2016深圳杯一等獎優(yōu)秀a4廣西大學(xué)清源

1、2016 年“杯”數(shù)學(xué)建模A 題賽市河流域光明片區(qū)水環(huán)境綜合整治方案可行性評估學(xué)校：廣西大學(xué)指導(dǎo)教師：（數(shù)學(xué)與科學(xué)學(xué)院，副教授，博士）（環(huán)境學(xué)院，講師，博士）隊(duì)員：媛（環(huán)境學(xué)院污染工程）王石（環(huán)境學(xué)院環(huán)境網(wǎng)絡(luò)模型）（計(jì)算機(jī)與)，學(xué)院）：郵箱：()(cliang)，(sunxiangphd)摘要水環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)主要指水質(zhì)惡化以及洪澇災(zāi)害對于系統(tǒng)的不利負(fù)面影響，快速城市化地區(qū)水環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評估與預(yù)警是國際前沿的熱點(diǎn)問題，是的前沿陣地，城市化水平高，城市化進(jìn)程快，水系發(fā)達(dá)，城市化過程水環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)問題突出。本研究目的旨在通過數(shù)學(xué)建模對市提出的河流域水污染綜合整治方案實(shí)施后的效果進(jìn)行評估，分析方案目標(biāo)可達(dá)性并提出完

2、善修改建議，以期為地方提供有一決策參考。河流域水污染綜合整治方案提出了保障和水質(zhì)兩個方面的目標(biāo)，方案目標(biāo)可達(dá)性分析其前提在于對方案確立的目標(biāo)進(jìn)行分解量化。本研究提出，保障的目標(biāo)可分解量化為：(1) 干流達(dá)到 100 年一遇，支流河道達(dá)到 2050 年一遇防洪標(biāo)準(zhǔn)下城市建成區(qū)不被淹；(2) 50 年一遇大暴雨下城市建成區(qū)內(nèi)澇能在 2 天內(nèi)排干，并且 2 天內(nèi)路面積水期居民住宅和工商業(yè)物的底層不進(jìn)水，道路中一條車道積水深度不超過 15cm；(3) 城市建成區(qū) 30%面積達(dá)到海綿城市建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)即 70%的降雨能就地消化和利用，入河雨水量小于單次降水量的 30%。水質(zhì)目標(biāo)可分解量化為：(1)河干流近期消

3、除黑臭，即在 0.25 米以上(要達(dá)到這個以上，氨氮在 8mg/L 以下；(2)懸浮物濃度在 15mg/L 以下)，溶解氧在 2mg/L河干流遠(yuǎn)期達(dá)到 類水，即懸浮物濃度在15mg/L 以下，溶解氧在 2mg/L 以上，氨氮在 2mg/L 以下，化學(xué)需氧量在 40mg/L以下，總磷在 0.4mg/L 以下。本研究構(gòu)建地表產(chǎn)流模型、地面匯流模型、水流在輸移的動態(tài)波方程以及雨水在水網(wǎng)中傳輸?shù)囊痪S非流模型等，模擬 100 年、50 年、20 年一雨情景，上游大、中型蓄、滯洪工程(湖庫等)以及中下游河道清淤清障工程、排澇泵站抽排工程實(shí)施并同時發(fā)揮作用后，河流域干流及其 13 條一級支流、17 宗水庫水

4、位以及建成區(qū)洪澇受災(zāi)區(qū)域，評估洪澇災(zāi)害強(qiáng)度和風(fēng)險(xiǎn)。構(gòu)建地表污染物的累積模型和沖刷模型、污染物在僅考慮污染物降解和平移擴(kuò)散水質(zhì)模型(系統(tǒng)輸移的完全混合一階衰減模型、用于COD、氨氮、總磷非持久性污染物的非穩(wěn)態(tài)混合衰減累積流量模式等)，采用差分解法，模擬河干流從上游到中游 12 公里長截流箱涵工程、濕地凈化工程、7090%的建成區(qū)實(shí)現(xiàn)截污納管、雨污分流部分或、光明污水處理廠改造提升工程、公明污水處理廠改造提升工程、松崗水質(zhì)凈化廠改造提升工程等實(shí)施并發(fā)揮作用下，城市暴雨徑流面源污染物輸出以及三個污水處理廠點(diǎn)源污染物排放共同脅迫下，各評價河段污染物的排放量，并與計(jì)算得到的各河段誰環(huán)境容量對比，計(jì)算干和

5、支流各時刻水質(zhì)達(dá)標(biāo)情況。河流域主2，ArcGIS10.1，ENVI5.1，SWMM5.0。研究中使用的模擬研究中使用來人口進(jìn)行對現(xiàn)有的年份與人口數(shù)據(jù)作基于最小二乘法的擬合，并對未；使用 ArcGIS 分析多源數(shù)據(jù)在空間的拓?fù)洌约疤幚砘A(chǔ)高程數(shù)據(jù)，劃分流域、設(shè)置概化管道數(shù)據(jù)、人口分布等；使用 ENVI 處理 Landsat8數(shù)據(jù)和數(shù)字高程數(shù)據(jù)（DEM），輻射定標(biāo)、大氣校正、幾何校正、監(jiān)督解譯等，得出該區(qū)域的土地利用數(shù)據(jù)，坡度數(shù)據(jù)等；使用 SWMM 模化流域集水區(qū)模型、管道集水模型、河流水庫模型等。綜合使用上述構(gòu)建整個模型評價系統(tǒng)，我們提出的不同情景模式，對河流域光明片區(qū)的水環(huán)境綜合整治方案可行

