大型自然環(huán)境模擬試驗(yàn)系統(tǒng)——各級降雨量條件下城市排水系統(tǒng)試驗(yàn)方案

一、研究背景與意義

城市排水系統(tǒng)是保障城市安全運(yùn)行的核心基礎(chǔ)設(shè)施，其性能直接影響暴雨內(nèi)澇防控、徑流污染削減及居民生活質(zhì)量。隨著城市化進(jìn)程加速，不透水地面占比增加（我國城市不透水面積比例普遍超過60%），疊加極端降雨事件頻發(fā)（如短時強(qiáng)降雨量達(dá)100-300mm/h），傳統(tǒng)排水系統(tǒng)面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)：管道過流能力不足、節(jié)點(diǎn)（如檢查井、交匯處）淤積堵塞、地表徑流沖刷污染、低洼區(qū)積水內(nèi)澇等問題突出。

然而，自然降雨具有隨機(jī)性、時空變異性強(qiáng)的特點(diǎn)，難以通過現(xiàn)場實(shí)測系統(tǒng)研究不同降雨強(qiáng)度（0-300mm）、降雨歷時及下墊面條件對排水系統(tǒng)的全流程影響（如雨水口匯流效率、管道流速-流量關(guān)系、節(jié)點(diǎn)水力負(fù)荷）。因此，依托大型自然環(huán)境模擬試驗(yàn)系統(tǒng)，通過精準(zhǔn)模擬0-300mm降雨量（覆蓋小雨至特大暴雨工況），結(jié)合城市典型排水管網(wǎng)縮尺模型，開展多情景排水過程試驗(yàn)，對揭示排水系統(tǒng)瓶頸、優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)、提升韌性能力具有重要科學(xué)價值與工程意義。

二、試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)

1.定量解析：明確0-300mm降雨量范圍內(nèi)，降雨強(qiáng)度（mm/h）、降雨歷時（h）與排水系統(tǒng)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)（雨水口、檢查井、管道、出水口）的水力響應(yīng)（流速、流量、水位）的定量關(guān)系，確定系統(tǒng)臨界過載閾值（如管道滿流、節(jié)點(diǎn)溢流時刻）。

2.機(jī)制揭示：探究不同下墊面類型（如瀝青路面、綠地、屋面）的產(chǎn)流特性（初期棄流量、徑流系數(shù)）、徑流攜帶污染物（SS、COD等）的遷移規(guī)律，以及排水系統(tǒng)內(nèi)部流態(tài)（層流/紊流、緩流/急流）對堵塞與淤積的影響機(jī)制。

3.優(yōu)化驗(yàn)證：對比不同排水設(shè)計(jì)方案（如傳統(tǒng)重力流系統(tǒng)、海綿設(shè)施（雨水花園/植草溝）、智能調(diào)蓄井）的抗內(nèi)澇與控污效能，提出適應(yīng)不同降雨風(fēng)險區(qū)的排水系統(tǒng)優(yōu)化策略。

三、試驗(yàn)系統(tǒng)與技術(shù)參數(shù)

（一）核心試驗(yàn)系統(tǒng)：城市排水模擬試驗(yàn)平臺

本試驗(yàn)依托大型自然環(huán)境模擬系統(tǒng)，集成可控降雨模塊、城市排水縮尺模型、動態(tài)水流監(jiān)測模塊及水質(zhì)分析模塊，可精準(zhǔn)模擬0-300mm降雨量（對應(yīng)降雨強(qiáng)度0-300mm/h）下的城市排水全過程（產(chǎn)流-匯流-輸送-排放）。

1.可控降雨模塊（同堤壩沖刷試驗(yàn)系統(tǒng)，參數(shù)復(fù)用）

降雨強(qiáng)度范圍：0-300mm/h（精度±2mm/h），覆蓋小雨（<10mm/h）、中雨（10-25mm/h）、大雨（25-50mm/h）、暴雨（50-100mm/h）、特大暴雨（>100mm/h）；

降雨均勻性：≥90%（通過多噴嘴陣列+風(fēng)幕補(bǔ)償技術(shù)實(shí)現(xiàn)）；

降雨高度：≥6m（確保雨滴終末速度接近自然狀態(tài)）；

雨滴直徑模擬：0.5-6mm（匹配不同雨強(qiáng)下的真實(shí)雨滴特征）；

控制方式：支持預(yù)設(shè)降雨曲線（如短時強(qiáng)降雨“100mm/h持續(xù)1h”、持續(xù)小雨“10mm/h持續(xù)6h”）。

2.城市排水縮尺模型模塊

模型范圍：模擬典型城市街區(qū)排水系統(tǒng)（面積約200m×200m，縮尺比例1:10~1:20，滿足重力流相似準(zhǔn)則（弗勞德數(shù)Fr相等））。

