排水管网和河流模型耦合的工程应用

　　摘要：采用OpenMI软件来实现排水管网模型和河流模型的耦合，对带特殊构筑物的明渠和排水管网实施并行和动态模拟计算，获得更准确可靠的模型结果，为工程项目的排水影响评价提供依据。

　　关键词：管网模型，河流模型，模型耦合

　　Abstract: adopting OpenMI software to realize the drainage pipelines model and rivers of the coupling model, with special structures of the open channels and drainage pipelines for parallel and dynamic simulation, obtain more accurate and reliable results of the model for the engineering project of drainage impact assessment provides the basis.

　　Keywords: pipe network model, the river model, coupling

　　中图分类号： TU821.3 文献标识码：A 文章编号：

　　1 前言

　　随着计算水力学和水信息等领域的研究发展，专业计算机软件进行水力模拟分析在工程实践中得到了越来越广泛的应用。目前应用较广泛的排水模型软件有InfoWorks CS(Innovyze，原为Wallingford Software)、Mike Urban(丹麦水力学研究所)、StormCAD(Bentley)、EPASWMM(美国环保署)，以及清华规划院近年开发的DigitalWater。与基于经验公式的水力计算方法相比，采用排水系统模型具有以下几个优点：①排水模型是基于系统的范畴，各系统元件(如管段和窨井)的水力计算是同时并行实施的，因此可以考虑上下游彼此的互动影响，而不需要象传统计算方法，从上游向下游，由排水支路到排水干管，依次逐根计算各管段的排水性能。②排水模型通常都采用分布式水文模块模拟复杂环境下的降雨径流过程，采用完全求解的Saint-Venant方程进行管流水力计算，并通过一维和二维模块的耦合，模拟分析雨水流经地下管网、地上构筑物及坡面流的路径和流量情况，其水文水力计算结果更准确可靠。③排水模型是基于计算机程序的自动化计算，大大减少了工程师分析计算过程中的人工计算工作量，大大提高了效率，并避免了由于人工疏漏所造成的计算错误。④排水模型通常都有与AutoCAD环境、数据库和地理信息系统的接口，并具有强大的数据管理、图表显示和数据分析统计功能，使模型结果的整理分析更为直观便利。本文基于已有排水系统模型，考虑常规耦合方法在并行运算和动态数据交换方面的不足，采用OpenMI(Open Modelling Interface)软件来实现排水模型和河流模型的动态耦合，实现两种模型的并行动态运行计算，以期获得更准确可靠的分析计算结果，为排水影响评价提供参考。

　　2 问题的提出和解决方案

　　作者在香港的某工程项目中，就遇到了排水管网模型模拟明渠复杂构筑物存在局限性的实际问题。该排水系统是一个约有2000个排水管段的大型雨水管网系统，除不同尺寸的涵管外，有一条约20m宽、4m深的人工行洪明渠贯穿该管网下游区域，明渠的下游直接连接入海口。因同时受上游雨洪和下游潮汐顶托影响，该行洪明渠的水力条件比较复杂。该雨水管网的现有模型是用InfoWorks CS模型建立的，由于该行洪渠水道顺直，断面较规则，所以将InfoWorks CS模型的涵管元件，配置矩形明渠断面形式(OREC)，来直接模拟该行洪渠。

　　因项目建设需要，在行洪渠离入海口600～1200 m处的上游渠段，需用约1m厚的混凝土现浇板覆盖，并在其上部修建商业建筑和交通道路等。初步的结构设计方案是在该渠段中设两排圆形结构柱，直径分别为0.6m和2.2m两种。

　　由于这些结构柱的修建，势必将减小行洪渠断面的过流面积，并造成局部水头损失和壅水现象，从而将对该排水渠道的行洪能力造成较大的不利影响。根据香港渠务署要求，作为行洪干渠上修建的工程项目，需要实施该项目的排水影响评价。香港雨水排水手册(Stormwater Drainage Manual)规定，雨水干管/渠需要达到200年一遇的设计标准，具体要求是在 (a) 200年一遇的暴雨叠加10年一遇的高潮位，或者(b) 10年一遇的暴雨叠加200年一遇的高潮位，取最不利情形下，各管/渠段能达到有至少300mm的超高。 因此排水影响评价需要准确计算，在200年一遇的设计标准下，该排洪渠各断面上的水位。

　　InfoWorks CS是基于一维Saint-Venant方程的排水模型，只能将明渠作为涵管的一种特殊形式来进行模拟，因此对该项目结构设计方案中的结构柱，无法直接模拟，需要进行一定的简化，并引入假设，如假设柱体间有连续墙体连接，即将该渠段的两排结构柱，模拟成两排连续墙，加上覆盖的现浇板，该渠段实际被模拟成三根并行的暗渠，然后通过增大暗渠的沿程糙率系数，来考虑各结构柱的局部水头损失。