6、進(jìn)行評估。結(jié)果表明：(1) 100 年設(shè)計(jì)暴雨重現(xiàn)期下， 假設(shè)的最大溢出高度 8m 內(nèi)；支流新坡頭河和河干流最大水位為 5.67m，在水在 50 年重現(xiàn)期下超出假設(shè)的 4m 溢流水位，其他支流均在 4m 以下。玉田河和東坑水超出 20 年及 50 年設(shè)計(jì)量，不能滿足防洪要求，其余支流及干流均能滿足設(shè)計(jì)防洪要求。在 3個小時的設(shè)計(jì)暴雨下，研究區(qū)各區(qū)域均出現(xiàn)不同程度的積水，積水比例最高的區(qū)凼區(qū)域，三種重現(xiàn)期下積水程度均超過 88%。以 50 年的設(shè)計(jì)暴雨為域?yàn)檑蕝^(qū)域和木墩東坑區(qū)域，均 4.16 小時，最例，各區(qū)域的最大積水時長為小積水時長為玉田區(qū)域的 3.31 小時。在假設(shè)的最小需水量下水、新坡頭

7、水及水現(xiàn)有狀況能滿足最小需水量，東坑水和玉田河則不能達(dá)到最小需水，有斷流干涸風(fēng)險(xiǎn)。(2) 現(xiàn)有的截排式排水系統(tǒng)在旱季，經(jīng)由箱涵進(jìn)入光明污水處理廠河和污水處理廠的水量只有 35.53%和 37.87%；在雨季，20 年的設(shè)計(jì)暴雨重現(xiàn)期下，12 小時的水量已經(jīng)超出污水處理廠的設(shè)計(jì)處理規(guī)模，而且進(jìn)入污水處理廠的水質(zhì)污染物濃度波動較大的要求。在雨污分流情景下，干旱季節(jié)污水處理廠仍然污水處理廠處理水質(zhì)上述問題?？紤] 2020年河干流達(dá)到 V 類水質(zhì)的目標(biāo)要求，每年的最大河流污染物容量為COD10178.70 噸，TP143.13 噸，TN406.26 噸，在現(xiàn)有的截排模式下，TP 的排放量均在最大負(fù)荷之

8、下，COD 和 TN 的排放量均超出最大負(fù)荷，即在 2020 年無法達(dá)到水質(zhì) V 類水要求。在雨污分流情景下，TP 排放量不，COD 和 TN 均超容；(3)在 5%的低影響開發(fā)比例下，徑流削減率為 19.20%，COD、P、TSS的削減比例分別為 55.05%、48.94%、45.20%、60.14%；在低影響開發(fā)比例在 25% 的情況下，徑流削減率為 57.34%，COD、TN、TP、TSS 的削減比例分別為 54.32%、 52.11%、51.79%、57.96%。建議：1）在旱季，以一部分河水作為污水處理廠的補(bǔ)充進(jìn)水，使污水處理廠能達(dá)到正常運(yùn)行；2）在雨季，將前一小時二十分鐘的箱涵污水

9、介入污水處理3廠進(jìn)行處理，其余污水直排如河流?？紤]到水質(zhì)超標(biāo)的指標(biāo)污染物為 COD 和 TN，建議低影響開發(fā)比例設(shè)置在 10%左右。：水環(huán)境建模；建模；大截排；雨污分流；海綿城市4目錄1. 研究背景71.11.21.3研究區(qū)選擇和區(qū)域概述7雨污分流與大截排情景對比分析10河流域水環(huán)境綜合整治技術(shù)方案簡述11市1.3.11.3.2整治工程11技術(shù)方案擬定的技術(shù)方案擬定的水環(huán)境治理工程121.4 科學(xué)問題的提出122.治理工程模型132.1. 問題重述132.2. 模型假設(shè)132.3. 符號說明142.4. 問題分析152.4.1.2.4.2.2.4.3.2.4.4.降雨歷程模擬15地表徑流量的演

10、算18地面匯流量的演算18匯流量計(jì)算202.5. 模型的建立與求解212.5.1. 問題一：對現(xiàn)有防洪設(shè)施是否滿足防洪標(biāo)準(zhǔn)的分析212.5.2. 問題二：對當(dāng)前設(shè)計(jì)暴雨量是否滿足內(nèi)澇設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的分析262.5.3.問題三：對上游需水量的分析313.水環(huán)境治理工程模型323.1. 問題重述323.2. 模型假設(shè)323.3. 符號說明333.4. 問題分析343.4.1.3.4.2.地表沖刷量計(jì)算34人口模型353.5.模型的建立與求解363.5.1.3.5.2.3.5.3.問題一：假設(shè)情景下雨水直排所產(chǎn)生的污染物量在各段的排污量值36 問題二：在 2020 年前生活污水的產(chǎn)生量41問題三： 202

