摘要：采用OpenMI軟件來實現排水管網模型和河流模型的耦合，對帶特殊構筑物的明渠和排水管網實施并行和動態模擬計算，獲得更準確可靠的模型結果，為工程項目的排水影響評價提供依據。
關鍵詞：管網模型，河流模型，模型耦合
Abstract: adopting OpenMI software to realize the drainage pipelines model and rivers of the coupling model, with special structures of the open channels and drainage pipelines for parallel and dynamic simulation, obtain more accurate and reliable results of the model for the engineering project of drainage impact assessment provides the basis.
Keywords: pipe network model, the river model, coupling
中圖分類號： TU821.3 文獻標識碼：A 文章編號：
1 前言
隨著計算水力學和水信息等領域的研究發展，專業計算機軟件進行水力模擬分析在工程實踐中得到了越來越廣泛的應用。目前應用較廣泛的排水模型軟件有InfoWorks CS(Innovyze，原為Wallingford Software)、Mike Urban(丹麥水力學研究所)、StormCAD(Bentley)、EPASWMM(美國環保署)，以及清華規劃院近年開發的DigitalWater。與基于經驗公式的水力計算方法相比，采用排水系統模型具有以下幾個優點：①排水模型是基于系統的范疇，各系統元件(如管段和窨井)的水力計算是同時并行實施的，因此可以考慮上下游彼此的互動影響，而不需要象傳統計算方法，從上游向下游，由排水支路到排水干管，依次逐根計算各管段的排水性能。②排水模型通常都采用分布式水文模塊模擬復雜環境下的降雨徑流過程，采用完全求解的Saint-Venant方程進行管流水力計算，并通過一維和二維模塊的耦合，模擬分析雨水流經地下管網、地上構筑物及坡面流的路徑和流量情況，其水文水力計算結果更準確可靠。③排水模型是基于計算機程序的自動化計算，大大減少了工程師分析計算過程中的人工計算工作量，大大提高了效率，并避免了由于人工疏漏所造成的計算錯誤。④排水模型通常都有與AutoCAD環境、數據庫和地理信息系統的接口，并具有強大的數據管理、圖表顯示和數據分析統計功能，使模型結果的整理分析更為直觀便利。本文基于已有排水系統模型，考慮常規耦合方法在并行運算和動態數據交換方面的不足，采用OpenMI(Open Modelling Interface)軟件來實現排水模型和河流模型的動態耦合，實現兩種模型的并行動態運行計算，以期獲得更準確可靠的分析計算結果，為排水影響評價提供參考。
2 問題的提出和解決方案
作者在香港的某工程項目中，就遇到了排水管網模型模擬明渠復雜構筑物存在局限性的實際問題。該排水系統是一個約有2000個排水管段的大型雨水管網系統，除不同尺寸的涵管外，有一條約20m寬、4m深的人工行洪明渠貫穿該管網下游區域，明渠的下游直接連接入海口。因同時受上游雨洪和下游潮汐頂托影響，該行洪明渠的水力條件比較復雜。該雨水管網的現有模型是用InfoWorks CS模型建立的，由于該行洪渠水道順直，斷面較規則，所以將InfoWorks CS模型的涵管元件，配置矩形明渠斷面形式(OREC)，來直接模擬該行洪渠。
因項目建設需要，在行洪渠離入海口600～1200 m處的上游渠段，需用約1m厚的混凝土現澆板覆蓋，并在其上部修建商業建筑和交通道路等。初步的結構設計方案是在該渠段中設兩排圓形結構柱，直徑分別為0.6m和2.2m兩種。
由于這些結構柱的修建，勢必將減小行洪渠斷面的過流面積，并造成局部水頭損失和壅水現象，從而將對該排水渠道的行洪能力造成較大的不利影響。根據香港渠務署要求，作為行洪干渠上修建的工程項目，需要實施該項目的排水影響評價。香港雨水排水手冊(Stormwater Drainage Manual)規定，雨水干管/渠需要達到200年一遇的設計標準，具體要求是在 (a) 200年一遇的暴雨疊加10年一遇的高潮位，或者(b) 10年一遇的暴雨疊加200年一遇的高潮位，取最不利情形下，各管/渠段能達到有至少300mm的超高。 因此排水影響評價需要準確計算，在200年一遇的設計標準下，該排洪渠各斷面上的水位。
