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城市设计暴雨及雨水径流计算模型研究

任伯帜  
【摘要】:城市设计暴雨和雨水径流计算模型是城市雨水排水系统的设计、规划、管理和雨水径流污染治理等方面的基础理论。在我国,由于城市自记录雨量资料和雨水径流观测资料的缺乏、计算理论及技术的不完善和相对滞后、研究较晚且较少、加之雨水排水设计要求较低等,致使我国在该方面的理论难以适应现代城市发展的实际需要,城市雨水问题日益突出。要解决由于城市发展带来的雨水问题,必须对原有的理论进行改进、完善和发展。目前,虽有一些结合我国实际的研究成果问世,但还存在不少局限性,有许多问题急待解决。 本文针对上述情况,根据我国国情,在前人研究的基础上,结合地方特色,通过室内外试验、自记录降雨和径流观测资料,结合现代计算智能理论,对城市设计暴雨(雨量资料的选样、调整、城市暴雨计算模式及其参数优化等)及雨水径流计算模型(城市雨水地表入渗、产流、汇流计算及计算模型建立等)的有关理论进行了全面分析、理论论证和应用研究,取得了如下主要研究成果: (1)通过对比分析现行城市雨量资料选样和调整方法,结合现代城市发展的实际需要,提出了不同选样方法重现期的转换公式、城市设计暴雨雨量资料统计分析的年超大值选样方法、(P,C_s)-Φ值细化和扩展的多元插值方法及P-Ⅲ型分布参数估计方法——改进遗传优化适线法。经验证:年超大值法可简化选样和统计,客观地反映现代城市排水设计重现期范围的暴雨雨样的统计规律,且结果与目前所用的方法接近;改进遗传优化适线法简易通用、适应性强,可精确地对三参数(?)、C_v、C_s进行估计,克服了传统适线法未能解决(?)、特别是C_v的估计精度,以及计算过程与结果受人为因素的影响不足,为准确估计P-Ⅲ型分布参数提供了十分有效的方法,并可推广使用。 (2)理论论证了我国城市暴雨强度计算模式的选择依据,提出了单一重现期及统一重现期城市暴雨强度计算模式参数率定的新型混合加速遗传算法(简称NHAGA)。经NHAGA算法测试与应用对比表明:该法为一种全局优化城市暴雨强度计算模型参数的有效方法。 (3)通过对长沙市城市暴雨强度计算模式的推求,进一步验证了在城市设计暴雨中上述所提方法的正确和合理性,并得出了长沙市单一重现期和统一重现期的暴雨强度计算模式。 (4)通过城市雨水入渗损失的实验对比、地表产流特性及计算方法的理论分析得出:GAML与Phillip入渗方程可用于精确的城市地表产流入渗损失计算,而Horton入渗方程可用于计算精度要求不高的城市地表产流入渗损失计算;对城市 重庆人学博卜学位论文 不透水区,产流计算宜用蓄满产流计算方法或结合汁蓄损失的变径流系数法;对 于透水区域,产流计算宜用结合GAML与phi 11ip入渗方程的F渗曲线法。 (5)通过城市雨水地表汇流特性及计算方法的理论分析、实例计算和对比得 出:传统推理法可应用于城市设计洪峰流量的计算,但不能真实地反映雨水口径 流流量过程;瞬时单位线法等对实测资料有较大依赖,难以应用于城市径流流量 过程线的计算;非线性水库法和等流时线法的径流流量过程线接近实际。在城市 地表雨水径流汇流计算中,精度要求较高时,非线性水库法较适合;精度要求一 般时间,等流时线法较适合。 (6)通过雨水管道室内实验、计一算模拟和对比分析得出:在城市雨水管道的 汇流模拟计算中,若精度要求较高,资料条件好,可采用动力波和扩散波进行模 拟计算;若精度要求和资料条件一般,可采用马斯京根法进行模拟计算。 (7)建立了由暴雨设计、地表产流、地表汇流、管网汇流构成的城市雨水径 流计算模型。通过计算模型的检验与对比分析,结果表明,该模型的结构及参数 是合理和符合实际的;计算结果的准确性较高且效果较好,接近实际,不仅能模 拟城市雨水径流的峰值流量,而且能较真实反映城市地表径流流量过程线。 本文提出的城市设计暴雨及雨水径流计算模型有关理论和方法,不仅为城市 雨水排水系统的设计或校核、管理、以及城市雨洪调控及雨水径流污染防治等提 供有效工具,具有较大的社会效益,而且为该领域今后进一步的研究打下了良好 的基础。 关键词:暴雨选样,雨量资料调整,暴雨计算模式,混合遗传算法,地表产、 汇流,雨水管网汇流,雨水径流计算模型


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