11、0 年前生活污水合雨水對污水處理廠造成的負(fù)荷的分析5.443.5.4. 問題四：雨水污染物的分段的分析453.6.小結(jié)484.海綿城市的低影響開發(fā)（LID）情景分析505.模型評價與改進(jìn)526.結(jié)論與建議53參考文獻(xiàn)55附錄 1：芝加哥暴雨模型57附錄 2：地表徑流模型60附錄 3：地面匯流模型62附錄 4：匯流模型64附錄 5：地表污染物積累模型67附錄 6：地表污染物沖刷模型69附錄 7：污染物混合一階衰減模型71附錄 8：面源污染物擴(kuò)散模型72附錄 9：河流域各河道典型斷面設(shè)計(jì)洪水成果73附錄 10：市 19852014 年年末常住人口74附錄 11：地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)基本項(xiàng)目標(biāo)準(zhǔn)限值7

12、561. 研究背景1.1 研究區(qū)選擇和區(qū)域概述河是市第一大河，發(fā)源于境內(nèi)的羊臺山北麓，屬珠角水系，位于市西北角，屬寶安區(qū)境內(nèi)，與東莞市搭界，主要寶安區(qū)的石巖鎮(zhèn)、流域面積為 344.23km2，光明街道、公明鎮(zhèn)、松崗鎮(zhèn)、沙井鎮(zhèn)與東莞安鎮(zhèn)其中境內(nèi)流域面積 266.85 km2 ，東莞境內(nèi)面積 77.38 km2。研究區(qū)選區(qū)河流域在光明片區(qū)的范圍，總面積 146.14km2，區(qū)位圖如圖 1-1 所示。在研究區(qū)內(nèi)，除 新坡頭河，木墩河， 羅村水庫，碧眼水庫，1-2 所示。河主干流外，研究范圍內(nèi)的對象還水，樓村水，水庫，水，玉田河等支流，水庫，蓮塘水庫，水庫等水庫以及光明、兩個污水處理廠，具體情圖 1-

13、1市河流域光明片區(qū)區(qū)位圖圖 1-2研究區(qū)域水系圖因?yàn)楣艿阑旧鲜前凑盏缆蜂佋O(shè)的，因此在缺少管道的情況下，我們將道路當(dāng)作管道對研究區(qū)域進(jìn)行劃分，共劃分出 235 個子匯水區(qū)域（如圖 1-3 所示），以提高計(jì)算地表徑流量及匯流量的精度。為了方便命名管理這 235 個小區(qū)域，我們又根據(jù)河流水系的分布情況以及高程數(shù)據(jù)的分析結(jié)果，將其按照所處支流的匯水范圍進(jìn)行分組（如圖 1-4 所示），并按照空間上該匯水區(qū)域相鄰左右兩側(cè)的河道名稱命名，匯集成十個大的區(qū)域。例如，第 4 區(qū)所處位置7是由樓村水支流，木墩河支流以及河所圍成的區(qū)域，故該匯水區(qū)域命名為樓村木墩匯水區(qū)。匯水區(qū)域分組與子匯水區(qū)域編號對應(yīng)如表 1-1

14、 所示。圖 1-3子匯水區(qū)域編號圖圖 1-4匯水區(qū)域分組情8表 1-1匯水區(qū)域分組與子匯水區(qū)域編號對應(yīng)情況目前該區(qū)域的主要水環(huán)境問題為：河中上游片區(qū) 9 條支流、4 條排洪渠各河段河涌水體黑臭。根據(jù)水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)，河流域內(nèi)干流、支流水質(zhì)均為劣類。目前該區(qū)域雨污混流普遍，污水處理效益不高。9區(qū)號匯水區(qū)名稱子匯水區(qū)編號1白沙匯水區(qū)218、225、227、228、230、231、232、2332大凼匯水區(qū)162、163、164、165、166、167、171、172、173、175、176、179、180、181、182、183、184、185、187、188、189、190、191、193、194、

15、195、198、199、200、201、202、203、204、207、208、209、212、213、216、217、221、2223新坡頭樓村匯水區(qū)81、82、83、86、87、88、93、95、97、99、100、101、102、103、104、106、109、111、112、115、116、119、121、123、124、126、127、128、130、132、133、135、139、143、144、146、158、161、174、179、2294樓村木墩匯水區(qū)113、118、125、131、138、141、144、146、153、154、155、157、158、159、168、169

16、、170、174、177、179、186、188、1975凼匯水區(qū)84、91、92、94、96、98、105、107、108、110、114、117、120、122、129、134、136、140、142、145、147、148、149、150、151、152、156、1606木墩東坑匯水區(qū)81、82、83、86、87、88、93、95、97、99、100、101、102、103、104、106、109、111、112、115、116、119、121、123、124、126、127、128、130、132、133、135、139、143、144、146、158、161、174、179、2297

17、東坑匯水區(qū)23、25、26、32、34、37、41、44、46、50、52、53、55、56、58、60、63、65、66、67、72、73、74、75、76、77、78、79、80、81、85、89、90、95、97、99、100、1278大凼玉田匯水區(qū)5、8、10、15、16、19、22、24、36、42、43、45、49、57、59、61、62、64、68、69、70、96、989玉田匯水區(qū)1、2、3、4、5、6、7、9、11、13、14、17、20、21、23、24、26、27、28、29、30、31、32、33、35、38、39、41、45、47、48、51、53、54、66、68、