InfoWorks CS是基于一維Saint-Venant方程的排水模型，只能將明渠作為涵管的一種特殊形式來進行模擬，因此對該項目結構設計方案中的結構柱，無法直接模擬，需要進行一定的簡化，并引入假設，如假設柱體間有連續墻體連接，即將該渠段的兩排結構柱，模擬成兩排連續墻，加上覆蓋的現澆板，該渠段實際被模擬成三根并行的暗渠，然后通過增大暗渠的沿程糙率系數，來考慮各結構柱的局部水頭損失。
河流模型同樣是基于Saint-Venant方程進行水動力計算，專長于模擬河道、水工建筑物和漫灘，以及相關的復雜水力情況，有很多工程應用案例，分析精度和可靠性均較高，可以來模擬分析該項目中各結構柱的水頭損失和行洪渠相關斷面的水位、流量和流速。目前應用較廣泛的河流模型有Mike 11(丹麥水力學研究所)、InfoWorks RS(Innovyze)和 HEC-RAS(美國陸軍工程兵團)等。
由于原系統采用了InfoWork CS 排水模型，因此必須將排水模型和河流模型進行耦合，為達到較好的耦合效果，采用同一軟件開發商的InfoWorks RS河流模型來模擬分析行洪渠和結構柱。在河流模型中，這些結構柱將被模擬成橋墩，根據柱體間前后間距大小，采用InfoWorks RS的USBPR 單橋或雙橋(Dual Bridge)元件進行模擬。
為克服常規耦合方法的不足，本文作者采用了OpenMI軟件來實現該項目中排水模型和河流模型的動態耦合。OpenMI是由歐洲的一些水利研究機構、高校和水工程專業軟件開發商合作開發的一套不同水工程模型的開放型接口標準，有C#和Java兩種語言版本。在用戶層面上，OpenMI提供了一個主流水工程軟件互相銜接的標準框架和接口，它允許不同模型通過一個界面友好的視窗交互平臺，不需要實施任何編程，實現了不同模型在時間步長基礎上進行并行運算和動態數據交換，目前在工程實踐中已經有了很多成功的應用案例。OmiEd (OpenMI Configuration Editor)是OpenMI的操作界面，模型耦合和運行的主要操作均在這個界面完成，主要實施步驟包括：①在OmiEd中導入不同模型;②根據數據傳輸方向，建立模型之間的交互鏈接 ;③配置鏈接，根據選擇的邊界條件，定義模型間輸入輸出的數據交換端口;④設置運算觸發器;⑤模型的耦合運算。
該項目中，針對問題的本質特征，分成三個模型子系統，即①該行洪渠段上游的排水管網，模型采用InfoWorks CS排水模型;②該行洪渠段，模型采用InfoWorks RS河流模型;③該行洪渠下游的排水管網，模型采用InfoWorks CS模型。三個子模型間按上游至下游設置順序鏈接，除第3個子系統的下游邊界條件為海潮位，其它邊界條件均為入流。利用InfoWorks軟件自帶的暴雨事件生成工具，采用Gumbel算法，生成200年一遇4h歷時的暴雨事件過程線。明渠段采用的曼寧糙率系數為0.014，各管渠均用10%的斷面高度來考慮底部泥沙沉積。三個子模型運算計算的時間步長均為5s。
3 模型分析結果
基于以上的模型耦合方法，排水子模型和河流子模型通過OpenMI軟件，在200年一遇的設計標準下， 對整個排水系統進行并行聯合模擬分析。該行洪渠段下端約140m長渠段InfoWorks RS模擬水位的縱斷面圖。該圖明顯表明，由于在結構柱的水頭損失，各結構柱的上游均會產生了一定的水位抬高，相應的板底超高也由下游向上游逐漸減少， 4個節點模型計算的最高水位值和相應的板底超高，節點4的板底超高已經不能滿足最少300mm超高的要求，而該節點上游渠段模型結果表明超高將進一步減少，甚至出現滿流的情況。模型分析結果表明該項目結構設計初步方案需要進行調整，建議盡量采用流線型及水頭損失小的柱體形狀，盡量減少或不要將結構柱設置在過水斷面之中，或者采用拓寬渠道等措施，以控制該工程項目對系統排水性能的影響，并最終滿足相關防洪要求。
4 總結
本文作者在項目實踐中，根據問題的關鍵，有針對性地選擇合適的模型工具，以充分發揮不同模型的特長，分別采用InfoWorks RS河流模型和InfoWorks CS排水模型對帶復雜構筑物的明渠和市政排水管網進行模擬，并通過OPMI工具將該兩種模型進行耦合，實現了不同模型的并行動態運行計算，以獲得了更準確可靠的分析計算結果，合理分析了該工程初步設計方案對行洪渠水力性能的影響，為項目排水影響評價提供參考，并對設計方案的修改提出了相關建議。
參考文獻：
[1] Gregersen, J. B., Gijsbers, P. J. A., and Westen, S. J. P. OpenMI: Open modeling interface[J], Hydroinformatics, 2007
[2] 香港渠務署. Stormwater Drainage Manual[B], 2000.
[3] Wallingford Software. InfoWorks RS User Manual[B], 2009.
