一种机场专用降雨、径流、管网一体化排水设计方法

摘要

本发明涉及一种机场专用降雨、径流、管网一体化排水设计方法，该设计方法包括场址外部水文环境分析、机场排水产汇流分析、局部精细化分析与参数信息化方案呈现四步骤；该四步骤的使用顺序为步骤1)场址外部水文环境分析、步骤2)机场排水产汇流分析、步骤3)局部精细化分析、步骤4)参数信息化方案呈现依序进行。本发明综合考虑场区宏观排水线路设计与局部冲沟水量精细化评估等关键问题，协同排水能力与排水构筑物的结构稳定性甚至与相关专业设计，加强与相关专业的进一步融合，该解决方案可同机场设计相关专业进行数据交互。

说明书

技术领域

本发明涉及机场设计领域，尤其涉及一种机场专用降雨、径流、管网一体化排水设计方法。

背景技术

机场排水设计是机场设计的重要组成部分，在机场总体规划基础上，与机场地势、道面密切配合，共同解决飞行安全与飞行场地各部分强度问题。由于目前没有专门针对机场排水设计分析的软件工具，在实际生产设计中，为保证安全，往往进行一定程度的过度设计，无形之中导致成本提高；反之，若对机场面域排水量估计不足，出现积水现象，后期补救(运维费用)也会提高。因此，机场排水问题非常重要但欠缺一定的合理性，合理的排水设计需要建立在对排水过程准确表达与量化的基础上。机场面域的排水过程受时间和空间影响显著，时间方面，降雨条件的时变过程是影响机场面域排水的最显著的因素之一，主要通过降雨强度这一指标来进行衡量；空间方面，不仅面域内整体宏观排水过程至关重要，而且局部的精细化排水方案设计也同样值得关注，合理的排水方案设施不仅需要从时间与空间角度进行分析，也要注重同相关专业(岩土、结构等)的协同配合。

传统计算方法(手工水力计算)对排水过程的时空动态变化表达不够完善，这便导致排水的过程性描述存在一定的欠缺；其次，当前排水设计过程与机场相关专业的BIM技术融合不够深入，排水构筑物的排水能力设计与其结构的稳定性甚至与岩土、结构等专业的协调性需要进一步加强。

发明内容

本发明正是为了解决上述问题缺陷，为实现排水过程的时空表达、进行专业间的数据交互，提供一种机场专用降雨、径流、管网一体化排水设计方法。

本发明采用如下技术方案实现。

根据地形资料、设计降雨资料，结合工程特点，遵循“宏观-细观-精细化”的研究思路，提出一种机场专用降雨、径流、管网一体化排水设计方法，本发明该设计方法包括场址外部水文环境分析、机场排水产汇流分析、局部精细化分析与参数信息化方案呈现四步骤；

该四步骤的使用顺序为步骤1)场址外部水文环境分析、步骤2)机场排水产汇流分析、步骤3)局部精细化分析、步骤4)参数信息化方案呈现依序进行；

所述步骤1)场址外部水文环境分析即对机场周边水文环境进行评估，所述的周边水文环境包括特殊地貌；获得潜在泛洪区的面积以及最优控制策略设计下的排水线路长度；

具体地，依据“D8”流向判断准则，即将地表在二维平面网格化，认为某个网格内的水流在地表上是向相邻八个网格中高程相对于该网格最低的网格流动。并根据流水总是流向低处的原则把网格用实线连接起来，即得到研究区域内的河网空间分布，进一步以此确定最优控制策略设计下的排水线路长度。

所述步骤2)机场排水产汇流分析即对机场面域进行排水过程分析，分析在单一降水事件下的水量时空变化规律；

具体地，依据水量平衡原理。

其中，产流部分：

对于不透水地表，依据如下公式：地表无洼蓄时，R

对于透水地表，降雨损失包括洼蓄和下渗，依据如下公式：R

汇流部分：

依据非线性水库模型，利用连续方程和曼宁方程进行求解，

连续方程：

式中：V为地表集水量，m

曼宁方程为：

式中：W：子流域宽度，m；n：曼宁系数；h

所述步骤3)局部精细化分析即通过调整局部参数信息进行方案对比与优化；

具体地，对于机场排水管网(沟渠)内部水流的描述，依据一维圣维南方程组进行求解。

式中x：一维空间变量；b

具体地，将地表管网节点处的淹没结果作为水量边界条件导入BIM软件(例如但不限于DHI-MIKE)对地表积水的演进过程进行量化描述。通过BIM软件(例如但不限于DHI-MIKE、Tecplot等)对地表淹没结果进行可视化查看。