18、71、76、89、9710大集水區(qū)1.2 雨污分流與大截排情景對比分析雨污分流與大截排的系統(tǒng)概化圖見圖 1-5、圖 1-6。雨污分流情景下，雨污管網(wǎng)經(jīng)重新規(guī)劃布局和建設(shè)實(shí)施后，雨水進(jìn)雨水并最終就近排入附近水體，污水進(jìn)入污水并最終送污水處理廠處理達(dá)標(biāo)排放。大截排情景下，原來的混排格局改變不大，雨水和污水混排水接入大箱涵后送污水處理廠處理達(dá)標(biāo)排放。大截排情景下，優(yōu)點(diǎn)是對現(xiàn)有的混排格局改變的投入不需要太多，減少建設(shè)的投資，減輕財(cái)政資金投入的，雨水截入箱涵送污水處理廠處理，城市面源污染將得到一定程度處理，雨水不就近排入附近河流，緩解局部區(qū)域的污染壓力；缺點(diǎn)是上游由于被截流大大增加污水處理廠的處理需水難

19、以保障，另外大量雨水送污水處理廠處理，來水水質(zhì)不，給污水處理廠帶來較大沖擊，污水處理廠處理效率難以保證。雨污分流情景下，優(yōu)點(diǎn)是生活污水會得到較為徹底的處理，雨水不送污水處理廠，污水處理廠的負(fù)荷和大大減輕；缺點(diǎn)是雨污需要重新規(guī)劃布局，投入較大，另外目前污水處理廠的設(shè)計(jì)規(guī)模較大，如果僅考慮生活污水，生活污水來水量小于污水處理廠的設(shè)計(jì)規(guī)模，污水處理廠的有效利用率不高，帶來了閑置和浪費(fèi)。圖 1-5 “”雨污“分流”系統(tǒng)流程圖10圖 1-6 “截排”雨污“合流”系統(tǒng)流程圖1.3市河流域水環(huán)境綜合整治技術(shù)方案簡述1.3.1 技術(shù)方案擬定的整治工程(1) 整個流域范圍內(nèi) 9 條一級支流的河道綜合整治工程；(

20、2) 整個流域范圍內(nèi)主要排洪渠綜合整治工程，含xx 水務(wù)發(fā)展“十三五”規(guī)劃提出的小流域綜合整治工程；(3)(4)(5)(6)(7)排澇泵站工程； 底泥處置工程；xx 湖綜合利用開發(fā)工程； 調(diào)蓄湖工程；智慧水務(wù)綜合管理平臺；111.3.2 技術(shù)方案擬定的水環(huán)境治理工程(1)(2)(3)(4)(5)雨污水分流未覆蓋污水建設(shè)工程；區(qū)域工程及源頭分散污水處理設(shè)施工程；污水處理廠再生水補(bǔ)水工程； 濕地工程；河流域?yàn)I水綜合開發(fā)規(guī)劃研究項(xiàng)目。1.4科學(xué)問題的提出問題 1：100 年、50 年、20 年一雨情景，上游大、中型蓄、滯洪工程(湖庫等)以及中下游河道清淤清障工程、排澇泵站抽排工程實(shí)施并同時發(fā)揮作用后

21、，城市建成區(qū)是否被淹？是否滿足實(shí)施方案中提出的的目標(biāo)可達(dá)性難以保證，設(shè)計(jì)海綿城市低影響開提高？目標(biāo)？如果實(shí)施方案景下目標(biāo)可達(dá)性是否能顯著問題 2：干流從上游到中游 12 公里長截流箱涵工程、濕地凈化工程、7090%的建成區(qū)實(shí)現(xiàn)截污納管、雨污分流部分或、光明污水處理廠改造提升工程、公明污水處理廠改造提升工程、松崗水質(zhì)凈化廠改造提升工程等實(shí)施并發(fā)揮作用下，城市暴雨徑流面源污染物輸出以及三個污水處理廠點(diǎn)源污染物不不均勻排放脅迫下，河流域主干和支流各時刻水質(zhì)是否達(dá)到V類水標(biāo)準(zhǔn)。122.治理工程模型2.1.問題重述屬于亞熱帶海洋性氣候的臨海城市，暴雨發(fā)生頻率高、影響面廣、危害性大。平均每年降雨量 196

22、6.6mm，降雨日數(shù) 144d，暴雨日數(shù) 9d，大暴雨日數(shù)2.2d。近年來，每逢下雨，就會出現(xiàn)“小雨小淹、大雨大淹”，以及關(guān)外逢暴雨必有大內(nèi)澇的狀況，內(nèi)澇已經(jīng)成為制約城市發(fā)展不可回避的問題。防災(zāi)減災(zāi)等決策部門除需要及時的天氣預(yù)報(bào)和雨情外，還迫切需要因降雨導(dǎo)致的內(nèi)澇，掌握內(nèi)澇發(fā)生的分布特征及災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)大小等。防洪、排澇、排水三部分，片區(qū)由 1研究區(qū)域的治理工程主要條干流及 13 條一級支流、17 宗水庫組成?，F(xiàn)有的防洪體系主要遵循“以泄為主，以蓄為輔”的原則，其中干流段大部分已完成河道綜合整治，部分支流已經(jīng)進(jìn)行過整治，但整治岸性較差，部分河道防洪道路不通暢的問題。澇片主要采用“高排、低水抽排”的治

