摘要：采用OpenMI軟件來實現(xiàn)排水管網(wǎng)模型和河流模型的耦合，對帶特殊構(gòu)筑物的明渠和排水管網(wǎng)實施并行和動態(tài)模擬計算，獲得更準(zhǔn)確可靠的模型結(jié)果，為工程項目的排水影響評價提供依據(jù)。

　　關(guān)鍵詞：管網(wǎng)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

　　中圖分類號： TU821.3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：

　　1 前言

　　隨著計算水力學(xué)和水信息等領(lǐng)域的研究發(fā)展，專業(yè)計算機軟件進行水力模擬分析在工程實踐中得到了越來越廣泛的應(yīng)用。目前應(yīng)用較廣泛的排水模型軟件有InfoWorks CS(Innovyze，原為Wallingford Software)、Mike Urban(丹麥水力學(xué)研究所)、StormCAD(Bentley)、EPASWMM(美國環(huán)保署)，以及清華規(guī)劃院近年開發(fā)的DigitalWater。與基于經(jīng)驗公式的水力計算方法相比，采用排水系統(tǒng)模型具有以下幾個優(yōu)點：①排水模型是基于系統(tǒng)的范疇，各系統(tǒng)元件(如管段和窨井)的水力計算是同時并行實施的，因此可以考慮上下游彼此的互動影響，而不需要象傳統(tǒng)計算方法，從上游向下游，由排水支路到排水干管，依次逐根計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塊模擬復(fù)雜環(huán)境下的降雨徑流過程，采用完全求解的Saint-Venant方程進行管流水力計算，并通過一維和二維模塊的耦合，模擬分析雨水流經(jīng)地下管網(wǎng)、地上構(gòu)筑物及坡面流的路徑和流量情況，其水文水力計算結(jié)果更準(zhǔn)確可靠。③排水模型是基于計算機程序的自動化計算，大大減少了工程師分析計算過程中的人工計算工作量，大大提高了效率，并避免了由于人工疏漏所造成的計算錯誤。④排水模型通常都有與AutoCAD環(huán)境、數(shù)據(jù)庫和地理信息系統(tǒng)的接口，并具有強大的數(shù)據(jù)管理、圖表顯示和數(shù)據(jù)分析統(tǒng)計功能，使模型結(jié)果的整理分析更為直觀便利。本文基于已有排水系統(tǒng)模型，考慮常規(guī)耦合方法在并行運算和動態(tài)數(shù)據(jù)交換方面的不足，采用OpenMI(Open Modelling Interface)軟件來實現(xiàn)排水模型和河流模型的動態(tài)耦合，實現(xiàn)兩種模型的并行動態(tài)運行計算，以期獲得更準(zhǔn)確可靠的分析計算結(jié)果，為排水影響評價提供參考。

　　2 問題的提出和解決方案

　　作者在香港的某工程項目中，就遇到了排水管網(wǎng)模型模擬明渠復(fù)雜構(gòu)筑物存在局限性的實際問題。該排水系統(tǒng)是一個約有2000個排水管段的大型雨水管網(wǎng)系統(tǒng)，除不同尺寸的涵管外，有一條約20m寬、4m深的人工行洪明渠貫穿該管網(wǎng)下游區(qū)域，明渠的下游直接連接入?？?。因同時受上游雨洪和下游潮汐頂托影響，該行洪明渠的水力條件比較復(fù)雜。該雨水管網(wǎng)的現(xiàn)有模型是用InfoWorks CS模型建立的，由于該行洪渠水道順直，斷面較規(guī)則，所以將InfoWorks CS模型的涵管元件，配置矩形明渠斷面形式(OREC)，來直接模擬該行洪渠。

　　因項目建設(shè)需要，在行洪渠離入海口600～1200 m處的上游渠段，需用約1m厚的混凝土現(xiàn)澆板覆蓋，并在其上部修建商業(yè)建筑和交通道路等。初步的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案是在該渠段中設(shè)兩排圓形結(jié)構(gòu)柱，直徑分別為0.6m和2.2m兩種。

　　由于這些結(jié)構(gòu)柱的修建，勢必將減小行洪渠斷面的過流面積，并造成局部水頭損失和壅水現(xiàn)象，從而將對該排水渠道的行洪能力造成較大的不利影響。根據(jù)香港渠務(wù)署要求，作為行洪干渠上修建的工程項目，需要實施該項目的排水影響評價。香港雨水排水手冊(Stormwater Drainage Manual)規(guī)定，雨水干管/渠需要達(dá)到200年一遇的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，具體要求是在 (a) 200年一遇的暴雨疊加10年一遇的高潮位，或者(b) 10年一遇的暴雨疊加200年一遇的高潮位，取最不利情形下，各管/渠段能達(dá)到有至少300mm的超高。 因此排水影響評價需要準(zhǔn)確計算，在200年一遇的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)下，該排洪渠各斷面上的水位。

　　InfoWorks CS是基于一維Saint-Venant方程的排水模型，只能將明渠作為涵管的一種特殊形式來進行模擬，因此對該項目結(jié)構(gòu)設(shè)計方案中的結(jié)構(gòu)柱，無法直接模擬，需要進行一定的簡化，并引入假設(shè)，如假設(shè)柱體間有連續(xù)墻體連接，即將該渠段的兩排結(jié)構(gòu)柱，模擬成兩排連續(xù)墻，加上覆蓋的現(xiàn)澆板，該渠段實際被模擬成三根并行的暗渠，然后通過增大暗渠的沿程糙率系數(shù)，來考慮各結(jié)構(gòu)柱的局部水頭損失。