本发明所述步骤1)场址外部水文环境分析中特殊地貌包括冲沟、管线下穿。

本发明所述步骤2)机场排水产汇流分析中机场面域包括道面、明沟。

本发明所述步骤3)局部精细化分析中局部参数信息包括汇水区坡度、汇水区透水面积比率、沟管尺寸。

本发明所述步骤1)场址外部水文环境分析为，利用GIS水文分析技术初步量化可能发生的场外洪水，合理设计排水系统的规模与尺寸；精确绘制自然渠道/河道系统的泛洪区，在保证排水线路排水要求前提下，提供最优控制策略设计。结合GIS水文分析：坡度，地形高程划分汇水区，布置明沟、管网排水构筑物；分析机场面域在单一降水事件下的水量变化过程，其径流模块部分综合处理各子流域所发生的产流、汇流；通过管网、明道排水设施进行水量传输，跟踪模拟不同时间步长任意时刻每个子流域所产生径流的水量，以及每个管道和河道中水的流量及水深情况。

本发明所述步骤2)机场排水产汇流分析为，利用水量平衡原理与非线性水库模型，根据地势条件搭建机场排水数值分析模型，依据设计方案的地形条件划分面域汇水区，布置明沟、盲沟等排水构筑物；采用水力学计算方法计算道面的径流过程，通过一维圣维南方程组求解沟渠或管道内的汇流过程；机场排水“降雨-径流-管网”一体化设计，对机场面域(道面，明沟等)进行排水过程模拟分析，结合GIS水文分析：坡度，地形高程划分汇水区，布置明沟、管网排水构筑物；分析机场面域在单一降水事件下的水量变化过程，其径流模块部分综合处理各子流域所发生的产流、汇流；通过管网、明道等排水设施进行水量传输，跟踪模拟不同时间步长任意时刻每个子流域所产生径流的水量，以及每个管道和河道中水的流量及水深情况。

本发明所述步骤3)局部精细化分析为，对既有的排水方案进行极端降雨条件下的排水能力量化评估；进行局部：单一排水口精细化排水时空变化分析，在岩土、结构方面从水力角度对排水构筑物的稳定性进行复核。

本发明所述步骤4)参数信息化方案呈现为，集成GIS空间分析技术、水(动)力计算分析、排水结果可视化、BIM深化应用功能，发挥GIS与BIM技术在机场排水设计中的优势，同时为机场排水设计过程提供参数信息化方案呈现解决方案；对研究区输入的数据进行编辑、模拟水文、水力变化情况，并用多种形式对结果进行显示，包括对排水区域和系统排水路线进行彩色编码，提供结果的时间序列曲线和图表、坡面图以及统计频率的分析结果；通过将超载节点的水量时变过程作为边界条件输入到地表模型中，准确的表达地形起伏对超载水量地表溢流的影响，为局部精细化调整提供参数信息化方案呈现。

本发明该设计方法还包括步骤5)数据管理体系建立：融合BIM与GIS技术并进行数据规范化管理，录入节点位置、节点水量、超载时间等指标参数，为远期信息管理平台的搭建提供数据基础，目标具有情景可在现、结果可查询、条件可调整、数据可追溯、信息可入库功能，实现数据的查询、对比、追溯、归档、移交要求。

本发明的有益效果：

1.实现机场排水设计过程快速水力学计算、参数化方案设计及比选、优良的可视化动态展示等。解决传统水力计算方法对于排水时变过程无法详尽描述的问题，大大节约人工计算成本，设计效率提高一倍以上。

2.数据分析更加灵活，可同时兼顾宏观场区排水与局部排水节点的水量与水位的时空变化过程。除了能模拟冲沟中的水流，还可模拟各种形状的封闭式/明渠管道中的水流；应用(完整)动力波方程进行汇流计算。可以描述不同形式的水流，例如回水、溢流、逆流和地面积水水量预测等。

3.发挥机场排水“降雨-径流-管网”一体化设计优势，进一步完善GIS技术与BIM正向设计在机场设计中的应用，建立规范的参数化数据信息交互接口，打通排水专业与其他相关专业的设计协同壁垒。

4.可实现“情景可在现、结果可查询、条件可调整、数据可追溯、信息可入库”等功能，满足数据的查询、对比、追溯、归档、移交要求。目前已在某机场设计过程开始应用，并取得了较好的效果，为排水线路的多方案对比提供了数据参考。

下面结合附图和具体实施方式本发明做进一步解释。

附图说明

图1为本发明实施例地形概况示意图；

图2为本发明实施例坡/流向分析示意图；

图3为本发明实施例汇水区与排水点定位示意图；

图4为本发明实施例冲沟流域面积量化统计示意图；

图5为本发明实施例场区“降雨-径流-管网”一体化模型示意图；

图6为本发明实施例场区节点风险划分示意图；

图7为本发明实施例溢流节点平面位置示意图；

图8为本发明实施例淹没过程图(t＝5min)；

图9为本发明实施例淹没过程图(t＝10min)；

图10为本发明实施例淹没过程图(t＝15min)；

图11为本发明实施例淹没过程图(t＝20min)；

图12为本发明实施例淹没过程图(t＝25min)；

图13为本发明依据“D8”流向判断准则得到研究区域内的河网空间分布图；

图14为本发明技术路线示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步的详细说明。此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定发明。