23、理原則，通過排水收集雨水，通過閘、涵封閉澇片，澇水通過泵站外排。研究區(qū)目前排水管道較為復(fù)雜，老城區(qū)的地下雨水和污水亂接現(xiàn)象嚴(yán)重，未形成完整的排污體系。綜上，我們要對現(xiàn)有解決措施進(jìn)行如下評估：（1） 干流防洪標(biāo)準(zhǔn)能否滿足 100 年一遇，支流防洪標(biāo)準(zhǔn)能否滿足 20-50 年一遇；（2） 內(nèi)澇防治設(shè)計(jì)重現(xiàn)期 2020 年為 50 年一遇，發(fā)生 50 年一遇的暴雨， 此時能否滿足居民住宅和工商業(yè)超過 15cm；物的底層不進(jìn)水，道路中一條車道積水深度不（3）現(xiàn)有設(shè)施對研究區(qū)域上游水量造成的影響是否在可接納的范圍內(nèi)。2.2.模型假設(shè)（1）假設(shè)城市化對流域產(chǎn)匯流沒有影響。（本文計(jì)算的流域內(nèi)建成區(qū)綠地覆蓋情

24、況良好，在一定程度上提高了入滲濾以及流域截流能力，因此從流域城市化對流域內(nèi)影響的不確定性方面考慮，暫時不考慮城市化因素對產(chǎn)匯流的影響。）13（2）假設(shè)匯水子區(qū)域出口處的地表徑流為均勻流，且水庫的出流量是水庫水深的非線性函數(shù)。，因此出流量 Q 是與 t（在實(shí)際情況中，出口處的地表徑流的速度是變速相關(guān)的函數(shù)，但其具體函數(shù)難以計(jì)算，加之速度變化不大，因此我們可以假設(shè)地表徑流為均勻流，Q 值即為，方便列式計(jì)算。）（3）假設(shè)降雨是空間均勻的，即不考慮降雨的空間變化，同時降雨在各時段內(nèi)是均勻的，在各時段之間不同。（由于本文所研究的匯水子區(qū)域面積較小，所以假設(shè)降雨是空間均勻?qū)Y(jié)果產(chǎn)生實(shí)質(zhì)性影響。）2.3.符

25、號說明14符號含義A洼蓄量mmA0潛在洼蓄量mma雨力參數(shù)mm/minb降雨歷時參數(shù)minE蒸發(fā)量mmFf摩擦阻力Ng重力度，取 9.8m/sm/sH靜水壓頭mh匯水子區(qū)域坡度I降雨量mmib峰前上升段瞬時暴雨強(qiáng)度mm/minia峰后下降段瞬時暴雨強(qiáng)度mm/mini*凈雨量mm/minL1匯水子區(qū)域?qū)挾萴n暴雨衰減指數(shù)n粗糙系數(shù)r雨峰系數(shù)S1洼蓄透水面積S2洼蓄不透水面積2.4.問題分析為了建立工程模型，并且要模擬在不同重現(xiàn)期下，如何制定標(biāo)準(zhǔn)。該模型分成三個子問題進(jìn)行分析：第一是現(xiàn)有的防洪設(shè)施能否滿足城市安全的需要，第二是設(shè)計(jì)暴雨量是否滿足內(nèi)澇設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，第三是上游量是否充裕。需水無論從防洪、排

26、澇還是補(bǔ)水的角度上分析，這三個問題都會歷經(jīng)降雨、地表徑流、地表匯流進(jìn)入的過程，因此我們首先計(jì)算出不同重現(xiàn)期下的降雨歷程，各匯水區(qū)域的地表徑流量以及匯流量作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。2.4.1. 降雨歷程模擬芝加哥暴雨過程計(jì)算公式1（詳見本文中我們選在在國內(nèi)適用性較附錄 1），該對任何暴雨歷時的降雨都適用，只是平均強(qiáng)度不同，則暴雨強(qiáng)度基礎(chǔ)公式為：a（2-1）i =n(t + b)峰前上升段：%()1- n tb a+ b$ #&=r（2-2）ibn+1( t+b+ b*-) r,峰后下降段：15S3無洼蓄不透水面積tb峰前時間minta峰后時間minv管道平均流速m/minW過水?dāng)嗝婷娣eya匯水子區(qū)域的洼蓄量

27、mmy地表徑流的平均水深m()%1- n ta a+ b$ #&=1- r（2-3）ian+1(+ b+ta*-)1- r,其中，a 為雨力參數(shù)，即不同重現(xiàn)期下的 1min 設(shè)計(jì)降雨量（mm），b 為降雨歷時 參數(shù)，即對暴雨強(qiáng)度公式兩邊求對術(shù)后能使曲線化成直線所加的一個時間 （min），n 為暴雨衰減指數(shù)，與重現(xiàn)期有關(guān)，ib , ia 分別表示峰前上升段和峰后下降段的瞬時暴雨強(qiáng)度，tb，ta 分別表示峰前和峰后的時間，r 為雨峰系數(shù)（峰前歷時與總歷時之比），a，b，n 均為地方參數(shù)。由上述公式計(jì)算得到不同重現(xiàn)期 P20、50、100 的暴雨強(qiáng)度歷程表（見表2-1），其中降雨歷時為 180min

28、。表 2-1不同重現(xiàn)期下暴雨強(qiáng)度歷程表16降雨歷時 t(min)暴雨強(qiáng)度 i(mm/min)P20P50P10050.4160.4710.513100.4340.4920.536150.4550.5160.562200.4790.5430.592250.5070.5750.626300.5410.6130.667350.580.6580.716400.6290.7130.776450.690.7830.852500.7710.8740.952550.8841.0021.091601.0521.1921.298651.3371.5151.65701.942.1992.39574.884.0164

