給排水工程師論文城市雨水排水系統(tǒng)設計不確定性研究

　　每個城市都有排水系統(tǒng)，排水系統(tǒng)如果不合格的話，下雨可能就會造成洪澇災害，這與人們的生活和城市的發(fā)展是息息相關的，很多工程師也針對排水系統(tǒng)進行過一些設計和研究。本文是一篇給排水工程師論文，主要論述了城市雨水排水系統(tǒng)設計不確定性研究。

　　摘要：針對應對環(huán)境變化對城市雨水排水系統(tǒng)設計帶來的影響，從城市暴雨分布規(guī)律、城市化進程、雨水管網(wǎng)模擬等方面，分析了國內外研究成果。提出應綜合考慮隨機、模糊、區(qū)間、粗糙等多種不確定性信息，構建城市雨水排水系統(tǒng)的設計模型。研究結果顯示，環(huán)境變化改變了城市雨水排水系統(tǒng)的原有規(guī)律，且存在較大不確定性，可基于信息熵理論構建城市雨水排水系統(tǒng)設計模型，減小不確定性。

　　關鍵詞：城市雨水,排水系統(tǒng),管網(wǎng)系統(tǒng),設計,不確定性

　　引言

　　目前城市雨水管網(wǎng)系統(tǒng)設計沒有完全發(fā)揮作用，暴雨時常導致內澇現(xiàn)象發(fā)生[1]，城市內澇積水災害問題日益嚴重，威脅生命、財產安全，影響城市發(fā)展[2]。雨水管網(wǎng)系統(tǒng)失效的根本原因，則是由于在雨水管網(wǎng)系統(tǒng)設計過程中存在的大量不確定性[3-4]，從而造成設計輸水能力嚴重小于設計雨量，導致出大范圍的城市內澇現(xiàn)象。總結內澇損失原因，改進已有的雨水排水系統(tǒng)設計辦法，才能促進城市持續(xù)發(fā)展。

　　1城市雨水排水系統(tǒng)設計中不確定性的來源

　　設計過程中存在的不確定性，包括氣候變化導致暴雨強度分布規(guī)律改變、城市化進程不斷推進導致徑流系數(shù)變化[5-6]，匯水面積量測誤差、設計計算誤差以及管段淤塞導致的管徑變化等[3]。傳統(tǒng)設計中假定暴雨分布規(guī)律在設計期限內保持不變，采用2～5a暴雨重現(xiàn)期設計計算暴雨量。所選重現(xiàn)期過小易直接導致設計暴雨量過小，雨水管網(wǎng)系統(tǒng)無法及時排出，造成積水災害;過大則造成系統(tǒng)建設費用過高。在全球氣候變化的影響下，暴雨歷時—強度—重現(xiàn)期規(guī)律也在發(fā)生變化[7-8]，沿用已有暴雨強度分布規(guī)律進行雨水管網(wǎng)設計，勢必增加設計排水能力的不確定性。徑流系數(shù)在一般設計中均根據(jù)城市發(fā)展規(guī)模選擇一個確定值，或根據(jù)植被、土壤分布情況用加權平均方式確定一個加權值[9-10]。過大的徑流系數(shù)易造成實際過水能力下降，過小的徑流系數(shù)又易造成造價過高等問題。顯然，傳統(tǒng)的徑流系數(shù)確定方法難以適應不斷推進的城市化進程，也造成城市內澇積水災害發(fā)生的頻率增加。匯水面積量測誤差、設計計算誤差及使用過程管徑的變化，同樣給設計管網(wǎng)的過水能力帶來不確定性。

