1、簡介

促使水力設(shè)施和系統(tǒng)開發(fā)研究的主要原因是雨水的輸入問題。為了簡化設(shè)計(jì)計(jì)算和限制模擬的時(shí)間，一般利用典型的暴雨降雨來進(jìn)行研究。在佛蘭德斯，在降雨強(qiáng)度/持續(xù)時(shí)間/頻率關(guān)聯(lián)性的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出標(biāo)準(zhǔn)的暴雨，用在綜合下水道設(shè)計(jì)上（IDF--關(guān)聯(lián)性）（Vaes，1999）。這些設(shè)計(jì)的暴雨被叫做“合成暴雨”（Fig.1），這是因?yàn)檫@種暴雨重現(xiàn)了各種暴雨降雨中的所有過程，暴雨降雨中的各種情況都包含在其中了[與著名的芝加哥暴雨相比（Keifer & Chu，1957）。

                                                                                                      Fig.1. 設(shè)計(jì)逆程周期為2年的佛蘭德暴雨（即合成暴雨）

然而，降雨的可變性是很高的。對照兩種模擬結(jié)果（水力系統(tǒng)中流量，水深，等等），一個模擬結(jié)果是從連續(xù)的模擬中得到的，一個模擬結(jié)果從設(shè)計(jì)暴雨降水得到的，從這個對照中可以可以當(dāng)降雨固有可變性可以忽略的時(shí)候，通過研究一些顯著的差異，可以估算在一場暴雨出現(xiàn)的概率（Dah1，Harremoes，Jacobsen，1996；Vaes，1999）。這些差異對系統(tǒng)的影響是微小，而且它的變化是線性的，因?yàn)橹苯拥慕涤隂Q定了流量的峰值和流量的最大值。當(dāng)系統(tǒng)的變化越來越接近于“容量性”系統(tǒng)時(shí)（及儲水箱在系統(tǒng)中的作用越來越大），這種差異將變大。一個容量性的系統(tǒng)有受到以前降雨影響的存儲功能。一般來說綜合下水道系統(tǒng)有一個空置時(shí)間段，時(shí)間接近12個小時(shí)。由于有源頭控制建筑，這個空置時(shí)間段將變的很大（幾個星期或幾個月）。在暴雨過后不久，如果又連續(xù)下了好幾場的暴雨，在以前的的情況，降雨將大量會占用綜合下水道系統(tǒng)的容量或維持設(shè)施的容量。存儲器的影響力越大，降雨中的固有可變性對模擬的結(jié)果影響就越大。例如：在平坦地區(qū)的綜合下水道系統(tǒng)中，下游末端有水泵排水，對存儲容量來說流過量幾乎是完全獨(dú)立的，因此系統(tǒng)中的存儲容量主要是決定于流入量。在滲透設(shè)施也是一樣的，在滲透系統(tǒng)中滲透能力的大小僅僅取決于設(shè)施的容量大小和設(shè)施的剩余容量大小，因此它也是主要取決于輸入量的大小。
　　
在過去的幾年里，越來越多的“容量性”系統(tǒng)建成，而且未來還將有更多的被建成。而且大容量的存儲對保留雨水和削減雨水的流量是必須的。這些存儲設(shè)施可以建在下水道系統(tǒng)中（即時(shí)存儲），也可以建在綜合下水道系統(tǒng)中（延時(shí)存儲）。然而，越來越多的人將開始關(guān)注“源頭控制”，這就意味著，存儲能力是由雨水儲水箱、滲透溝渠、逆流式排水系統(tǒng)等等方面決定的。由于這些源頭控制設(shè)施，降雨時(shí)間長短的影響甚至比綜合的下水道系統(tǒng)中的存儲還要大。人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)在源頭控制在某些地方（利用地區(qū)）需要比下游地區(qū)更大容量的存儲（Vaes & Berlamont，1998，1999），這個現(xiàn)象同樣被Herrmann和Schmida發(fā)現(xiàn)（1999）。由于逆流式存儲有更長空置時(shí)間，可使用的存儲器的保持力就更小。在進(jìn)行精確的計(jì)算時(shí)，這就需要更加加強(qiáng)對降雨中固有可變性的考慮。