本实施例提供一种机场专用降雨、径流、管网一体化排水设计方法，用以解决新建机场及改扩建机场工程中的排水设计问题。由场址外部水文环境分析、机场排水产汇流分析、局部精细化分析与参数信息化方案呈现四大模块构成，具体实施过程如下：

1.场址外部水文环境分析

依托某新建机场建设工程，对场址周边地形及水文环境开展分析，利用Arc HydroTool工具，经过“地形(图1)-坡/流向(图2)-径流累计-河网分级-汇水区划分-排水点定位(图3)”等分析，依据“D8”流向判断准则得到研究区域内的河网空间分布(图13)，根据地势变化与汇流特征定位潜在汇水区-冲沟(图4)。利用空间统计分析工具，将冲沟范围内的汇水区面积进行累加计算，得到冲沟面积(563.7万m

2.机场排水“降雨-径流-管网”一体化设计

以某机场为例，根据前述水文分析与地形条件划分地面汇水区，根据设计方案设置管网以及相应的节点，机场“降雨-径流-管网”一体化模型如图5所示。为了更好的分析排水的时空变化过程，降雨条件采用恒定降雨强度。依据水量平衡原理计算地表产流量；依据非线性水库模型，利用连续方程和曼宁方程进行求解地表汇流量；依据一维圣维南方程组计算机场排水管网(沟渠)内部水流的排水量。当降雨强度设置为5mm/h，降雨历时为3h，选取其中部分节点(图8)，节点内的水量在降雨开始时增长较为迅速，在较快时间内达到稳态，当降雨结束时节点水量回落明显。从管网上游至下游，节点水量依次减少。在降雨结束后节点水量的削减过程中，受空间因素(相对位置、间距等)的影响，下游节点水量的削减较上游节点略有延迟。下游节点水量不仅包括上游来水量，还包括自身所处位置所对应的汇水区地表水量。因此，下游节点相对更容易超载。

一定降雨强度下，通过延长降雨历时或增加降雨强度，模拟潜在淹没节点的超载顺序，计算对比整个降雨过程中场区的淹没节点个数(表1)，根据淹没点在不同降雨强度下出现的次数，将场区管网节点划分为不同风险的淹水区域(图6)，为相关防洪措施的设定提供参考依据。

表1.超载节点水量

3.局部精细化分析与参数信息化方案呈现

对研究区输入的数据进行编辑、模拟水文、水力变化情况，并用多种形式对结果进行显示，包括对排水区域和系统排水路线进行彩色编码，提供结果的时间序列曲线和图表、坡面图以及统计频率的分析结果。通过将超载节点的水量时变过程作为边界条件输入到地表模型中，准确的表达地形起伏对超载水量地表溢流的影响，为局部精细化调整提供参数信息化方案。

当节点水量发生超载时，节点溢出的水量会在场区面域形成局部汇流，导致局部发生淹没。为获得淹没的演进过程，将SSA计算结果中节点超载水量的时变过程作为水量边界条件，导入BIM软件(例如但不限于DHI-MIKE)对地表积水的演进过程进行量化描述，进而建立场区地表流场模型(图7)。通过两者结果的“有效连接”，实现场区地表洪水淹没过程的准确量化表达(图8-图12)，通过BIM软件(例如但不限于DHI-MIKE、Tecplot等)对地表淹没结果进行可视化查看。据此明确淹没范围与淹没水深，为潜在的局部淹水制定相应的处理措施。

表2.超载节点水量

4.BIM与GIS技术融合的数据管理体系建立

融合BIM与GIS技术并进行数据规范化管理，将输出数据(节点位置、水量、水深、流速等)按相应格式要求进行存储(表1)，以满足数据的查询、对比、追溯、归档、移交要求。

表3.数据归档表

以上案例分析表明，该方法不仅能够实现中宏观尺度上场区排水过程的空间分布模拟，而且基于实测降雨与实际地形资料，具有很好模拟精度和很强的可操作性。上述方法综合考虑场区宏观排水线路设计与局部冲沟水量精细化评估等关键问题，协同排水能力与排水构筑物的结构稳定性甚至与相关专业设计，加强与相关专业的进一步融合，该解决方案可同机场设计相关专业进行数据交互。

以上所述的仅是本发明的部分具体实施例，方案中公知的具体内容或常识在此未作过多描述。应当指出，上述实施例不以任何方式限制本发明，对于本领域的技术人员来说，凡是采用等同替换或等效变换的方式获得的技术方案均落在本发明的保护范围内。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。