城市雨水排水系统设计

　　《中国给水排水》创刊于1985年，本刊为半月刊，主编：丁堂堂。国内统一刊号：CN12-1073/TU，国际刊号：ISSN1000-4602。《中国给水排水》是面向全国给水排水和环境工程界的专业性科技期刊，是中国建筑类核心期刊和中国科技论文统计源期刊，具有较高的理论导向性和较强的工程实践性，在国内享有盛誉，被称为中国水行业的“首席杂志”。

　　针对应对环境变化对城市雨水排水系统设计带来的影响，从城市暴雨分布规律、城市化进程、雨水管网模拟等方面，分析了国内外研究成果。提出应综合考虑随机、模糊、区间、粗糙等多种不确定性信息，构建城市雨水排水系统的设计模型。研究结果显示，环境变化改变了城市雨水排水系统的原有规律，且存在较大不确定性，可基于信息熵理论构建城市雨水排水系统设计模型，减小不确定性。

　　目前城市雨水管网系统设计没有完全发挥作用，暴雨时常导致内涝现象发生[1]，城市内涝积水灾害问题日益严重，威胁生命、财产安全，影响城市发展[2]。雨水管网系统失效的根本原因，则是由于在雨水管网系统设计过程中存在的大量不确定性[3-4]，从而造成设计输水能力严重小于设计雨量，导致出大范围的城市内涝现象。总结内涝损失原因，改进已有的雨水排水系统设计办法，才能促进城市持续发展。

　　1城市雨水排水系统设计中不确定性的来源

　　设计过程中存在的不确定性，包括气候变化导致暴雨强度分布规律改变、城市化进程不断推进导致径流系数变化[5-6]，汇水面积量测误差、设计计算误差以及管段淤塞导致的管径变化等[3]。传统设计中假定暴雨分布规律在设计期限内保持不变，采用2～5a暴雨重现期设计计算暴雨量。所选重现期过小易直接导致设计暴雨量过小，雨水管网系统无法及时排出，造成积水灾害;过大则造成系统建设费用过高。在全球气候变化的影响下，暴雨历时—强度—重现期规律也在发生变化[7-8]，沿用已有暴雨强度分布规律进行雨水管网设计，势必增加设计排水能力的不确定性。径流系数在一般设计中均根据城市发展规模选择一个确定值，或根据植被、土壤分布情况用加权平均方式确定一个加权值[9-10]。过大的径流系数易造成实际过水能力下降，过小的径流系数又易造成造价过高等问题。显然，传统的径流系数确定方法难以适应不断推进的城市化进程，也造成城市内涝积水灾害发生的频率增加。汇水面积量测误差、设计计算误差及使用过程管径的变化，同样给设计管网的过水能力带来不确定性。

　　2国内外研究及发展动态分析

　　2.1城市设计暴雨分布规律研究

　　暴雨资料的统计分析是城市雨水管网系统设计的基础，分析结果的准确性直接关系到雨水管网系统的设计流量，进而影响雨水管网系统的可靠性和工程投资大小[3-4]。城市设计暴雨分布规律研究主要包括暴雨资料的选样、频率分析及暴雨强度公式选择与参数确定等方面的研究内容。国内外根据观测到的资料长短及对城市雨水排水设计重现期要求的高低，相继提出了年最大值法、年超大值法、年多个样法、超定量法等选样方法，各种选样方法均有其优缺点，给设计暴雨强度大小带来不确定性[11]。暴雨频率分析研究方面主要集中于研究皮尔逊Ⅲ型分布曲线、负指数分布曲线和耿贝尔分布曲线等各种理论分布曲线的适应性，研究结果分歧较大，目前各城市尚无统一的分布线型，也给城市雨水设计带来不确定性[12]。暴雨强度公式方面国内外均提出了适合国情的计算公式，美国采用i=a/(t+b)n(1)式中：i为暴雨强度，单位：mm/min;a为雨力参数，即不同重现期下的1min设计降雨量，单位：mm;t为降雨历时，单位：min;b为降雨历时修正参数，单位：min;n为暴雨衰减指数，无量纲。日本采用i=a/(t+b)，我国较多采用式(1)或i=A1(1+ClgT)/(t+b)n(2)式中：A1为重现期为1a时的1min设计降雨量，单位：mm;C为雨力变动参数，无量纲;T为重现期，单位：a;其它符号同前。在确定暴雨强度公式后，采用遗传算法等较适合的参数确定方法可适当减小公式选择带来的不确定性[13]。