　　2國內外研究及發(fā)展動態(tài)分析

　　2.1城市設計暴雨分布規(guī)律研究

　　暴雨資料的統(tǒng)計分析是城市雨水管網(wǎng)系統(tǒng)設計的基礎，分析結果的準確性直接關系到雨水管網(wǎng)系統(tǒng)的設計流量，進而影響雨水管網(wǎng)系統(tǒng)的可靠性和工程投資大小[3-4]。城市設計暴雨分布規(guī)律研究主要包括暴雨資料的選樣、頻率分析及暴雨強度公式選擇與參數(shù)確定等方面的研究內容。國內外根據(jù)觀測到的資料長短及對城市雨水排水設計重現(xiàn)期要求的高低，相繼提出了年最大值法、年超大值法、年多個樣法、超定量法等選樣方法，各種選樣方法均有其優(yōu)缺點，給設計暴雨強度大小帶來不確定性[11]。暴雨頻率分析研究方面主要集中于研究皮爾遜Ⅲ型分布曲線、負指數(shù)分布曲線和耿貝爾分布曲線等各種理論分布曲線的適應性，研究結果分歧較大，目前各城市尚無統(tǒng)一的分布線型，也給城市雨水設計帶來不確定性[12]。暴雨強度公式方面國內外均提出了適合國情的計算公式，美國采用i=a/(t+b)n(1)式中：i為暴雨強度，單位：mm/min;a為雨力參數(shù)，即不同重現(xiàn)期下的1min設計降雨量，單位：mm;t為降雨歷時，單位：min;b為降雨歷時修正參數(shù)，單位：min;n為暴雨衰減指數(shù)，無量綱。日本采用i=a/(t+b)，我國較多采用式(1)或i=A1(1+ClgT)/(t+b)n(2)式中：A1為重現(xiàn)期為1a時的1min設計降雨量，單位：mm;C為雨力變動參數(shù)，無量綱;T為重現(xiàn)期，單位：a;其它符號同前。在確定暴雨強度公式后，采用遺傳算法等較適合的參數(shù)確定方法可適當減小公式選擇帶來的不確定性[13]。

　　2.2城市化進程對城市雨水排水影響研究

　　隨著城市化進程的不斷推進，城市的數(shù)量、規(guī)模、人口有了很大的增長，對城市當?shù)厮臓顩r造成了較大的影響[10]。國外對該問題研究較早，Singh等[14]對城市化帶來城市化區(qū)域氣候變化和降雨變化進行了研究，結果表明城市化區(qū)域降雨雨量比農村降雨雨量多5%~10%。Deletic等[15]提出植被滲透淺溝模型，研究了不同材質的地表，對城市暴雨徑流量及洪峰流量的影響，結果表明滲透的增大可有效削減城市暴雨洪峰流量，減少內澇積水災害的發(fā)生，汪艷寧等[9]用實驗手段進一步驗證了該理論模型分析結果。我國1980年代上海市水文總站研究了上海老市區(qū)城市化對降雨影響的程度和范圍，實驗中設置了13個雨量觀測點，與各郊縣的55個雨量站平行觀測，結果表明降水強度以市區(qū)為中心向外依次減小，城市化后使暴雨雨日增多[16]。周玉文等[17]通過兩次暴雨徑流無因次單位過程線比較顯示，城市化進程使不透水面積已達全流域面積的25%以上，洪水峰值明顯提高，洪峰流量增大、洪峰出現(xiàn)時間提前，按原城市化規(guī)模設計的雨水管網(wǎng)已遠不能滿足及時排出暴雨洪水的要求。

　　2.3城市雨水管網(wǎng)系統(tǒng)模擬與優(yōu)化設計研究

　　隨著計算機技術的發(fā)展，國內外對城市雨水管網(wǎng)模擬與優(yōu)化問題進行了廣泛的研究。美國等發(fā)達國家自20世紀60年代起，先后研究并完善了雨水管理模型SWMM、沃林福特程序、蓄水處理與溢流模型STORM、MIKE模型、澳大利亞XP-SWMM模型等多種雨水管網(wǎng)系統(tǒng)模擬模型[18]。結合我國實際，我國學者相繼提出了各種城市雨水徑流計算模型，周玉文等[17]基于地理信息系統(tǒng)開發(fā)的城市雨水徑流模型實時模擬技術，得到國內外廣泛關注。國內外對城市雨水管網(wǎng)模擬的研究多側重于對降雨-徑流系統(tǒng)中間過程的物理過程的描述，而輸入不確定性對系統(tǒng)輸出的影響方面的研究尚未得到重視，主要原因在于實際降雨-徑流過程是一個復雜性系統(tǒng)，受制于不確定性系統(tǒng)理論與方法的研究水平。對城市雨水管網(wǎng)系統(tǒng)參數(shù)的優(yōu)化研究中，傳統(tǒng)的優(yōu)化思路主要是通過調整各管道管徑使建造費用目標最小，難以保證設計出的管網(wǎng)系統(tǒng)具有較高的可靠性，國內外相繼提出了度量管網(wǎng)不確定性的研究方法[17-18]，但研究思路多是將不確定性因素轉換為確定性的約束條件，仍沿用傳統(tǒng)優(yōu)化思路設計管網(wǎng)，管網(wǎng)系統(tǒng)優(yōu)化結果的可靠程度仍較低。