29、.5514.956753.9364.4614.858802.2122.5072.73851.5921.8041.965901.2721.4421.57951.0761.2191.328由表 2-1 可繪制出暴雨強(qiáng)度歷程圖，如圖 2-1 所示。由圖可知，一次降雨過，重現(xiàn)期 P 為 20、50、100 時的雨峰值一致，均在 74.88min 時，約在整個降雨過程的 2/5 段，趨勢相似。圖 2-1暴雨強(qiáng)度歷程圖（P20、50、100）171000.9421.0671.1621050.8440.9561.0411100.7690.8710.9491150.7090.8040.8751200.6610

30、.7490.8151250.620.7030.7651300.5860.6640.7231350.5560.630.6861400.530.6010.6541450.5070.5750.6261500.4870.5520.6011550.4680.5310.5781600.4520.5120.5581650.4370.4950.5391700.4230.480.5221750.4110.4650.5071800.3990.4520.4932.4.2. 地表徑流量的演算由子匯水區(qū)域的總徑流量 Rv 計(jì)算公式2（詳見附錄 2），2+ (I - 0.2A0 ) S（2-4）R = (I - E) S

31、 + (I - A) Sv321I + 0.8A0其中，S1(m2)為洼蓄透水面積、S2(m2)為洼蓄不透水面積、S3(m2)為無洼蓄不透水面積，I 為降雨量(mm)，E 為蒸發(fā)量(mm)，A 為洼蓄量(mm)，A0 為潛在洼蓄量， 計(jì)算得到圖 1-3 中的 235 個子匯水區(qū)的地表徑流量，然后疊加得到圖 1-4 中的 10個大匯水區(qū)的地表徑流量，如表 2-2 所示。表 2-2不同重現(xiàn)期下各匯水區(qū)地表徑流量2.4.3. 地面匯流量的演算由地面匯流量 Q (m3/min)的計(jì)算公式3（詳見附錄 3），15dydt1.49 L= i* - 1 (y - y )3 h 2（2-5）aS n11.49

32、5（2-6）Q = L1(y - ya )3 h 2n其中，L1 為匯水子區(qū)域?qū)挾?，n 為粗糙系數(shù)，ya 為匯水子區(qū)域的洼蓄18匯水區(qū)面積（m2）地表徑流量（萬噸）P20P50P100玉田匯水區(qū)5292309.6476.5187.3395.50大凼玉田匯水區(qū)6819750.4699.32113.27123.83東坑匯水區(qū)5866328.6382.2694.03102.94凼匯水區(qū)8825278.02128.12146.17159.83木墩東坑匯水區(qū)5603612.7181.3992.85101.53樓村木墩匯水區(qū)3472352.9950.2157.3162.68新坡頭樓村匯水區(qū)6632701.

33、8595.74109.29119.55白沙匯水區(qū)4075048.8144.9851.2656.00大凼匯水區(qū)12223732.18180.92205.94224.89大面積匯水區(qū)57485387.42319.22366.60402.45總匯水區(qū)116296502.71158.661324.041449.20量(A)，h 為匯水子區(qū)域坡度(m/m)，y 為地表徑流的平均水深(m)，i*(mm/min)為凈雨量，計(jì)算得到圖 1-3 中的 235 個子匯水區(qū)的地面匯流量，如圖 2-2 所示即為P=20 時第 1 個匯水區(qū)的地面匯流量 Q(t)函數(shù)圖。圖 2-2P20 時第 1 個子匯水區(qū)函數(shù)圖通過

34、12 個小時累積的地面匯流總量進(jìn)行計(jì)算，如表 2-3 所示。表 2-3不同重現(xiàn)期下各匯水區(qū) 12 小時地面匯流總量19匯水區(qū)地面匯流總量（萬噸）P20P50P100玉田匯水區(qū)42.8449.3953.83大凼玉田匯水區(qū)93.76107.68118.21東坑匯水區(qū)75.8587.5796.45凼匯水區(qū)71.6182.3890.51木墩東坑匯水區(qū)120.54138.54152.16樓村木墩匯水區(qū)47.0254.1059.46新坡頭樓村匯水區(qū)173.83198.81217.73白沙匯水區(qū)76.6288.0496.70大凼匯水區(qū)89.52103.02113.24大面積匯水區(qū)281.76328.9236

35、4.63總匯水區(qū)1073.351238.441362.922.4.4.匯流量計(jì)算匯流量 Q (m3/s)的計(jì)算公式4（詳見附錄 4）由Q - 2v W - v2 W+ gW H + gWF = 0（2-7）fttxx其中 v(m/min)為管道平均流速，W(m2)為過水?dāng)嗝婷娣e，g 為重力度，取 9.8m/s，H(m)為靜水壓頭（靜止液體對相鄰接觸面所作用的100m）， Ff 為摩擦阻力，計(jì)算得到圖 1-3 中的 235 個子匯水區(qū)的，1Mpa匯流量，如圖 2-2 所示即為 P=20 時第 1 個匯水區(qū)的匯流量 Q(t)函數(shù)圖。圖 2-3P20 時第 1 個子匯水區(qū)函數(shù)圖通過累積 12 小時計(jì)

