大型自然环境模拟试验系统——各级降雨量条件下城市排水系统试验方案

一、研究背景与意义

城市排水系统是保障城市安全运行的核心基础设施，其性能直接影响暴雨内涝防控、径流污染削减及居民生活质量。随着城市化进程加速，不透水地面占比增加（我国城市不透水面积比例普遍超过60%），叠加极端降雨事件频发（如短时强降雨量达100-300mm/h），传统排水系统面临严峻挑战：管道过流能力不足、节点（如检查井、交汇处）淤积堵塞、地表径流冲刷污染、低洼区积水内涝等问题突出。

然而，自然降雨具有随机性、时空变异性强的特点，难以通过现场实测系统研究不同降雨强度（0-300mm）、降雨历时及下垫面条件对排水系统的全流程影响（如雨水口汇流效率、管道流速-流量关系、节点水力负荷）。因此，依托大型自然环境模拟试验系统，通过精准模拟0-300mm降雨量（覆盖小雨至特大暴雨工况），结合城市典型排水管网缩尺模型，开展多情景排水过程试验，对揭示排水系统瓶颈、优化设计参数、提升韧性能力具有重要科学价值与工程意义。

二、试验目标

1.定量解析：明确0-300mm降雨量范围内，降雨强度（mm/h）、降雨历时（h）与排水系统关键节点（雨水口、检查井、管道、出水口）的水力响应（流速、流量、水位）的定量关系，确定系统临界过载阈值（如管道满流、节点溢流时刻）。

2.机制揭示：探究不同下垫面类型（如沥青路面、绿地、屋面）的产流特性（初期弃流量、径流系数）、径流携带污染物（SS、COD等）的迁移规律，以及排水系统内部流态（层流/紊流、缓流/急流）对堵塞与淤积的影响机制。

3.优化验证：对比不同排水设计方案（如传统重力流系统、海绵设施（雨水花园/植草沟）、智能调蓄井）的抗内涝与控污效能，提出适应不同降雨风险区的排水系统优化策略。

三、试验系统与技术参数

（一）核心试验系统：城市排水模拟试验平台

本试验依托大型自然环境模拟系统，集成可控降雨模块、城市排水缩尺模型、动态水流监测模块及水质分析模块，可精准模拟0-300mm降雨量（对应降雨强度0-300mm/h）下的城市排水全过程（产流-汇流-输送-排放）。

1.可控降雨模块（同堤坝冲刷试验系统，参数复用）

降雨强度范围：0-300mm/h（精度±2mm/h），覆盖小雨（<10mm/h）、中雨（10-25mm/h）、大雨（25-50mm/h）、暴雨（50-100mm/h）、特大暴雨（>100mm/h）；

降雨均匀性：≥90%（通过多喷嘴阵列+风幕补偿技术实现）；

降雨高度：≥6m（确保雨滴终末速度接近自然状态）；

雨滴直径模拟：0.5-6mm（匹配不同雨强下的真实雨滴特征）；

控制方式：支持预设降雨曲线（如短时强降雨“100mm/h持续1h”、持续小雨“10mm/h持续6h”）。

2.城市排水缩尺模型模块

模型范围：模拟典型城市街区排水系统（面积约200m×200m，缩尺比例1:10~1:20，满足重力流相似准则（弗劳德数Fr相等））。

下垫面类型：分区设置4种典型地表（面积占比参考实际城市）：

不透水路面（沥青/混凝土，占比40%，模拟道路与广场）；

屋面（混凝土/瓦片，占比25%，模拟建筑屋顶）；

绿地（草皮/土壤，占比25%，模拟公园与绿化带）；

透水铺装（透水混凝土/砖，占比10%，模拟海绵设施试点区）。

排水系统结构：包含完整排水流程——

汇水单元：雨水口（间距15-30m，直径300-500mm）、连接支管（管径200-400mm）、干管（管径600-1000mm）；

关键节点：检查井（深度1-2m，直径800-1200mm）、交汇井（两管/三管交汇）、出水口（连接至模拟河道/调蓄池）；

辅助设施：可选配海绵设施（如雨水花园（容积0.5-1m³）、植草沟（坡度2-5%）、调蓄池（容积2-5m³）），用于对比试验。

材料与工艺：管道与井室采用PVC或有机玻璃（透明材质便于观测内部流态），表面粗糙度与实际工程一致（通过涂层调节）；下垫面采用真实材料（如沥青混凝土、草皮）或高相似度模拟材料（透水系数、孔隙率校准）。

