本發(fā)明涉及一種基于USRAMS的雨水管網(wǎng)優(yōu)化設計方法，屬于排水管網(wǎng)設計與水力模型技術交叉領域。

背景技術：

我國雨水系統(tǒng)設計，長期以來均采用推理公式法結合恒定均勻流理論進行管網(wǎng)設計計算，該方法由于自身適用條件的限制，僅適用于較小區(qū)域的設計，應用與較大匯水流域時，其計算精度偏低。新版《室外排水設計規(guī)范》(GB 50014-2006)規(guī)定當匯水面積超過2km²時，宜采用數(shù)學模型法校核并調整雨水設計方案。隨著新版室外排水規(guī)范的發(fā)布，模型技術在我國開始推廣，如丹麥DHI公司的MIKE URBAN，英國Wallingford公司的ICM，特別是美國EPA公司的SWMM模型工具軟件已在國內得到廣泛應用。

城市內澇風險分析模型系統(tǒng)(Urban StormWater Risk Analysis Modeling System)(簡稱USRAMS)是由北京工業(yè)大學給排水系統(tǒng)研究室在多年研究的基礎上自主開發(fā)的。USRAMS主要由一維管網(wǎng)模型模擬計算部分與二維地表淹水模擬計算部分組成，支持一維管網(wǎng)與二維地表的耦合模擬計算，基于ArcGIS提供的嵌入式組件庫ArcEngine進行開發(fā)，以當前主流的地圖數(shù)據(jù)管理平臺ArcGIS作為底層數(shù)據(jù)庫的管理系統(tǒng)，采用MicrosoftAccess數(shù)據(jù)庫作為基礎層數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。USRAMS采用目前國內常用的SWMM作為一維管網(wǎng)模型水力計算的計算引擎，并在此基礎上添加了等流時線模塊從而使軟件更加符合我國實際情況，在二維地表漫流計算中采用自主研發(fā)的內澇淹水計算引擎，基于路徑追蹤以及水量平衡原理進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進行管網(wǎng)模型基礎數(shù)據(jù)的處理。

目前，根據(jù)新版《室外排水設計規(guī)范》要求，我國雨水管網(wǎng)的設計重現(xiàn)期提高到了3至5年，設計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理論來計算管網(wǎng)的匯流過程，采用恒定流理論進行管網(wǎng)的水動力學過程計算，其特點在于應用簡單，但是也存在很多實際問題難以解決。推理公式法是根據(jù)滿流流動的時間來確定匯水時間，并沒有通過流量過程線來模擬管道的真實匯流過程。而要更加準確的模擬管網(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動是一種淺水中的長波傳播現(xiàn)象，通常稱為動力波，因為水流運動的主要作用力是重力，屬于重力波的范疇，如忽略運動方程中的慣性項和壓力項，只考慮摩阻和底坡的影響，簡化后方程組所描述的運動稱為運動波。

運動波演算方法是利用每一管渠動量方程的簡化形式，求解連續(xù)性方程。用運動波演算時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，進口/出口損失、水流逆轉或者壓力流，也限制為枝狀網(wǎng)絡布局。由水力學理論可知，運動波法與推理公式法的設計工況最為接近(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計結果時需用運動波法。

針對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)化設計方法。基于雨水管網(wǎng)設計數(shù)據(jù)構建USRAMS雨水管網(wǎng)水力模型，利用運動波進行模擬計算，根據(jù)模型結果將管段超載(如圖1所示，管段運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)設計中是不允許存在)作為校核標準，根據(jù)模型結果對設計方案進行優(yōu)化，從而達到提高雨水管網(wǎng)設計可靠性的目的。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明主要為克服推理公式法的缺點，利用水力模型技術提高雨水管網(wǎng)設計的可靠性，對用推理公式法設計的雨水管網(wǎng)進行校核優(yōu)化。利用USRAMS與水力學基本原理，提出了一種基于USRAMS的雨水管網(wǎng)優(yōu)化設計方法。