2、在下游排水系統(tǒng)中設(shè)備水力保持力的影響
　　
對綜合下水道系統(tǒng)中源頭控制影響力大小的評價(jià)，主要是通過對雨水中固有的可變性的即時(shí)評估，這是因?yàn)殚L時(shí)間的降雨具有重要的影響力。當(dāng)存儲設(shè)施放置在綜合下水道系統(tǒng)的上游（在雨水進(jìn)入下水道系統(tǒng)之前），降雨的輸入通常是模仿進(jìn)入下水道系統(tǒng)的雨水徑流，這樣可以考慮到上游存儲設(shè)施的影響。這些源頭控制設(shè)施可以很簡單的用簡單的蓄水池形式的模型進(jìn)行模擬，這樣就可以在一個很短的時(shí)間里處理連續(xù)的長時(shí)間段的雨水模擬仿真。因此這樣的預(yù)處理降雨可以用在下游排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，這個處理方法可以在雨水儲水箱和溝渠使用。由于雨水儲水箱的存在，以前一個月內(nèi)的降雨的情況可以在同時(shí)得到處理。同樣利用這個簡化的模型，我們可以得到雨水儲水箱各個最理想的設(shè)計(jì)參數(shù)（例如：Herrmann & Schmida，1999；Mikkelsen，Adeler，Albrechtsen & Henze，1999），從佛蘭德斯地區(qū)雨水儲水箱的設(shè)計(jì)參數(shù)可以得到如Fig.2圖所示（Vaes & Berlamont，1998，1999）。此外，這個簡化可以同時(shí)用在上游水力保持設(shè)施和下水道系統(tǒng)中（Vaes，1999），綜合下水道系統(tǒng)中上游水力保持設(shè)施在溢流上的效果已經(jīng)得到驗(yàn)證（Herrmann & Schmida，1999；Mikkelsen，Adeler，Albrechtsen & Henze，1999）。

3、方法
　　
為了使雨水儲水箱的作用在下水道系統(tǒng)中顯示出來，所以就要建立一個模型去估算雨水儲水箱在原下水道系統(tǒng)中的作用以及用這個模型去估算在人工合成的暴雨中儲水箱產(chǎn)生的作用。為達(dá)到這樣的目的，用一個簡單蓄水池模型來收集雨水如下圖Fig.3。屋面部分的雨水（α）將流入雨水儲水箱里，其他部分的雨水（1-α）直接流入下水道系統(tǒng)中。一小部分的雨水回用逐漸地用完儲水箱中的積存雨水，回用后的降雨再排入到綜合下水道系統(tǒng)中。如果儲水箱裝滿水的話，溢流出來的雨水直接流入下水道系統(tǒng)中去。

Fig.3. （α）雨水儲水箱總體，（b）簡單的儲存模型用在儲水箱中，為了把上游式儲水箱用在綜合下水道系統(tǒng)中RWF的輸入（RWF=雨水流入，DWF=無雨水流入）。
　　

在Fig.4圖中，可以看出如何去使用這種方法來處理雨水。從儲水箱溢流出的雨水可以轉(zhuǎn)化為等量的降雨量來處理。降低的系數(shù)由降雨強(qiáng)度/持續(xù)時(shí)間/頻率關(guān)聯(lián)性（IDF關(guān)聯(lián)性）決定。最初的合成暴雨可以通過這個降低系數(shù)來調(diào)節(jié)，這個在暴雨期間大概是一個線性關(guān)系的函數(shù)方程。由于對這些人工合成的暴雨進(jìn)行了精心的考慮和分析，所以在最初的合成暴雨中可以使用這個降低系數(shù)來處理。

4、最大價(jià)值評估
　　
降雨參數(shù)中有大量的內(nèi)在可變性因素的影響，所以在逆程周期中，降雨強(qiáng)度/持續(xù)時(shí)間/頻率關(guān)聯(lián)性的最大價(jià)值的衰減是需要精確考慮的。然而，雨水儲水箱顯而易見的改變了這種價(jià)值的分配系統(tǒng)。在雨水儲水箱儲存能力的作用下，即使強(qiáng)度最大的暴雨也幾乎沒有什么影響，而且仍然適用指數(shù)分配方式系統(tǒng)（Willems1998）。降雨的頻率越高，雨水儲水箱儲存能力產(chǎn)生的減波作用就越大，這樣就演化成另一種指數(shù)分配系統(tǒng)。因此最終結(jié)論性的分配系統(tǒng)有兩種方式，這兩種方式之間可以逐漸地相互轉(zhuǎn)化。這種混合形式的分配系統(tǒng)大體上接近排列分配方式，至少在雨水分析中有添加補(bǔ)充的作用。排列分配方式有很大的限定繼承性，這就意味著有更大突發(fā)性降雨概率。在這種排列分配方式下，降雨強(qiáng)度i和逆程周期T之間的是對數(shù)線性關(guān)系：

　
因?yàn)楸┯杲涤陼r(shí)間短和雨水儲水箱儲水力保持力大，那么減波所產(chǎn)生的作用就更大。依靠衰減給出的最大相關(guān)性，指數(shù)分配系統(tǒng)可以保留使用或是用排列分配方式。在這樣的分析中，使用簡單的雨水衰減就足夠了，因?yàn)闆]有其他推斷的可靠性在逆程周期中比原降雨系統(tǒng)高。最后，線性衰減規(guī)律可以使用在暴雨降雨函數(shù)中的衰減系數(shù)，這樣可以得到單一的人工合成暴雨。