36、算出各區(qū)域匯流總量，如表 2-4 所示。表 2-4不同重現(xiàn)期下各匯水區(qū)匯流總量20匯水區(qū)匯流總量（萬噸）P20P50P100玉田匯水區(qū)116.922120.498122.898大凼玉田匯水區(qū)88.53989.82690.669東坑匯水區(qū)256.479259.237261.027凼匯水區(qū)291.001297.880303.514木墩東坑匯水區(qū)104.929106.303107.192樓村木墩匯水區(qū)133.405134.215134.7462.5. 模型的建立與求解2.5.1.問題一：對現(xiàn)有防洪設(shè)施是否滿足防洪標(biāo)準(zhǔn)的分析由于目前地下布設(shè)的缺陷，大部分匯水區(qū)域的降雨排入混合排水，最終進(jìn)入箱涵。通過對

37、整體研究區(qū)模型的簡化，我們只考慮各支流進(jìn)水，對河主河道洪水情況的影響。由于大面積匯水區(qū)內(nèi)部基本無道路，且城市設(shè)施所占匯水區(qū)面積比例極低，故將其單獨(dú)提取進(jìn)行概化。該匯水區(qū)內(nèi)主要為植被覆蓋區(qū)域和綠地，我們假設(shè)其內(nèi)部所產(chǎn)生的徑流均流入附近水庫，借由水庫泄洪進(jìn)入支流，對主河道的流量產(chǎn)生影響。為了模擬主河道的防洪情況，根據(jù)天然匯水區(qū)（第 10 區(qū)）以及水庫地理位置的分布，將大面積匯水區(qū)劃分成幾個小的子匯水區(qū)，將各水庫概化為蓄水設(shè)施，將河道概化為明渠，選擇其中東坑水作為碧眼水庫的出流支流，模2-6 所示：化如圖圖 2-4大面積匯水區(qū)模化圖21新坡頭樓村匯水區(qū)151.174152.860154.018白沙匯

38、水區(qū)81.45883.75485.289大凼匯水區(qū)187.880192.161195.080大面積匯水區(qū)262.383269.120273.435總匯水區(qū)1674.1701705.8541727.868圖 2-5重現(xiàn)期 20 年河道水位情況圖 2-6重現(xiàn)期 50 年河道水位情況根據(jù)題目所給出的河道流速和高程數(shù)據(jù)，設(shè)置河道為梯形明渠，并設(shè)置初始流量和降雨時序序列。各水庫的最大水深、初始水深、表面積與水深函數(shù)曲線根據(jù)市水務(wù)局建成或基本建成水庫-庫容特性表設(shè)置，計(jì)算得到各水庫函數(shù)曲線的系數(shù)。假設(shè)主河道最大水深 Hmax 為 8 米，初始水深 H0 為 4 米，也就是說當(dāng)干流水深超過 8m 時河水會溢

39、出，各支流的最大水深 Hmax 為 4 米，初始水深 H0 為 2 米， 也就是說當(dāng)支流水深超過 4m 是河水會溢出。在雨量計(jì)組件中添加重現(xiàn)期為 20 年、50 年、100 年的降雨時序序列進(jìn)行演算。演算過 ，分別可以觀察在不同重現(xiàn)期下，河道水位變化情況。圖 2-5，圖 2-6，圖 2-7 顯示了在暴雨強(qiáng)度接近峰值時河道水位的具體情況，其中深藍(lán)色表示管22圖 2-7重現(xiàn)期 100 年河道水位情況段深度小于 3 m，藍(lán)綠色表示管段深度在 3-4 m，綠色表示管段深度在 4-5 m，黃色表示管段深度在 5-6m，紅色表示管段深度大于 6m。以上三張圖并結(jié)合圖例，可以觀察得出結(jié)論，在假設(shè)的最大水深范

40、圍內(nèi)，河流域河道對三種不同重現(xiàn)期下的降水情況均具有良并且主河道能夠承受百年一遇的暴雨?？购槟芰?， 經(jīng)統(tǒng)計(jì)模擬的數(shù)據(jù)，給出在不同重現(xiàn)期下，不同河段具體的水流與水位數(shù)據(jù)，如表 2-5 所示：表 2-5干流和支流水位流量統(tǒng)計(jì)表23重現(xiàn)期（年）河道名稱包含節(jié)點(diǎn)最大深度（m）最大流量（m/s）進(jìn)入干流流量（萬噸）20河主河道 15.67507.04主河道 2主河道 3主河道 4主河道 5水支流 13.9566.8364.67支流 2支流 3新坡頭河支流 43.96129.12218.93支流 5支流 6東坑水支流 73.6370.7649.61根據(jù)表 2-5 中數(shù)據(jù)分析得出，在三個重現(xiàn)期下，河干流的水位

41、始終低于假設(shè)的最大水深，滿足干流防洪標(biāo)準(zhǔn)。新坡頭河和水在重現(xiàn)期 50 年情況下，24水支流 83.5027.0614.94玉田河支流 93.4897.8340.2650河主河道 15.79516.14主河道 2主河道 3主河道 4主河道 5水支流 14.0081.7174.65支流 2支流 3新坡頭河支流 44.00134.47324.59支流 5支流 6東坑水支流 73.6986.2556.47水支流 83.6932.7916.23玉田河支流 93.57112.8845.30100河主河道 15.86537.52主河道 2主河道 3主河道 4主河道 5水支流 14.0097.6678.17支

