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user: 4. 结果分析 4.1. 城市化对排水系统的影响分析 1) 出水口状态 出水口排水是否通畅对上游防洪排涝具有重要的意义，图5和图6分别为不同重现期降雨条件下，城市化前后汇水区出口管道水流流量与出水口水深随时间的变化过程，可以看出，城市化后出水口管道流量和水深远大于城市化前。在重现期为3年、5年和10年的降雨条件下，洪峰流量分别由原来的0.04 m 3 /s、0.047 m 3 /s和0.058 m 3 /s增加到0.069 m 3 /s、0.073 m 3 /s和0.079 m 3 /s。出口节点最大水深由原来的0.11 m，0.12 m和0.13 m，增加为0.15 m、0.16 m和0.16 m。水深小于该出口管道直径，能够安全排水研究区产生的降雨径流，但城市后出口节点水深大于城市化前，说明管网收纳了更多的雨水，增加了管道排水压力。 图4. 优化制动阀设置示意图 图5. 不同降雨条件下城市化前后汇水区出口管道水流流量过程 图6. 不同降雨条件下城市化前后汇水区出口水深过程 2) 地表径流情况 对地表径流的模拟结果，可以综合反映研究区自然地理要素对径流的影响情况，为雨、洪形成过程的分析和研究提供参考。城市化前后汇水区地表径流情况见表1所列。从中得出，城市化导致汇水区径流量增加，地面硬化使得下渗量反而减小，溢流量增加更为明显，在3年、5年、10年重现期降雨条件下，溢流量分别增加了65 m 3 、111 m 3 、179 m 3 ，且溢流井主要分布下游新旧管网衔接的地方。这是由于原有排水系统的排水能力不变，却多承担了扩张区域汇水面积上的雨水，增加了下游管道的排水压力。 3) 管道负荷情况 城市排水管网负荷过大，会降低其排水能力，长时间较大负荷也会影响管道的使用年限，如图7所示。以管道满流时间反映管道负荷情况，见表2所列。可见，城市化大大增加了下游老管网的负荷，表现为：满管管道数量增加，满管时间增长。且随着降雨强度增大，管网负荷越大。在城市化前，当降雨重现期为3年、5年和10年时，分别有3根、2根、1根管道出现满管情况，而且管道满管时间均在半小时以内。城市化后分别有14根、16根、16根管道出现满管情况，且满管时间多为1小时以上，较城市化前，排水管网排水能力明显下降。由上节分析可知，尽管仍能排走大部分雨水，但是导致了部分管井节点的溢水。造成这些管道长时间满管的原因，一方面是因为下游排水管道管径较小，一方面是因为不透水面积的增大，使得更多的雨水径流进入排水系统，增加排水压力。 4.2. 优化制动阀措施分析 1) 对流速和流量的控制效果分析 流量和流速的变化，直接反映了管道中水流的变化。以优化制动阀位置为上下游分界，分别选取一定范围内的上下游管道为研究对象(见图8)，分析管道水流流量和流速在优化制动阀控制前后的变化情况。从图9~图11中明显看出，优化制动阀添加后，引起了管道水流最大流速与下游洪峰流量的削减，削减量的多少不一，反映了管道与优化制动阀所处的位置关系，距离优化制动阀越近，最大流速和洪峰流量减少的越多(如L14，L8，L6)，距离优化制动阀越远，其洪峰流量与最大流速变化越小(如L11，L1，L2)。而且可以发现，相对于下游管道，上游管道水流的流速削减更为明显。分析其原因，这是因为优化制动阀对上游的洪水一方面产生阻挡水流的水压，一方面限制了过水断面的面积，因此导致下游水流流速和流量的减少。 2) 对节点水深的影响 节点水深为管道底部到管井中水位的高度，当节点水深超过管井埋深时，管井节点出现溢流。同样，选取 Table 1 Simulation results of surface runoff on catchment area before and after urbanizatio 汇水区 面积(ha) 降雨重现期 总雨量(mm) 入渗量(mm) 径流量(mm) 溢流量(m 3 ) 城市扩张前 22.9 3年 31.2 11.0 16.4 0 5年 34.6 12.2 18.8 0 10年 39.6 14.1 22.1 0 城市扩张后 91.5 3年 68.9 6.7 48.6 65 5年 76.4 7.6 55.6 111 10年 88.4 8.5 66.2 179 表1. 