每個城市都有排水系統(tǒng)，排水系統(tǒng)如果不合格的話，下雨可能就會造成洪澇災(zāi)害，這與人們的生活和城市的發(fā)展是息息相關(guān)的，很多工程師也針對排水系統(tǒng)進(jìn)行過一些設(shè)計(jì)和研究。本文是一篇給排水工程師論文，主要論述了城市雨水排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)不確定性研究。

　　摘要：針對應(yīng)對環(huán)境變化對城市雨水排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶來的影響，從城市暴雨分布規(guī)律、城市化進(jìn)程、雨水管網(wǎng)模擬等方面，分析了國內(nèi)外研究成果。提出應(yīng)綜合考慮隨機(jī)、模糊、區(qū)間、粗糙等多種不確定性信息，構(gòu)建城市雨水排水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)模型。研究結(jié)果顯示，環(huán)境變化改變了城市雨水排水系統(tǒng)的原有規(guī)律，且存在較大不確定性，可基于信息熵理論構(gòu)建城市雨水排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)模型，減小不確定性。

　　關(guān)鍵詞：城市雨水,排水系統(tǒng),管網(wǎng)系統(tǒng),設(shè)計(jì),不確定性

　　引言

　　目前城市雨水管網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)沒有完全發(fā)揮作用，暴雨時常導(dǎo)致內(nèi)澇現(xiàn)象發(fā)生[1]，城市內(nèi)澇積水災(zāi)害問題日益嚴(yán)重，威脅生命、財(cái)產(chǎn)安全，影響城市發(fā)展[2]。雨水管網(wǎng)系統(tǒng)失效的根本原因，則是由于在雨水管網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中存在的大量不確定性[3-4]，從而造成設(shè)計(jì)輸水能力嚴(yán)重小于設(shè)計(jì)雨量，導(dǎo)致出大范圍的城市內(nèi)澇現(xiàn)象。總結(jié)內(nèi)澇損失原因，改進(jìn)已有的雨水排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)辦法，才能促進(jìn)城市持續(xù)發(fā)展。

　　1城市雨水排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)中不確定性的來源

　　設(shè)計(jì)過程中存在的不確定性，包括氣候變化導(dǎo)致暴雨強(qiáng)度分布規(guī)律改變、城市化進(jìn)程不斷推進(jìn)導(dǎo)致徑流系數(shù)變化[5-6]，匯水面積量測誤差、設(shè)計(jì)計(jì)算誤差以及管段淤塞導(dǎo)致的管徑變化等[3]。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中假定暴雨分布規(guī)律在設(shè)計(jì)期限內(nèi)保持不變，采用2～5a暴雨重現(xiàn)期設(shè)計(jì)計(jì)算暴雨量。所選重現(xiàn)期過小易直接導(dǎo)致設(shè)計(jì)暴雨量過小，雨水管網(wǎng)系統(tǒng)無法及時排出，造成積水災(zāi)害;過大則造成系統(tǒng)建設(shè)費(fèi)用過高。在全球氣候變化的影響下，暴雨歷時—強(qiáng)度—重現(xiàn)期規(guī)律也在發(fā)生變化[7-8]，沿用已有暴雨強(qiáng)度分布規(guī)律進(jìn)行雨水管網(wǎng)設(shè)計(jì)，勢必增加設(shè)計(jì)排水能力的不確定性。徑流系數(shù)在一般設(shè)計(jì)中均根據(jù)城市發(fā)展規(guī)模選擇一個確定值，或根據(jù)植被、土壤分布情況用加權(quán)平均方式確定一個加權(quán)值[9-10]。過大的徑流系數(shù)易造成實(shí)際過水能力下降，過小的徑流系數(shù)又易造成造價過高等問題。顯然，傳統(tǒng)的徑流系數(shù)確定方法難以適應(yīng)不斷推進(jìn)的城市化進(jìn)程，也造成城市內(nèi)澇積水災(zāi)害發(fā)生的頻率增加。匯水面積量測誤差、設(shè)計(jì)計(jì)算誤差及使用過程管徑的變化，同樣給設(shè)計(jì)管網(wǎng)的過水能力帶來不確定性。

