的径流系数Ψ
imp
和Ψ
per
仅适用于设计重现期为P的均匀降雨且降雨历时为t1的时刻，即：Ψ
imp
＝Ψ
imp
(P，t1)Ψ
per
＝Ψ
per
(P，t1)其中：Ψ
imp
(P，t1)代表推理法对不透水面径流系数的取值函数，Ψ
per
(P，t1)代表推理法对透水面径流系数的取值函数；推理法取值函数由设计师确定，即由设计师综合考虑各方面因素对推理法设计情景所含参数进行取值；S3、选择第1个子汇水区，利用雨水排水模拟软件为该子汇水区构建水文模型，即水文模型1；在推理法设计降雨q(P，t1)下，根据水文模型1的计算结果可以得到随时间变化的径流系数；为了和推理法径流系数有所区别，用Ψ加撇号表示模型法径流系数，即：Ψ
′
＝Ψ
′
(P，t1)Ψ
′
imp
＝Ψ
′
imp
(P，t1)Ψ
′
per
＝Ψ
′
per
(P，t1)其中：Ψ
′
是模型法的子汇水区径流系数，Ψ
′
imp
是模型法的不透水面径流系数，Ψ
′
per
是模型法的透水面径流系数，Ψ
′
(P，t1)代表模型法对子汇水区径流系数的取值函数，Ψ
′
imp
(P，t1)代表模型法对不透水面径流系数的取值函数，Ψ
′
per
(P，t1)代表模型法对透水面径流系数的取值函数；模型法取值函数由数学模型确定；
S4、调整并选取水文模型1的参数，使得在设计降雨q(P，t1)且降雨历时为t1的时刻，模型法径流系数值与推理法径流系数值相等，即：Ψ(P，t1)＝Ψ
′
(P，t1)Ψ
imp
(P，t1)＝Ψ
′
imp
(P，t1)Ψ
imp
(P，t1)＝Ψ
′
per
(P，t1)S5、选择第2个子汇水区，利用雨水排水模拟软件为该子...

【专利技术属性】
技术研发人员：王晟，胡家璇，
申请(专利权)人：同济大学，
类型：发明
国别省市：