　　河流模型同樣是基于Saint-Venant方程進行水動力計算，專長于模擬河道、水工建筑物和漫灘，以及相關(guān)的復(fù)雜水力情況，有很多工程應(yīng)用案例，分析精度和可靠性均較高，可以來模擬分析該項目中各結(jié)構(gòu)柱的水頭損失和行洪渠相關(guān)斷面的水位、流量和流速。目前應(yīng)用較廣泛的河流模型有Mike 11(丹麥水力學(xué)研究所)、InfoWorks RS(Innovyze)和 HEC-RAS(美國陸軍工程兵團)等。

　　由于原系統(tǒng)采用了InfoWork CS 排水模型，因此必須將排水模型和河流模型進行耦合，為達(dá)到較好的耦合效果，采用同一軟件開發(fā)商的InfoWorks RS河流模型來模擬分析行洪渠和結(jié)構(gòu)柱。在河流模型中，這些結(jié)構(gòu)柱將被模擬成橋墩，根據(jù)柱體間前后間距大小，采用InfoWorks RS的USBPR 單橋或雙橋(Dual Bridge)元件進行模擬。

　　為克服常規(guī)耦合方法的不足，本文作者采用了OpenMI軟件來實現(xiàn)該項目中排水模型和河流模型的動態(tài)耦合。OpenMI是由歐洲的一些水利研究機構(gòu)、高校和水工程專業(yè)軟件開發(fā)商合作開發(fā)的一套不同水工程模型的開放型接口標(biāo)準(zhǔn)，有C#和Java兩種語言版本。在用戶層面上，OpenMI提供了一個主流水工程軟件互相銜接的標(biāo)準(zhǔn)框架和接口，它允許不同模型通過一個界面友好的視窗交互平臺，不需要實施任何編程，實現(xiàn)了不同模型在時間步長基礎(chǔ)上進行并行運算和動態(tài)數(shù)據(jù)交換，目前在工程實踐中已經(jīng)有了很多成功的應(yīng)用案例。OmiEd (OpenMI Configuration Editor)是OpenMI的操作界面，模型耦合和運行的主要操作均在這個界面完成，主要實施步驟包括：①在OmiEd中導(dǎo)入不同模型;②根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸方向，建立模型之間的交互鏈接 ;③配置鏈接，根據(jù)選擇的邊界條件，定義模型間輸入輸出的數(shù)據(jù)交換端口;④設(shè)置運算觸發(fā)器;⑤模型的耦合運算。

　　該項目中，針對問題的本質(zhì)特征，分成三個模型子系統(tǒng)，即①該行洪渠段上游的排水管網(wǎng)，模型采用InfoWorks CS排水模型;②該行洪渠段，模型采用InfoWorks RS河流模型;③該行洪渠下游的排水管網(wǎng)，模型采用InfoWorks CS模型。三個子模型間按上游至下游設(shè)置順序鏈接，除第3個子系統(tǒng)的下游邊界條件為海潮位，其它邊界條件均為入流。利用InfoWorks軟件自帶的暴雨事件生成工具，采用Gumbel算法，生成200年一遇4h歷時的暴雨事件過程線。明渠段采用的曼寧糙率系數(shù)為0.014，各管渠均用10%的斷面高度來考慮底部泥沙沉積。三個子模型運算計算的時間步長均為5s。

　　3 模型分析結(jié)果

　　基于以上的模型耦合方法，排水子模型和河流子模型通過OpenMI軟件，在200年一遇的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)下， 對整個排水系統(tǒng)進行并行聯(lián)合模擬分析。該行洪渠段下端約140m長渠段InfoWorks RS模擬水位的縱斷面圖。該圖明顯表明，由于在結(jié)構(gòu)柱的水頭損失，各結(jié)構(gòu)柱的上游均會產(chǎn)生了一定的水位抬高，相應(yīng)的板底超高也由下游向上游逐漸減少， 4個節(jié)點模型計算的最高水位值和相應(yīng)的板底超高，節(jié)點4的板底超高已經(jīng)不能滿足最少300mm超高的要求，而該節(jié)點上游渠段模型結(jié)果表明超高將進一步減少，甚至出現(xiàn)滿流的情況。模型分析結(jié)果表明該項目結(jié)構(gòu)設(shè)計初步方案需要進行調(diào)整，建議盡量采用流線型及水頭損失小的柱體形狀，盡量減少或不要將結(jié)構(gòu)柱設(shè)置在過水?dāng)嗝嬷校蛘卟捎猛貙捛赖却胧?，以控制該工程項目對系統(tǒng)排水性能的影響，并最終滿足相關(guān)防洪要求。

　　4 總結(jié)

　　本文作者在項目實踐中，根據(jù)問題的關(guān)鍵，有針對性地選擇合適的模型工具，以充分發(fā)揮不同模型的特長，分別采用InfoWorks RS河流模型和InfoWorks CS排水模型對帶復(fù)雜構(gòu)筑物的明渠和市政排水管網(wǎng)進行模擬，并通過OPMI工具將該兩種模型進行耦合，實現(xiàn)了不同模型的并行動態(tài)運行計算，以獲得了更準(zhǔn)確可靠的分析計算結(jié)果，合理分析了該工程初步設(shè)計方案對行洪渠水力性能的影響，為項目排水影響評價提供參考，并對設(shè)計方案的修改提出了相關(guān)建議。

　　參考文獻(xiàn)：

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

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