杨 艳， 李胡勇

(黄淮学院 建筑工程学院，河南 驻马店 463000)



地下排水系统排水性能影响因素分析

杨 艳， 李胡勇

(黄淮学院 建筑工程学院，河南 驻马店 463000)

排水系统性能的影响因素众多，为了对其量化研究，将排水量作为衡量排水性能的指标，研究了不同影响因素的变化对排水量的影响。结果表明：对于设计参数而言，排水系统入口阻抗相对于其他参数对排水量大小的影响最小；排水沟土壤表面以下的水位深度对排水量的大小影响最大；排水沟间距的影响(尤其是排水沟间距较小的情况)也不容忽视。另外，对于非设计参数而言，气候因素和城市土地利用率对地下排水系统性能的影响类似，在对未来排水系统性能进行预测时，这两个因素均要考虑。

地下排水系统； 排水性能； 影响因子； 敏感度分析

0 引 言

衡量排水系统性能的一个重要指标是地下排水量的大小，而影响排水量的因素除了降雨强度和路表之外还有很多别的因素[1]。关于排水参数和地下排水系统的正确设计的研究成果已经有很多：Endres等比较了不同分析模型的预测结果，并实地测量了抽水引起的包气带的排水和潜水含水层的存储水量。基于延迟排水模型预测得到的排水存储耗散较快，而实时观测模型预测的排水贮存的耗散量却很少，如果存在耗散的话，耗散量在整个泵送实验阶段一直衰减。其结果表明，这些分析模型中使用的水表边界条件没有充分反映泵送实验期间控制渗流区行为的机制[2]。Hirekhan等应用WaSim软件在半干旱季风气候带评估了地下排水系统的性能，表明WaSim是一个简单评估地下排水系统的水力性能工具，可用于半干旱季风气候的地下排水系统设计[3]。Gureghian等采用有限元法计算了排水土壤的稳态水表高度。Youngs对深层土壤幂律排水方程给出了解释[4]。Valipour比较了各向异性土壤中的两种类型的地下排水系统(水平和垂直)，指出，水力传导系数的变化对排水沟的间距影响显著[5]。此外，还有许多研究者针对不同渗透性能的地面，对其排水性能进行了实验和计算[6-10]。

以往大多数研究侧重于排水间距，忽视了地下排水系统排水参数的作用。本文利用EnDrain软件改变排水参数，对地下排水系统的排水量的变化进行了量化研究。除了排水系统设计参数之外，其他因素的研究对于地下排水系统的设计而言同样具有重要意义，本文针对气候和土地利用这两个关键因素定量研究了它们对地下排水系统积水量以及排水量的影响。

1 研究对象

本文研究的排水系统来源于某高山气候城市，城市排水管网为联合系统，城市总集水面积约2.028公顷，其中745公顷是防水的。对该下水道系统进行综合污水管网建模，管网由5 358个节点，4 528个分集水区，5 695个环节和53个排污口组成。整个系统排水集中到中央废水处理装置。

2 排水系统设计参数对排水量的影响

2.1 影响排水量的排水系统设计参数

影响排水量的排水系统设计参数有：排水沟之间的水位深度(Dm)；土壤表面以下的排水沟水位深度(Dw)；排水沟入口阻抗(E)和排水沟间距(S)，

E=He/Q*

(1)

其中：He为入口扬程(m)；Q*为排水量(m2/d)，Q*=RS，R是水补给量(m/d)。除此之外，还有降雨量(气候变化的影响)和防水率(土地利用的影响)。

本文基于EnDrain软件对地下排水性能进行模拟，对应于不同的排水参数组合，本文设计了不同的案例，并对比了每个案例下的排水量。

4个因子的初始值设定为：Dm=1.0 m，Dw=1.5 m，E=0.5 d/m，S=65 m，利用EnDrain软件计算得到的初始排水量Qinitial=0.000 9 m/d。仿真实验中统计的变量有排水量Q、相对排水量增长百分比ΔQ/Qinitial、ΔP/Pinitial(P代表4个因子变量即：Dm、Dw、E、S)，以及敏感度指标C，计算如下:

(2)

敏感度指标C衡量了排水量的变化对影响排水量因子变化的敏感度大小。

2.2 仿真结果和讨论

由图1可以看出，最大的排水量增长百分比为233%，此时Dm=0.1 m相对初始值1 m减少了90%，排水量增长百分比最小值为22%，对应于Dm=1 m增长了10%；另外，C平均值为2.3。由此表明，排水沟之间水表深度变化1%时，排水量变化为2.3%。

图1 统计量随Dm的变化

由图2可以看出，最大的排水量增长百分比为89%，此时的排水沟土壤表面以下Dw相对初始值减少了30%，排水量增长百分比最小值为0%，对应的Dw值减少了3%；另外，C平均值为3。由此表明，排水沟土壤表面以下的水位深度变化1%时，排水量变化为3%。

图2 统计量随排水沟土壤表面以下Dw的变化

由图3可以看出，最大的排水量增长百分比为11%，此时E相对初始值减少了100%，排水量增长百分比最小值为0%；另外，C平均值为0。由此表明，E相对其他参数来说对排水量几乎没有影响。

图3 统计量随E的变化

由图4可以看出，最大的排水量增长百分比为400%，此时S相对初始值减少了62%，排水量增长百分比最小值为33%，对应的S值增加31%；另外，C平均值为1.5。由此表明，排水沟间距变化1%时，排水量变化为1.5%。

图4 统计量随S的变化

由图1～4可以看出，随着Dm的增加，排水量基本保持线性减少；对于Dw而言，排水量随着它的增加保持增加的趋势；随着S从25 m增加到45 m，排水量急剧下降，当S增加到150 m之后，系统排水量基本保持不变。

对比不同参数下C平均值大小可以看出(见图5)，Dw对排水量的大小影响最大，此外排水沟间距的影响也不容忽视，尤其是排水沟间距较小的情况更是如此。

图5 不同参数下C平均值

3 其他因素对排水系统排水性能的影响

城市可能的气候变化会引起降雨强度的增加，另外，路表的变化会导致城市防水性的变化，这也是导致城市地区发生洪涝的两个关键因素[11-13]。

为了研究排水系统对降雨量(气候变化的影响)的响应，本文选取了典型的降雨事件，进而评估和比较它们对系统性能的影响。

评估了15、60 min降雨时间间隔以及4种不同重现期(RP=1、2、5)组合的8个降雨事件(见表1)。

为了在城市排水系统设计过程中考虑气候变化的影响，Arnbjerg-Nielsen从3种不同的方法计算了气候变化因子(CCF)[14]，CCF的变化特征具有区域特性[15-18]，本文考虑CCF的带宽限制在10%～50%，步长10%(CCF= 1.0，1.1，1.2，1.3，1.4，1.5)。因此，考虑CCF的降雨强度可以通过原始降雨强度乘以CCF计算得到。

表1 降雨事件的特征

土地利用率的变化直接表征系统的防水性变化。然而其变化的数值大小可以为正也可以为负，该参数的变化带宽设定为-40%～+60%。因此未来条件下的有效防水面积(EIF)可以从当前有效防水面积和区域因子fA(fA=1.0,1.2,1.4,1.6,1.8)计算得到，铺砌路面面积的增长量和减少量分别按下式计算：

EIFfA=EIF·fA

(4)

EIFfA=EIF/fA

(5)

图6给出了表1所示个事件状态下的模拟结果，其中系统积水量VFlood量级为104m3，下水道排水流量VCSO量级为105m3。从图6可以看到，一般情况下，随着重现期RP的增加(对比事件1～4和事件5～8)，系统性能降低(即VFlood增加)。然而，由于降雨事件的动态特性，下水道排水量VCSO的规律性就不那么明显，例如，从事件1(RP=1)至事件4(RP= 5)，随着RP的增大，VCSO增大，但是从事件6(RP=2)～事件8(RP= 5)，随着RP的增大，VCSO却在减小。