　　2國內(nèi)外研究及發(fā)展動態(tài)分析

　　2.1城市設(shè)計(jì)暴雨分布規(guī)律研究

　　暴雨資料的統(tǒng)計(jì)分析是城市雨水管網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，分析結(jié)果的準(zhǔn)確性直接關(guān)系到雨水管網(wǎng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流量，進(jìn)而影響雨水管網(wǎng)系統(tǒng)的可靠性和工程投資大小[3-4]。城市設(shè)計(jì)暴雨分布規(guī)律研究主要包括暴雨資料的選樣、頻率分析及暴雨強(qiáng)度公式選擇與參數(shù)確定等方面的研究內(nèi)容。國內(nèi)外根據(jù)觀測到的資料長短及對城市雨水排水設(shè)計(jì)重現(xiàn)期要求的高低，相繼提出了年最大值法、年超大值法、年多個樣法、超定量法等選樣方法，各種選樣方法均有其優(yōu)缺點(diǎn)，給設(shè)計(jì)暴雨強(qiáng)度大小帶來不確定性[11]。暴雨頻率分析研究方面主要集中于研究皮爾遜Ⅲ型分布曲線、負(fù)指數(shù)分布曲線和耿貝爾分布曲線等各種理論分布曲線的適應(yīng)性，研究結(jié)果分歧較大，目前各城市尚無統(tǒng)一的分布線型，也給城市雨水設(shè)計(jì)帶來不確定性[12]。暴雨強(qiáng)度公式方面國內(nèi)外均提出了適合國情的計(jì)算公式，美國采用i=a/(t+b)n(1)式中：i為暴雨強(qiáng)度，單位：mm/min;a為雨力參數(shù)，即不同重現(xiàn)期下的1min設(shè)計(jì)降雨量，單位：mm;t為降雨歷時，單位：min;b為降雨歷時修正參數(shù)，單位：min;n為暴雨衰減指數(shù)，無量綱。日本采用i=a/(t+b)，我國較多采用式(1)或i=A1(1+ClgT)/(t+b)n(2)式中：A1為重現(xiàn)期為1a時的1min設(shè)計(jì)降雨量，單位：mm;C為雨力變動參數(shù)，無量綱;T為重現(xiàn)期，單位：a;其它符號同前。在確定暴雨強(qiáng)度公式后，采用遺傳算法等較適合的參數(shù)確定方法可適當(dāng)減小公式選擇帶來的不確定性[13]。

　　2.2城市化進(jìn)程對城市雨水排水影響研究

　　隨著城市化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，城市的數(shù)量、規(guī)模、人口有了很大的增長，對城市當(dāng)?shù)厮臓顩r造成了較大的影響[10]。國外對該問題研究較早，Singh等[14]對城市化帶來城市化區(qū)域氣候變化和降雨變化進(jìn)行了研究，結(jié)果表明城市化區(qū)域降雨雨量比農(nóng)村降雨雨量多5%~10%。Deletic等[15]提出植被滲透淺溝模型，研究了不同材質(zhì)的地表，對城市暴雨徑流量及洪峰流量的影響，結(jié)果表明滲透的增大可有效削減城市暴雨洪峰流量，減少內(nèi)澇積水災(zāi)害的發(fā)生，汪艷寧等[9]用實(shí)驗(yàn)手段進(jìn)一步驗(yàn)證了該理論模型分析結(jié)果。我國1980年代上海市水文總站研究了上海老市區(qū)城市化對降雨影響的程度和范圍，實(shí)驗(yàn)中設(shè)置了13個雨量觀測點(diǎn)，與各郊縣的55個雨量站平行觀測，結(jié)果表明降水強(qiáng)度以市區(qū)為中心向外依次減小，城市化后使暴雨雨日增多[16]。周玉文等[17]通過兩次暴雨徑流無因次單位過程線比較顯示，城市化進(jìn)程使不透水面積已達(dá)全流域面積的25%以上，洪水峰值明顯提高，洪峰流量增大、洪峰出現(xiàn)時間提前，按原城市化規(guī)模設(shè)計(jì)的雨水管網(wǎng)已遠(yuǎn)不能滿足及時排出暴雨洪水的要求。

　　2.3城市雨水管網(wǎng)系統(tǒng)模擬與優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

　　隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)外對城市雨水管網(wǎng)模擬與優(yōu)化問題進(jìn)行了廣泛的研究。美國等發(fā)達(dá)國家自20世紀(jì)60年代起，先后研究并完善了雨水管理模型SWMM、沃林福特程序、蓄水處理與溢流模型STORM、MIKE模型、澳大利亞XP-SWMM模型等多種雨水管網(wǎng)系統(tǒng)模擬模型[18]。結(jié)合我國實(shí)際，我國學(xué)者相繼提出了各種城市雨水徑流計(jì)算模型，周玉文等[17]基于地理信息系統(tǒng)開發(fā)的城市雨水徑流模型實(shí)時模擬技術(shù)，得到國內(nèi)外廣泛關(guān)注。國內(nèi)外對城市雨水管網(wǎng)模擬的研究多側(cè)重于對降雨-徑流系統(tǒng)中間過程的物理過程的描述，而輸入不確定性對系統(tǒng)輸出的影響方面的研究尚未得到重視，主要原因在于實(shí)際降雨-徑流過程是一個復(fù)雜性系統(tǒng)，受制于不確定性系統(tǒng)理論與方法的研究水平。對城市雨水管網(wǎng)系統(tǒng)參數(shù)的優(yōu)化研究中，傳統(tǒng)的優(yōu)化思路主要是通過調(diào)整各管道管徑使建造費(fèi)用目標(biāo)最小，難以保證設(shè)計(jì)出的管網(wǎng)系統(tǒng)具有較高的可靠性，國內(nèi)外相繼提出了度量管網(wǎng)不確定性的研究方法[17-18]，但研究思路多是將不確定性因素轉(zhuǎn)換為確定性的約束條件，仍沿用傳統(tǒng)優(yōu)化思路設(shè)計(jì)管網(wǎng)，管網(wǎng)系統(tǒng)優(yōu)化結(jié)果的可靠程度仍較低。