下墊面類型：分區(qū)設(shè)置4種典型地表（面積占比參考實(shí)際城市）：

不透水路面（瀝青/混凝土，占比40%，模擬道路與廣場）；

屋面（混凝土/瓦片，占比25%，模擬建筑屋頂）；

綠地（草皮/土壤，占比25%，模擬公園與綠化帶）；

透水鋪裝（透水混凝土/磚，占比10%，模擬海綿設(shè)施試點(diǎn)區(qū)）。

排水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：包含完整排水流程——

匯水單元：雨水口（間距15-30m，直徑300-500mm）、連接支管（管徑200-400mm）、干管（管徑600-1000mm）；

關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)：檢查井（深度1-2m，直徑800-1200mm）、交匯井（兩管/三管交匯）、出水口（連接至模擬河道/調(diào)蓄池）；

輔助設(shè)施：可選配海綿設(shè)施（如雨水花園（容積0.5-1m3）、植草溝（坡度2-5%）、調(diào)蓄池（容積2-5m3）），用于對比試驗(yàn)。

材料與工藝：管道與井室采用PVC或有機(jī)玻璃（透明材質(zhì)便于觀測內(nèi)部流態(tài)），表面粗糙度與實(shí)際工程一致（通過涂層調(diào)節(jié)）；下墊面采用真實(shí)材料（如瀝青混凝土、草皮）或高相似度模擬材料（透水系數(shù)、孔隙率校準(zhǔn)）。

3.動態(tài)水流與水質(zhì)監(jiān)測模塊

水力參數(shù)監(jiān)測：

流量：電磁流量計(jì)（精度±0.5%，量程0-50L/s）安裝于支管/干管關(guān)鍵斷面；

流速：超聲波多普勒流速儀（精度±1cm/s，測量范圍0-3m/s）或染色示蹤法（輔助觀測流態(tài)）；

水位：投入式液位計(jì)（精度±1mm）布置于檢查井、出水口及管道關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)；

流態(tài)觀測：透明管道段設(shè)置高速攝像機(jī)（1000fps），記錄急流/緩流/壅水/回流現(xiàn)象。

水質(zhì)參數(shù)監(jiān)測（針對徑流污染）：

懸浮物（SS）：在線濁度儀（精度±2NTU）+定期采樣過濾稱重；

化學(xué)需氧量（COD）：便攜式COD快速檢測儀（或試驗(yàn)后實(shí)驗(yàn)室分析）；

其他污染物（可選）：氨氮（NH?-N）、總磷（TP）（通過模擬降雨添加示蹤劑，如可溶性染料）。

4.數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)

采用分布式傳感器網(wǎng)絡(luò)（20+監(jiān)測點(diǎn)）+工業(yè)計(jì)算機(jī)，采樣頻率≥1Hz，同步采集降雨強(qiáng)度、管道流量、節(jié)點(diǎn)水位、流速等參數(shù)，數(shù)據(jù)實(shí)時顯示于中控大屏并存儲至云端（支持歷史回溯與多工況對比）。

四、試驗(yàn)設(shè)計(jì)

（一）試驗(yàn)工況分類

基于城市排水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)（如GB 50014-2021《室外排水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》）及極端降雨事件統(tǒng)計(jì)（如我國南方城市“小時雨強(qiáng)100-200mm”的特大暴雨），設(shè)計(jì)以下五組典型工況：

注：每組工況下細(xì)分變量（如下墊面類型占比、雨水口密度（20-50m/個）、管道坡度（0.3%-1%）），單組試驗(yàn)重復(fù)3次以保證數(shù)據(jù)可靠性。

（二）試驗(yàn)流程

1.模型制備與校準(zhǔn)：

按縮尺比例搭建城市街區(qū)排水模型（包括道路、建筑、綠地等下墊面，以及雨水口、管道、檢查井等排水設(shè)施），通過染色水試驗(yàn)驗(yàn)證水流路徑與實(shí)際工程一致性；

校準(zhǔn)傳感器零點(diǎn)（流量計(jì)、液位計(jì)、流速儀），測試降雨模塊均勻性（通過標(biāo)準(zhǔn)雨量筒網(wǎng)格布點(diǎn)測量）。

2.預(yù)試驗(yàn)：以低強(qiáng)度降雨（5mm/h）運(yùn)行30min，觀察系統(tǒng)初始狀態(tài)（如雨水口是否堵塞、管道有無滲漏）。

3.正式試驗(yàn)：

按預(yù)設(shè)工況啟動降雨（逐步增加至目標(biāo)強(qiáng)度），同步記錄各監(jiān)測點(diǎn)數(shù)據(jù)（流量、水位、流速、水質(zhì)）；

重點(diǎn)觀測關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)（如檢查井、交匯處）是否出現(xiàn)溢流（水位超過井蓋高度）、管道是否滿流（水位達(dá)到管頂）；

對于復(fù)合工況（含海綿設(shè)施），額外監(jiān)測設(shè)施入流/出流流量（驗(yàn)證徑流削減率）及出水水質(zhì)（驗(yàn)證污染控制效果）。