图6 降雨事件下的积水量和排水量的对比

图7所示为积水量及排水量增长百分比随降雨强度(CCF)的变化。从图中可以看出，系统积水量最大增长可以达到1 000%以上(对应于降雨事件5，CCF=1.5的情况)，对于下水道排水量而言，随着降雨强度的增加其增长百分比均不超过100%。另外，一个很有意思的发现是，对于在任何重现期RP下的8个所有降雨事件而言，降雨强度的影响均相同。

图7 降低强度对系统性能的影响

图8所示为积水量及排水量增长百分比随土地利用率(fA)的变化，与降雨强度类似，土地利用率的变化对系统积水量的影响远远大于对排放量的影响。积水量增加的最高百分比可以达到1 000%和950%(对应于事件1和5在RP=1的情况下)。

图8 积水量增长百分比随土地利用率的变化

此外，可以将不同降雨事件下的气候变化和土地利用率变化等效为重现期RP的变化。

图9所示为降雨强度(CCF)及地利用率fA在不同RP下的等效表示，这种评估是基于RP、CCF和fA的插值方法。例如，对于降雨事件3(RP=3)，当其降雨强度CCF为1.4时，此事件与保持降雨强度不变而RP变为8对地下排水系统的影响是相同的。

图9 降雨强度CCF和地利用率fA在不同重现期RP下的等效表示

系统性能P可表示为CCF和fA的函数，因此，通过比较气候变化和面积因素的影响，可以评估系统对它们的敏感性。图10所示为气候变化和土地面积因素对系统影响的对比。从图中可以看到，降雨强度CCF增加到 1.5时与土里利用率增加80%(fA=1.8)具有大致相同的效果，即在这种降雨事件下，降雨强度增加50%对排水系统造成的影响可以通过土地利用率减少40%来补偿。

图10 气候变化因素和土地面积因素对系统影响的对比

4 结 论

地下排水系统的排水量对于水资源管理十分重要，本文研究了不同影响因素的变化对排水量的影响，得到如下结论：

(1) 在排水系统中，排水系统入口阻抗相对于其他参数而言对于排水量大小的影响最小。

(2) 排水沟土壤表面以下的水位深度对排水量大小的影响最大，当其变化1%时，相应的排水量大小变化可达3%。

(3) 随着排水沟间距从25 m增加到45 m时，排水量急剧下降，当其增加到150 m之后，系统排水量基本保持不变。

(4) 排水沟土壤表面以下的水位深度对排水量的大小影响最大，排水沟间距的影响也不容忽视，尤其是排水沟间距较小的情况更是如此。

(5) 除了排水系统设计参数之外，其余非设计因素，如气候和城市土地利用率对地下排水系统性能也有一定影响。本研究表明它们的影响类似，因此在对排水系统性能进行预测时，这两个因素均要考虑。

[1] 朱成晓.城市排水系统性能评价研究进展[J].山西建筑, 2010，36(8):206-207.

[2] Endres A L, Jones J P, Bertrand E A. Pumping-induced vadose zone drainage and storage in an unconfined aquifer: A comparison of analytical model predictions and field measurements[J]. Journal of Hydrology, 2006, 335(1): 207-218.

[3] Hirekhan M, Gupta S K, Mishra K L. Application of WaSim to assess Performance of a subsurface drainage system under semi-arid monsoon climate[J]. Agricultural Water Management, 2007，88(1-3): 224-234.

[4] Valipour M. A Comparison between Horizontal and Vertical Drainage Systems (Including Pipe Drainage, Open Ditch Drainage, and Pumped Wells) in Anisotropic Soils[J]. American-Eurasian Journal of Agricultural & Environmental Sciences, 2012,4(1): 7-12.