城市化前后汇水区地表径流模拟结果 Table 2 Conduit surcharging during different rainfall scenario 超载管道 城市扩张前管道满管时间(h) 城市扩张后管道满管时间(h) 3年 5年 10年 3年 5年 10年 L15 — — — 1.39 1.52 1.65 L3 — — — 1.53 1.64 1.77 L24 — — — — 0.06 0.55 L32 — — — 1.28 1.42 1.55 L26 — — — — 0.21 0.53 L25 — — — 1.1 1.26 1.4 L1 0.27 — — 1.68 1.78 1.89 L28 0.01 0.01 — 0.01 0.01 0.01 L29 — — — 1.07 1.19 1.31 L30 0.01 0.01 0.01 0.01 0.01 0.01 L31 — — — 0.01 0.01 0.01 L2 — — — 1.56 1.68 1.79 L27 — — — 1.39 1.52 1.65 L16 — — — 1.29 1.43 1.56 L4 — — — 1.48 1.59 1.71 L5 — — — 1.22 1.36 1.49 表2. 不同雨情境下管道负荷情况 注：表中“—”表示管道未满流。 图7. 受城市化影响较大的管道分布情况 图8. 选取管道示意图 图9. 不同降雨条件下优化制动阀控制前后上游管道水流最大流速变化情况 图10. 不同降雨条件下优化制动阀控制前后下游管道水流最大流速变化情况 一定范围的上下游管井节点为研究对象(见图12)，图13和图14反映了优化制动阀控制前后节点最大水深的变化情况。从图中明显看出，优化制动阀抬高了上游节点最大水深，降低了下游管井节点最大水深。在优化制动阀的控制作用下，部分上游节点出现了溢流，如3年重现期降雨条件下的节点J8和J18，5年重现期降雨条件下的节点J8、J18和J19，以及10年重现期降雨条件下的J8、J18和J19，相应的部分下游节点也因优化制动阀 图11. 不同降雨条件下优化制动阀控制前后下游管道水流最大流量变化情况 图12. 研究节点选取范围 图13. 不同降雨条件下优化制动阀控制前后上游管井节点最大节点水深变化情况 的控制，由溢流变为无溢流，如溢流节点J5和J16。优化制动阀对节点水深的影响，体现了优化制动阀对上游管道空间容量的充分利用，上游管道容纳更多的水量，于是减缓了下游的洪水。 3) 对汇水区溢流量的影响分析 溢流时间直接反映了研究区的淹没情况。表3给出了优化制动阀添加前后的管井溢流情况，随雨量的增大，溢流节点数量增加，溢流量增大，溢流时间增长。从表中可以得出，优化制动阀对溢流量的影响表现为，一方面减缓了下游溢流状况，即溢流量减少，溢流时间变短；一方面实现了溢流量从下游到上游的转移，即优化制动阀添加前，溢流节点主要分布在下游，优化制动阀添加后，溢流节点主要分布在上游。 表4为不同降雨条件下，优化制动阀设置前后溢流总量的情况。从表中可以得出，优化制动阀添加后，下游溢流量减少，上游相应增加一部分溢流量，汇水区总溢流量减小，且在小降雨条件下效果更为明显，在重现期3年、5年、10年降雨条件下，溢流总量分别由原来的65 m 3 、111 m 3 和179 m 3 分别降低为53 m 3 、90 m 3 和 图14. 不同降雨条件下优化制动阀控制前后上游管井节点最大节点水深变化情况 Table 3 Node flooding of the pipe network during different rainfall scenario 降雨重现期 溢流节点 优化制动阀添加前 溢流节点 优化制动阀添加后 溢流时间(h) 溢流量(m 3 ) 溢流时间(h) 溢流量(m 3 ) 3年 J4 0.78 23 J3 0.4 1 J8 0.68 7 J7 0.89 21 J3 1.03 24 J10 0.92 23 J1 1.08 11 J1 0.87 8 5年 J4 1.01 42 J3 0.7 7 J8 0.96 21 J7 1.05 37 J3 1.17 31 J11 0.33 3 - - - J1 1.05 15 10年 J9 0.48 4 J3 0.97 16 J4 1.19 70 J7 1.18 60 J8 1.16 37 J11 0.61 15 J3 1.32 39 J10 1.21 51 J11 0.32 3 J1 1.21 24 J1 1.34 26 - - - 表3. 不同重现期降雨条件下管网溢流情况 Table 4 Total flood volume before and after the adding of Hydro-Braker Optimum during different rainfall scenario 降雨重现期 优化制动阀设置前溢流量(m 3 ) 优化制动阀设置后溢流量(m 3 ) 总溢流量减少百分比(%) 上游 下游 总量 上游 下游 总量 3年 0 65 65 44 9 53 18.46 5年 0 111 111 77 22 99 10.81 10年 3 176 179 40 126 166 7.18 表4. 不同降雨条件下优化制动阀设置前后溢流量对比 166 m 3 ，分别减少了18.46%、10.81%和7.18%。