5、實(shí)際使用
　　
當(dāng)大兩的參數(shù)包含在內(nèi)，這種方法可以在軟件程序中得到使用，軟件名稱“Rewaput”（‘REgenWAterPUT’雨水儲水箱的俚稱）。這個方法也可以把雨水徑流模型的影響因素綜合起來處理，或者使用在設(shè)計(jì)暴雨處理的上游滲透設(shè)施中。當(dāng)越來越多的源頭控制技術(shù)得到使用，這種方法可以在計(jì)算處理中對降雨的有更大作用，并且可以在實(shí)際應(yīng)用中得到使用。
　　
滲透和設(shè)施的水力保持一般是非線性的，因?yàn)榱鞒隽渴窍薅ǖ?，連續(xù)長周期的模擬因而是必要的。簡單概念上的模型（對上游設(shè)施水利保持力）是單一的，而且在長時(shí)間的模擬中，這個概念上的模型不需要長時(shí)間的計(jì)算。在這個模型中，27年的降雨被合并處理，這樣的降雨是和Flemish合成暴雨屬于一個系列的（1967—1993年）。一套Rewaput模型的參數(shù)處理在奔騰III733電腦上處理時(shí)間僅僅需要大概5秒鐘。如果參數(shù)變化超過集水量，這時(shí)候分配系數(shù)被離散化并且其他好幾套的參數(shù)被考慮。在處理中，離散化的步驟、參數(shù)的誤差和參數(shù)的種類決定了計(jì)算的數(shù)目，這些在處理中必須要考慮的。在Rewaput模型中，三角形的分配系統(tǒng)可用來估算隨機(jī)的儲存變量和雨水的消耗量（例如集水量的誤差量）（見Fig5）。

　
對三角形的分配系統(tǒng)中每一個變化，乘上相應(yīng)的參數(shù)權(quán)重，這樣可以計(jì)算出該參數(shù)的全部變化影響力。如用兩個隨機(jī)的參數(shù)，那么它們的計(jì)算時(shí)間將成平方的增加。為了減少計(jì)算時(shí)間，離散的時(shí)候需要考慮參數(shù)的誤差。

6、結(jié)果分析
　　
雖然雨水儲水箱的儲存量和滲透設(shè)施在降雨中不一定完全起到作用（也就是因?yàn)檫@些設(shè)施沒有被實(shí)際降雨充滿），但這種上游式水力保持設(shè)施仍然對流入下水道的雨水徑流有很大的影響?？梢钥闯?，如果這些設(shè)施在一定范圍內(nèi)安裝實(shí)施使用，那么合適的雨水儲水箱能很顯著的削減下水道中的流量峰值。在Fig.6圖中，可以看到雨水儲水箱在暴雨處理中的影響。在這個計(jì)算分析中，估計(jì)在30%封閉區(qū)域里，每100m2屋面設(shè)置一個5000升的雨水儲水箱，每天每100m2消耗100升雨水。這個幾乎削減里人工合成暴雨中的峰值，一年的使用相當(dāng)于以前五年的分析。有可能通過一個簡單的設(shè)計(jì)方法去預(yù)見這個影響。

7、結(jié)論
　　
從這個方法可以看出，源頭控制技術(shù)在下游式排水系統(tǒng)中的作用。更進(jìn)一步地，可以看出有可能對雨水中各種參數(shù)進(jìn)行合并處理，這樣可以得到更精確的上游式對雨水處理的影響。為了限制計(jì)算時(shí)間，可以成功地使用簡單的模型去處理。
　　
這種處理方法還可以用來合并處理非線性表面徑流模型或模擬滲透設(shè)施的作用，這些設(shè)計(jì)受到地表雨水的影響。通常情況，在佛蘭德斯，下水道系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，在固定的封閉區(qū)域一般表面徑流系數(shù)取固定的0.8數(shù)值。在長時(shí)間段的方法使用中，更加實(shí)際的徑流（也就是更大容量的表面徑流模型）模型可以得到校準(zhǔn)。這樣的處理可以包含在設(shè)計(jì)計(jì)算中，使用簡單的概念徑流模型和合并在設(shè)計(jì)暴雨中各個影響因素的處理方法。這個同樣可以適用于滲透設(shè)施和雨水徑流中。單一的概念性模型可以使用到暴雨設(shè)計(jì)中，這樣可以做到不會忽視雨水在上游式水力保持設(shè)施的作用。
 

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