　　2.2城市化进程对城市雨水排水影响研究

　　随着城市化进程的不断推进，城市的数量、规模、人口有了很大的增长，对城市当地水文状况造成了较大的影响[10]。国外对该问题研究较早，Singh等[14]对城市化带来城市化区域气候变化和降雨变化进行了研究，结果表明城市化区域降雨雨量比农村降雨雨量多5%~10%。Deletic等[15]提出植被渗透浅沟模型，研究了不同材质的地表，对城市暴雨径流量及洪峰流量的影响，结果表明渗透的增大可有效削减城市暴雨洪峰流量，减少内涝积水灾害的发生，汪艳宁等[9]用实验手段进一步验证了该理论模型分析结果。我国1980年代上海市水文总站研究了上海老市区城市化对降雨影响的程度和范围，实验中设置了13个雨量观测点，与各郊县的55个雨量站平行观测，结果表明降水强度以市区为中心向外依次减小，城市化后使暴雨雨日增多[16]。周玉文等[17]通过两次暴雨径流无因次单位过程线比较显示，城市化进程使不透水面积已达全流域面积的25%以上，洪水峰值明显提高，洪峰流量增大、洪峰出现时间提前，按原城市化规模设计的雨水管网已远不能满足及时排出暴雨洪水的要求。

　　2.3城市雨水管网系统模拟与优化设计研究

　　随着计算机技术的发展，国内外对城市雨水管网模拟与优化问题进行了广泛的研究。美国等发达国家自20世纪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、蓄水处理与溢流模型STORM、MIKE模型、澳大利亚XP-SWMM模型等多种雨水管网系统模拟模型[18]。结合我国实际，我国学者相继提出了各种城市雨水径流计算模型，周玉文等[17]基于地理信息系统开发的城市雨水径流模型实时模拟技术，得到国内外广泛关注。国内外对城市雨水管网模拟的研究多侧重于对降雨-径流系统中间过程的物理过程的描述，而输入不确定性对系统输出的影响方面的研究尚未得到重视，主要原因在于实际降雨-径流过程是一个复杂性系统，受制于不确定性系统理论与方法的研究水平。对城市雨水管网系统参数的优化研究中，传统的优化思路主要是通过调整各管道管径使建造费用目标最小，难以保证设计出的管网系统具有较高的可靠性，国内外相继提出了度量管网不确定性的研究方法[17-18]，但研究思路多是将不确定性因素转换为确定性的约束条件，仍沿用传统优化思路设计管网，管网系统优化结果的可靠程度仍较低。

　　2.4不确定性理论研究进展

　　不确定性研究一直是系统科学、信息科学等学科领域的研究热点，近年来取得了大量研究成果[11]。目前对不确定性的研究多集中于随机信息、模糊信息、区间信息、粗糙信息等各种不确定性的处理[19]。为便于不确定性计算，传统研究思路主要张明，等：城市雨水排水系统设计不确定性研究进展••5是针对各种具有特定性质的不确定性信息给出特定的计算方法，通过数学变换转换为确定性信息，便于传统方法处理。然而，这种研究思路一方面难以处理包含多种不确定性信息的研究问题，另一方面将不确定性转换为确定性的过程丢失了大量信息，给计算结果增加了新的不确定性。信息科学中的信息熵理论被认为是研究不确定性的有效工具之一，是一种人为影响最小的客观准则，在通信、能源、环境、金融、水文等多学科领域内都取得了一系列的研究成果[20-21]。为解决信息熵理论在应用中存在的优化求解困难等问题，张明等[22]在前期工作中开发、验证了一整套基于智能计算平台的信息熵模型，如遗传熵谱模型、遗传最大熵模型等，可更容易地与模糊数学、神经网络、层次分析等智能算法融合，在水资源系统模拟、预测、评价、决策等问题中取得了较好的研究成果，扩展了传统信息熵理论的研究范围。应用该理论方法，处理城市雨水管网优化设计中的不确定性，构建包含各种不确定性信息的可靠性目标函数，减小城市雨水管网设计中的不确定性，提高城市内涝积水灾害风险管理水平，在防灾减灾理论与实践方面具有重要意义。

　　3结语

　　1)全球气候变化的影响日益显著，城市化进程日渐加快，将给城市雨水管网设计带来新的挑战。2)当前急需改进传统的确定性设计方法，提出综合考虑随机、模糊、区间、粗糙等多种不确定性信息的城市雨水管网设计模型，服务于各种新建城市雨水管网设计和已有城市雨水管网系统的改造。3)开展基于不确定性的城市雨水管网优化设计研究，具有较强的现实意义，还可形成不确定性优化理论与方法，推动资源与环境科学等相关学科领域的发展，具有一定的理论研究价值。