本發(fā)明的技術方案如下：

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

(1)根據(jù)推理公式法對雨水管網(wǎng)完成初步設計；

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

將初步設計得到的.xls格式的雨水管網(wǎng)水力計算表中雨水管網(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

將初步設計得到的.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，將所選元素導出為.shp格式文件并命名為面.shp同時加載到ArcGIS軟件中。重新構建所加載的.shp格式文件的字段，添加編號(Text型)、出水口(Text型)字段，利用字段計算器輸入"編號"＝'Sub'&'FID'為編號字段賦值。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建立對應關系，并使其與步驟(1)初步設計中的對應關系保持一致，利用字段計算器輸入"面.出水口"＝'檢查井.編號'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)水力模型構建

(3.1)導入設計雨水管網(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文件導入到USRAMS軟件Access數(shù)據(jù)庫中，同時將匯水區(qū).shp文件的雨量計字段統(tǒng)一賦值為RG1，匯水時間、徑流系數(shù)字段分別賦值為t₁、Ψ。

(3.2)構建芝加哥雨型

根據(jù)當?shù)乇┯陱姸裙脚c步驟(1)所選設計重現(xiàn)期P，利用現(xiàn)有的芝加哥雨型生成器構建芝加哥雨型，其中雨峰系數(shù)r取0.3～0.5、時間間隔取1min、降雨歷時T取180min。將生成的降雨時間序列文件導入到USRAMS模型中。

(4)USRAMS雨水管網(wǎng)水力模型運行計算

取模型計算步長為1min、運行時間取3h、報告時間步長取1min、地表匯流模型選取等流時線、管網(wǎng)匯流模型選取運動波，參數(shù)設置完成后運行模型，待模型運行結束后保存模型結果。

(5)根據(jù)模型結果對雨水管網(wǎng)設計結果進行優(yōu)化

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

重復步驟(1)～步驟(5)直到模型結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，利用模型技術使雨水管網(wǎng)設計結果更加可靠，為雨水管網(wǎng)的規(guī)劃設計提供指導。

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

3.本專利所述方法具有可操作性，無需進行復雜的程序編寫，只需借助現(xiàn)有的軟件即可完成各個步驟，操作簡易，容易實現(xiàn)，保證了本專利的可實施性。

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)化設計方法”的工作流程示意圖。

圖3管道優(yōu)化前

圖4管道優(yōu)化后

具體實施方式：

本發(fā)明的具體實施流程如圖2所示，包括以下步驟：

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

(2)將初步設計得到的.xls格式的雨水管網(wǎng)水力計算表中雨水管網(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)將初步設計得到的.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，將所選元素導出為.shp格式文件并命名為面.shp同時加載到ArcGIS軟件中。重新構建所加載的.shp格式文件的字段，添加編號(Text型)、出水口(Text型)字段，利用字段計算器輸入"編號"＝'Sub'&'FID'為編號字段賦值。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建立對應關系，并使其與步驟(1)初步設計中的對應關系保持一致，利用字段計算器輸入"面.出水口"＝'檢查井.編號'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文件導入到USRAMS軟件Access數(shù)據(jù)庫中，同時將匯水區(qū).shp文件的雨量計字段統(tǒng)一賦值為RG1，匯水時間、徑流系數(shù)字段分別賦值為t₁、Ψ。

(5)根據(jù)當?shù)乇┯陱姸裙脚c步驟(1)所選設計重現(xiàn)期P，利用現(xiàn)有的芝加哥雨型生成器構建芝加哥雨型，其中雨峰系數(shù)r取0.3～0.5、時間間隔取1min、降雨歷時T取180min。將生成的降雨時間序列文件導入到USRAMS模型中。

(6)取模型計算步長為1min、運行時間取3h、報告時間步長取1min、地表匯流模型選取等流時線、管網(wǎng)匯流模型選取運動波，參數(shù)設置完成后運行模型，待模型運行結束后保存模型結果。

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

(8)重復步驟(1)～步驟(7)直到模型結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施性。