　　2.4不確定性理論研究進展

　　不確定性研究一直是系統(tǒng)科學、信息科學等學科領域的研究熱點，近年來取得了大量研究成果[11]。目前對不確定性的研究多集中于隨機信息、模糊信息、區(qū)間信息、粗糙信息等各種不確定性的處理[19]。為便于不確定性計算，傳統(tǒng)研究思路主要張明，等：城市雨水排水系統(tǒng)設計不確定性研究進展••5是針對各種具有特定性質的不確定性信息給出特定的計算方法，通過數(shù)學變換轉換為確定性信息，便于傳統(tǒng)方法處理。然而，這種研究思路一方面難以處理包含多種不確定性信息的研究問題，另一方面將不確定性轉換為確定性的過程丟失了大量信息，給計算結果增加了新的不確定性。信息科學中的信息熵理論被認為是研究不確定性的有效工具之一，是一種人為影響最小的客觀準則，在通信、能源、環(huán)境、金融、水文等多學科領域內都取得了一系列的研究成果[20-21]。為解決信息熵理論在應用中存在的優(yōu)化求解困難等問題，張明等[22]在前期工作中開發(fā)、驗證了一整套基于智能計算平臺的信息熵模型，如遺傳熵譜模型、遺傳最大熵模型等，可更容易地與模糊數(shù)學、神經(jīng)網(wǎng)絡、層次分析等智能算法融合，在水資源系統(tǒng)模擬、預測、評價、決策等問題中取得了較好的研究成果，擴展了傳統(tǒng)信息熵理論的研究范圍。應用該理論方法，處理城市雨水管網(wǎng)優(yōu)化設計中的不確定性，構建包含各種不確定性信息的可靠性目標函數(shù)，減小城市雨水管網(wǎng)設計中的不確定性，提高城市內澇積水災害風險管理水平，在防災減災理論與實踐方面具有重要意義。

　　3結語

　　1)全球氣候變化的影響日益顯著，城市化進程日漸加快，將給城市雨水管網(wǎng)設計帶來新的挑戰(zhàn)。2)當前急需改進傳統(tǒng)的確定性設計方法，提出綜合考慮隨機、模糊、區(qū)間、粗糙等多種不確定性信息的城市雨水管網(wǎng)設計模型，服務于各種新建城市雨水管網(wǎng)設計和已有城市雨水管網(wǎng)系統(tǒng)的改造。3)開展基于不確定性的城市雨水管網(wǎng)優(yōu)化設計研究，具有較強的現(xiàn)實意義，還可形成不確定性優(yōu)化理論與方法，推動資源與環(huán)境科學等相關學科領域的發(fā)展，具有一定的理論研究價值。
　　給排水工程師論文投稿期刊推薦：《灌溉排水學報》（雙月刊）于1982年創(chuàng)刊，是由水利部中國農科院農田灌溉研究所，中國國家灌溉排水委員會主辦的學術類刊物，該刊為中文核心期刊，CSTA數(shù)據(jù)庫入選期刊，中國科技引文統(tǒng)計源期刊。任務是報道我國灌溉排水科學技術領域，如作物需水量，農業(yè)水資源開發(fā)與管理，灌溉排水技術，鹽堿地與低產田改良，水土保持與水流域沿理，灌排工程經(jīng)濟評價，機電排灌等最新研究成果。

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