42、流 2支流 3新坡頭河支流 44.00138.11264.86支流 5支流 6東坑水支流 73.7599.7561.37水支流 83.8337.4416.41玉田河支流 93.63118.0149.10在監(jiān)測點(diǎn)（支流 1、4、5、6）水位超過假設(shè)最大水深 4 米，河水溢出。表 2-6河流域各河道典型斷面設(shè)計(jì)洪水成果25河流名稱斷面量（m3/s）斷面名稱編號P=0.5%P=1%P=2%P=5%P=50%河玉田河匯上游M-195548.543.136.217.2玉田河匯下游M-57.4水匯下游M-314151東坑水匯下游M-369162木墩河匯下游M-399175樓村水匯下游M-507226新陂頭

43、河匯下游M-618270水匯下游M-121049894786648284匯下游M-11909799659289上下村排洪渠匯下游M-10911801659289羅田水匯下游M-91100957842693305合水口匯下游M-8959848699307xx 排洪渠匯下游M-71110964903759327xx 水閘M-612311069940773338玉田河光橋路Y-262.146.915.9河口Y-195.171.924.4水水庫溢洪道出口E-543.343.241.6紅坳水庫匯下游E-470.958.325.2塘家村匯上游E-311796.243.4塘家村匯下游E-219315670.

44、8河口E-1279233105東坑水茶林D-528.024.013.0表2-6 為題目后續(xù)研究給出的河流域各河道典型斷面設(shè)計(jì)洪水成果數(shù)據(jù)，將我們的計(jì)算結(jié)果（表 2-5）與表 2-6 的設(shè)計(jì)洪水成果做對比，得到的對比結(jié)果如表 2-7 所示。表 2-7各河段與設(shè)計(jì)洪水成果比較結(jié)果分析上表數(shù)據(jù)可得，河在 2020 年能夠達(dá)到干流百年一遇的防洪標(biāo)準(zhǔn)，而玉田河和東坑水因?yàn)樽畲竽M流量超過了最大設(shè)計(jì)支流河道達(dá)到 2050 年一遇防洪標(biāo)準(zhǔn)。量，所以不能夠達(dá)到綜合上述求解的結(jié)果，可以得到以下結(jié)論，在設(shè)置監(jiān)測點(diǎn)的位置，根據(jù)模擬結(jié)果能夠得出新坡頭河和 水在重現(xiàn)期 50 年的情況下會發(fā)上溢流。同時，由于監(jiān)測點(diǎn)數(shù)量的

45、限制，且無法正確與所給斷面匹配，故結(jié)合各河流的設(shè)計(jì)量與各河道的最大模擬流量進(jìn)行比較，得出玉田河和東坑水的最大模擬流量超出了最大設(shè)計(jì)量。因此新坡頭河、水、玉田河、東坑水四條支流無法滿足 2050 年一遇防洪標(biāo)準(zhǔn)。2.5.2.問題二：對當(dāng)前設(shè)計(jì)暴雨量是否滿足內(nèi)澇設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的分析在該研究區(qū)內(nèi)，利用道路和光明新區(qū)水系將研究區(qū)劃分成 10 個匯水區(qū)，而對于每個匯水區(qū)的內(nèi)澇研究模型是近似的操作。因此，僅以水區(qū)來演示模擬在不同重現(xiàn)期下匯水區(qū)內(nèi)積水排水情況。參考玉田匯排水規(guī)劃簡本，設(shè)置了三種不同管徑的管道分別為 0.8m、1.0m、1.2m，在該匯水區(qū)設(shè)置重現(xiàn)期為 20 年，50 年，100 年的降雨時序序列進(jìn)

46、行模擬，化圖如圖 2-8 所示。玉田匯水區(qū)模26各河段與設(shè)計(jì)洪水成果比較結(jié)果河道名稱最大設(shè)計(jì)量（m/s）最大模擬流量（m/s）P=1%P=2%P=5%P=1%P=2%P=5%河1069940773537.52516.14507.04玉田河95.171.9118.01112.8897.83水27923337.4432.7927.06東坑水806699.7586.2570.76鳳凰小學(xué)D-448.040.019.0德源公司D-380.066.031.0圖 2-8玉田匯水區(qū)?；瘓D經(jīng)過 SWMMH計(jì)算后，得出地表徑流連續(xù)性誤差：-0.21%，流量演算連續(xù)性誤差：-0.03%，誤差較小，說明能夠較好地模

47、擬整個降雨、產(chǎn)水、排水的過程。參考給各組件設(shè)置的模型參數(shù)，來確定圖例的各個閾值5。以下給出模擬結(jié)果的展示圖（時間點(diǎn)均接近暴雨峰值出現(xiàn)時刻）（如圖 2-9，2-10，2-11），其中深藍(lán)色表示大于 0.8 m 的節(jié)點(diǎn)深度（管段深度），藍(lán)綠色表示 0.81.2 m 的節(jié)點(diǎn)深度（0.81.0 m 的管段深度），綠色表示 1.21.4m 的節(jié)點(diǎn)深度（1.01.2m 的管段深度），黃色表示 1.42.0 m 的節(jié)點(diǎn)深度（1.21.4m 的管段深度），紅色表示大于 2.0 m 的節(jié)點(diǎn)深度（大于 1.4 m 的管段深度）。特別注意：紅色原點(diǎn)表示溢出節(jié)點(diǎn)。圖 2-9玉田匯水區(qū) 20 年重現(xiàn)期模擬情況27圖 2-10玉田匯水區(qū) 50 年重現(xiàn)期模擬情況圖 2-11玉田匯水區(qū) 20 年重現(xiàn)期模擬情況從以上模擬情況可以看出，在暴雨強(qiáng)度最大的時候，城市大部分面積會出