4.數(shù)據(jù)記錄與取樣：

試驗(yàn)結(jié)束后，導(dǎo)出全時段監(jiān)測數(shù)據(jù)（生成降雨-流量-水位過程線），統(tǒng)計(jì)內(nèi)澇積水面積（通過透明模型目視測量或激光測距儀掃描）、峰值流量延遲時間（對比有無海綿設(shè)施）；

采集徑流樣品（雨水口、出水口）分析SS/COD濃度，計(jì)算污染負(fù)荷削減率（海綿設(shè)施組）。

五、關(guān)鍵科學(xué)問題與分析方法

（一）關(guān)鍵科學(xué)問題

1.不同降雨強(qiáng)度下，城市排水系統(tǒng)的“瓶頸環(huán)節(jié)”（如雨水口過流能力不足、管道坡度太小導(dǎo)致流速過低淤積）如何影響整體排水效率？臨界失效的閾值條件（如降雨強(qiáng)度≥？mm/h時節(jié)點(diǎn)必然溢流）是什么？

2.下墊面類型（不透水/透水比例）與徑流特性（初期棄流量、峰值流量）的關(guān)系如何？如何通過優(yōu)化下墊面結(jié)構(gòu)降低排水系統(tǒng)負(fù)荷？

3.海綿設(shè)施（如雨水花園、植草溝）對徑流的“削峰-錯峰-凈化”作用機(jī)制是什么？其效能受哪些設(shè)計(jì)參數(shù)（如容積、坡度、植被類型）主導(dǎo)？

（二）分析方法

1.水力性能評估：基于監(jiān)測數(shù)據(jù)繪制“降雨強(qiáng)度-流量過程線”“降雨歷時-積水深度曲線”，擬合曼寧公式（Q=1/nAR^(2/3)S^(1/2)，Q為流量，n為管道粗糙系數(shù)，A為過流斷面面積，R為水力半徑，S為坡度）計(jì)算實(shí)際流速與理論值的偏差，識別系統(tǒng)過載節(jié)點(diǎn)。

2.瓶頸診斷：通過節(jié)點(diǎn)水位-時間曲線判斷溢流起始時刻（水位突變點(diǎn)），結(jié)合管道流速數(shù)據(jù)（流速<0.6m/s易淤積）分析淤積風(fēng)險段。

3.海綿設(shè)施效能分析：計(jì)算徑流削減率（η=(Q_in-Q_out)/Q_in×100%，Q_in為入流流量，Q_out為出流流量）、峰值延遲時間（Δt=t_peak_in-t_peak_out），結(jié)合水質(zhì)數(shù)據(jù)評估“減量-提質(zhì)”雙效。

六、預(yù)期成果

1.數(shù)據(jù)成果：建立0-300mm降雨量范圍內(nèi)城市排水系統(tǒng)水力響應(yīng)數(shù)據(jù)庫（含流量-水位-流速關(guān)聯(lián)模型、節(jié)點(diǎn)溢流閾值表、不同下墊面徑流系數(shù)圖譜）。

2.理論成果：揭示“降雨-下墊面-排水設(shè)施”耦合過程中的瓶頸形成機(jī)制（如雨水口過流能力不足是中小降雨內(nèi)澇的主因，管道坡度<0.5%時暴雨易滿流），提出排水系統(tǒng)脆弱性評價指標(biāo)體系。

3.應(yīng)用成果：形成適用于不同降雨風(fēng)險區(qū)（如南方多雨城市、北方季節(jié)性內(nèi)澇區(qū)）的排水系統(tǒng)優(yōu)化指南（推薦雨水口密度、管道最小坡度、海綿設(shè)施配置比例），為《室外排水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》修編提供試驗(yàn)支撐。

七、試驗(yàn)進(jìn)度安排

八、注意事項(xiàng)

1.安全防護(hù)：試驗(yàn)區(qū)域設(shè)置防水圍堰（防止徑流外溢污染環(huán)境），透明管道段加裝防護(hù)欄（避免高速水流濺射傷人）。

2.環(huán)境控制：試驗(yàn)后及時清理管道內(nèi)沉積物（防止長期淤積影響下次試驗(yàn)），監(jiān)測室內(nèi)溫濕度（避免材料變形影響縮尺模型精度）。

3.設(shè)備維護(hù)：定期檢查傳感器探頭（如流速儀葉輪磨損、液位計(jì)電纜老化），校準(zhǔn)降雨噴嘴（防止堵塞導(dǎo)致雨強(qiáng)偏差）。

本方案可根據(jù)實(shí)際需求調(diào)整參數(shù)（如降雨量上限擴(kuò)展至500mm、縮尺比例細(xì)化至1:5）、增加監(jiān)測指標(biāo)（如管道內(nèi)部壓力監(jiān)測），確保研究目標(biāo)的針對性與工程適用性。