　　2.4不確定性理論研究進(jìn)展

　　不確定性研究一直是系統(tǒng)科學(xué)、信息科學(xué)等學(xué)科領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，近年來取得了大量研究成果[11]。目前對不確定性的研究多集中于隨機(jī)信息、模糊信息、區(qū)間信息、粗糙信息等各種不確定性的處理[19]。為便于不確定性計(jì)算，傳統(tǒng)研究思路主要張明，等：城市雨水排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)不確定性研究進(jìn)展••5是針對各種具有特定性質(zhì)的不確定性信息給出特定的計(jì)算方法，通過數(shù)學(xué)變換轉(zhuǎn)換為確定性信息，便于傳統(tǒng)方法處理。然而，這種研究思路一方面難以處理包含多種不確定性信息的研究問題，另一方面將不確定性轉(zhuǎn)換為確定性的過程丟失了大量信息，給計(jì)算結(jié)果增加了新的不確定性。信息科學(xué)中的信息熵理論被認(rèn)為是研究不確定性的有效工具之一，是一種人為影響最小的客觀準(zhǔn)則，在通信、能源、環(huán)境、金融、水文等多學(xué)科領(lǐng)域內(nèi)都取得了一系列的研究成果[20-21]。為解決信息熵理論在應(yīng)用中存在的優(yōu)化求解困難等問題，張明等[22]在前期工作中開發(fā)、驗(yàn)證了一整套基于智能計(jì)算平臺的信息熵模型，如遺傳熵譜模型、遺傳最大熵模型等，可更容易地與模糊數(shù)學(xué)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、層次分析等智能算法融合，在水資源系統(tǒng)模擬、預(yù)測、評價、決策等問題中取得了較好的研究成果，擴(kuò)展了傳統(tǒng)信息熵理論的研究范圍。應(yīng)用該理論方法，處理城市雨水管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)中的不確定性，構(gòu)建包含各種不確定性信息的可靠性目標(biāo)函數(shù)，減小城市雨水管網(wǎng)設(shè)計(jì)中的不確定性，提高城市內(nèi)澇積水災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)管理水平，在防災(zāi)減災(zāi)理論與實(shí)踐方面具有重要意義。

　　3結(jié)語

　　1)全球氣候變化的影響日益顯著，城市化進(jìn)程日漸加快，將給城市雨水管網(wǎng)設(shè)計(jì)帶來新的挑戰(zhàn)。2)當(dāng)前急需改進(jìn)傳統(tǒng)的確定性設(shè)計(jì)方法，提出綜合考慮隨機(jī)、模糊、區(qū)間、粗糙等多種不確定性信息的城市雨水管網(wǎng)設(shè)計(jì)模型，服務(wù)于各種新建城市雨水管網(wǎng)設(shè)計(jì)和已有城市雨水管網(wǎng)系統(tǒng)的改造。3)開展基于不確定性的城市雨水管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究，具有較強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義，還可形成不確定性優(yōu)化理論與方法，推動資源與環(huán)境科學(xué)等相關(guān)學(xué)科領(lǐng)域的發(fā)展，具有一定的理論研究價值。
　　給排水工程師論文投稿期刊推薦：《灌溉排水學(xué)報(bào)》（雙月刊）于1982年創(chuàng)刊，是由水利部中國農(nóng)科院農(nóng)田灌溉研究所，中國國家灌溉排水委員會主辦的學(xué)術(shù)類刊物，該刊為中文核心期刊，CSTA數(shù)據(jù)庫入選期刊，中國科技引文統(tǒng)計(jì)源期刊。任務(wù)是報(bào)道我國灌溉排水科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，如作物需水量，農(nóng)業(yè)水資源開發(fā)與管理，灌溉排水技術(shù)，鹽堿地與低產(chǎn)田改良，水土保持與水流域沿理，灌排工程經(jīng)濟(jì)評價，機(jī)電排灌等最新研究成果。