　　河流模型同样是基于Saint-Venant方程进行水动力计算，专长于模拟河道、水工建筑物和漫滩，以及相关的复杂水力情况，有很多工程应用案例，分析精度和可靠性均较高，可以来模拟分析该项目中各结构柱的水头损失和行洪渠相关断面的水位、流量和流速。目前应用较广泛的河流模型有Mike 11(丹麦水力学研究所)、InfoWorks RS(Innovyze)和 HEC-RAS(美国陆军工程兵团)等。

　　由于原系统采用了InfoWork CS 排水模型，因此必须将排水模型和河流模型进行耦合，为达到较好的耦合效果，采用同一软件开发商的InfoWorks RS河流模型来模拟分析行洪渠和结构柱。在河流模型中，这些结构柱将被模拟成桥墩，根据柱体间前后间距大小，采用InfoWorks RS的USBPR 单桥或双桥(Dual Bridge)元件进行模拟。

　　为克服常规耦合方法的不足，本文作者采用了OpenMI软件来实现该项目中排水模型和河流模型的动态耦合。OpenMI是由欧洲的一些水利研究机构、高校和水工程专业软件开发商合作开发的一套不同水工程模型的开放型接口标准，有C#和Java两种语言版本。在用户层面上，OpenMI提供了一个主流水工程软件互相衔接的标准框架和接口，它允许不同模型通过一个界面友好的视窗交互平台，不需要实施任何编程，实现了不同模型在时间步长基础上进行并行运算和动态数据交换，目前在工程实践中已经有了很多成功的应用案例。OmiEd (OpenMI Configuration Editor)是OpenMI的操作界面，模型耦合和运行的主要操作均在这个界面完成，主要实施步骤包括：①在OmiEd中导入不同模型;②根据数据传输方向，建立模型之间的交互链接 ;③配置链接，根据选择的边界条件，定义模型间输入输出的数据交换端口;④设置运算触发器;⑤模型的耦合运算。

　　该项目中，针对问题的本质特征，分成三个模型子系统，即①该行洪渠段上游的排水管网，模型采用InfoWorks CS排水模型;②该行洪渠段，模型采用InfoWorks RS河流模型;③该行洪渠下游的排水管网，模型采用InfoWorks CS模型。三个子模型间按上游至下游设置顺序链接，除第3个子系统的下游边界条件为海潮位，其它边界条件均为入流。利用InfoWorks软件自带的暴雨事件生成工具，采用Gumbel算法，生成200年一遇4h历时的暴雨事件过程线。明渠段采用的曼宁糙率系数为0.014，各管渠均用10%的断面高度来考虑底部泥沙沉积。三个子模型运算计算的时间步长均为5s。

　　3 模型分析结果

　　基于以上的模型耦合方法，排水子模型和河流子模型通过OpenMI软件，在200年一遇的设计标准下， 对整个排水系统进行并行联合模拟分析。该行洪渠段下端约140m长渠段InfoWorks RS模拟水位的纵断面图。该图明显表明，由于在结构柱的水头损失，各结构柱的上游均会产生了一定的水位抬高，相应的板底超高也由下游向上游逐渐减少， 4个节点模型计算的最高水位值和相应的板底超高，节点4的板底超高已经不能满足最少300mm超高的要求，而该节点上游渠段模型结果表明超高将进一步减少，甚至出现满流的情况。模型分析结果表明该项目结构设计初步方案需要进行调整，建议尽量采用流线型及水头损失小的柱体形状，尽量减少或不要将结构柱设置在过水断面之中，或者采用拓宽渠道等措施，以控制该工程项目对系统排水性能的影响，并最终满足相关防洪要求。

　　4 总结

　　本文作者在项目实践中，根据问题的关键，有针对性地选择合适的模型工具，以充分发挥不同模型的特长，分别采用InfoWorks RS河流模型和InfoWorks CS排水模型对带复杂构筑物的明渠和市政排水管网进行模拟，并通过OPMI工具将该两种模型进行耦合，实现了不同模型的并行动态运行计算，以获得了更准确可靠的分析计算结果，合理分析了该工程初步设计方案对行洪渠水力性能的影响，为项目排水影响评价提供参考，并对设计方案的修改提出了相关建议。

　　参考文献：

　　[1] Gregersen, J. B., Gijsbers, P. J. A., and Westen, S. J. P. OpenMI: Open modeling interface[J], Hydroinformatics, 2007

　　[2] 香港渠务署. Stormwater Drainage Manual[B], 2000.

　　[3] Wallingford Software. InfoWorks RS User Manual[B], 2009.

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文章名称： 排水管网和河流模型耦合的工程应用

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