[5] Youngs E G. Determination of the variation of hydraulic conductivity with depth in drained lands and the design of drainage installations[J]. Agricultural Water Management, 1976(1): 57-66.

[6] Dreelin E A, Fowler L, Carroll C R. A test of porous pavement effectiveness on clay soils during natural storm events [J]. Water Research, 2006, 40(4):799-805.

[7] Kuang X, Sansalone J, Kim J,etal. Particle separation and hydrologic control by permeable pavement [J]. Transportation Research Record, 2007, 2025:111-117.

[8] Fwa T F, Ong G P. Wet pavement hydroplaning risk and skid resistance: analysis [J]. Journal of Transportation Engineering, 2008, 134(4):182-190.

[9] 马 翔，倪福健，王 艳，等. 排水性沥青混合料渗透性测定与分析 [J].建筑材料学报，2009,12(2):168-172.

[10] 吉青克. 基于面层渗透溪水的路表水渗入率设计[J]. 岩土工程学报， 2005,27(9):1045-1049.

[11] 马 翔，倪福健，李 强. 排水面层渗流模型及参数[J]. 东南大学学报(自然科学版)，2014,44(2):381-385.

[12] 张凤娥.土地利用对地下水系统的影响 [J].地理与地理信息科学,2004(4): 93-96.

[13] 郭 瑞,禹华谦.强降雨对城市排水系统的影响[J].四川建筑,2005,25(3):10-11.

[14] Arnbjerg-Nielsen. Quantification of climate change impacts on extreme precipitation used for design of sewer systems [C]//11th International Conference on Urban Drainage, Edinburgh, Scotland, UK.2008.

[15] De Toffol S, Burstrom Y D S, Rauch W. On the effect of spatial variances in historical rainfall time series to CSO performance evaluation [J]. Water Science and Technology, 2006, 54(6-7): 25-31.

[16] Berne A, Delrieu G, Creutin J D,etal. Temporal and spatial resolution of rainfall measurements required for urban hydrology [J]. Journal of Hydrology, 2004, 299:166-179.

[17] Mikkelsen P S, Madsen H, Arnbjerg-Nielsen K,etal. Selection of regional historical rainfall time series as input to urban drainage simulations at ungauged locations [J]. Atmospheric Research, 2005, 77(1-4): 4.

[18] Willems P, Berlamont J. Accounting for the spatial rainfall variability in urban modelling applications [J]. Water Science and Technology, 2002, 45(2): 105-112.

Analysis of the Influence Factor on the Performance of Subsurface Drainage System

YANGYan，LIHu-yong

(School of Architectural Engineering, Huanghuai University, Zhumadian 463000, China)

Subsurface drainage performance is critical to the urban water management, however, there are a lot of factors related to it. In this paper, drainage discharge is considered as the evaluation index for the sake of quantity study, and effect of drainage parameters change on amount of drain discharge is investigated in subsurface drainage systems. It can be concluded that for design parameters, entrance resistance at the drain have minimum of effect on drain discharge into the other drainage parameters. Depth of water level in drain below soil surface is introduced as the most effective parameter between all of the drainage parameters for drain discharge, the role of drain spacing particularly in low space should not be ignored. In addition, for other factors, according to the sensitivity analysis, the impact of rainfall intensities and pavement of urban areas share a similar impact on drainage performance, hence it is important to look into both aspects in trying to predict future performance of subsurface drainage system. This paper analyzes the factors that impact the drainage performance of underground drainage systems roundly, and provides reference for the design of such systems.

subsurface drainage system; drainage performance; influence factor； sensitivity analysis

2015-05-20

河南省科技攻关计划项目(122102310437)

杨 艳(1982-)，女，河南信阳人，硕士，讲师，研究方向：结构工程及工程力学。

Tel.：15210531280；E-mail：545228254@qq.com

TU 528.42

A

1006-7167(2016)02-0030-04