3.动态水流与水质监测模块

水力参数监测：

流量：电磁流量计（精度±0.5%，量程0-50L/s）安装于支管/干管关键断面；

流速：超声波多普勒流速仪（精度±1cm/s，测量范围0-3m/s）或染色示踪法（辅助观测流态）；

水位：投入式液位计（精度±1mm）布置于检查井、出水口及管道关键节点；

流态观测：透明管道段设置高速摄像机（1000fps），记录急流/缓流/壅水/回流现象。

水质参数监测（针对径流污染）：

悬浮物（SS）：在线浊度仪（精度±2NTU）+定期采样过滤称重；

化学需氧量（COD）：便携式COD快速检测仪（或试验后实验室分析）；

其他污染物（可选）：氨氮（NH₃-N）、总磷（TP）（通过模拟降雨添加示踪剂，如可溶性染料）。

4.数据采集与控制系统

采用分布式传感器网络（20+监测点）+工业计算机，采样频率≥1Hz，同步采集降雨强度、管道流量、节点水位、流速等参数，数据实时显示于中控大屏并存储至云端（支持历史回溯与多工况对比）。

四、试验设计

（一）试验工况分类

基于城市排水设计标准（如GB 50014-2021《室外排水设计标准》）及极端降雨事件统计（如我国南方城市“小时雨强100-200mm”的特大暴雨），设计以下五组典型工况：

注：每组工况下细分变量（如下垫面类型占比、雨水口密度（20-50m/个）、管道坡度（0.3%-1%）），单组试验重复3次以保证数据可靠性。

（二）试验流程

1.模型制备与校准：

按缩尺比例搭建城市街区排水模型（包括道路、建筑、绿地等下垫面，以及雨水口、管道、检查井等排水设施），通过染色水试验验证水流路径与实际工程一致性；

校准传感器零点（流量计、液位计、流速仪），测试降雨模块均匀性（通过标准雨量筒网格布点测量）。

2.预试验：以低强度降雨（5mm/h）运行30min，观察系统初始状态（如雨水口是否堵塞、管道有无渗漏）。

3.正式试验：

按预设工况启动降雨（逐步增加至目标强度），同步记录各监测点数据（流量、水位、流速、水质）；

重点观测关键节点（如检查井、交汇处）是否出现溢流（水位超过井盖高度）、管道是否满流（水位达到管顶）；

对于复合工况（含海绵设施），额外监测设施入流/出流流量（验证径流削减率）及出水水质（验证污染控制效果）。

4.数据记录与取样：

试验结束后，导出全时段监测数据（生成降雨-流量-水位过程线），统计内涝积水面积（通过透明模型目视测量或激光测距仪扫描）、峰值流量延迟时间（对比有无海绵设施）；

采集径流样品（雨水口、出水口）分析SS/COD浓度，计算污染负荷削减率（海绵设施组）。

五、关键科学问题与分析方法

（一）关键科学问题

1.不同降雨强度下，城市排水系统的“瓶颈环节”（如雨水口过流能力不足、管道坡度太小导致流速过低淤积）如何影响整体排水效率？临界失效的阈值条件（如降雨强度≥？mm/h时节点必然溢流）是什么？

2.下垫面类型（不透水/透水比例）与径流特性（初期弃流量、峰值流量）的关系如何？如何通过优化下垫面结构降低排水系统负荷？

3.海绵设施（如雨水花园、植草沟）对径流的“削峰-错峰-净化”作用机制是什么？其效能受哪些设计参数（如容积、坡度、植被类型）主导？

（二）分析方法

1.水力性能评估：基于监测数据绘制“降雨强度-流量过程线”“降雨历时-积水深度曲线”，拟合曼宁公式（Q=1/nAR^(2/3)S^(1/2)，Q为流量，n为管道粗糙系数，A为过流断面面积，R为水力半径，S为坡度）计算实际流速与理论值的偏差，识别系统过载节点。

2.瓶颈诊断：通过节点水位-时间曲线判断溢流起始时刻（水位突变点），结合管道流速数据（流速<0.6m/s易淤积）分析淤积风险段。

3.海绵设施效能分析：计算径流削减率（η=(Q_in-Q_out)/Q_in×100%，Q_in为入流流量，Q_out为出流流量）、峰值延迟时间（Δt=t_peak_in-t_peak_out），结合水质数据评估“减量-提质”双效。

六、预期成果

1.数据成果：建立0-300mm降雨量范围内城市排水系统水力响应数据库（含流量-水位-流速关联模型、节点溢流阈值表、不同下垫面径流系数图谱）。

2.理论成果：揭示“降雨-下垫面-排水设施”耦合过程中的瓶颈形成机制（如雨水口过流能力不足是中小降雨内涝的主因，管道坡度<0.5%时暴雨易满流），提出排水系统脆弱性评价指标体系。

3.应用成果：形成适用于不同降雨风险区（如南方多雨城市、北方季节性内涝区）的排水系统优化指南（推荐雨水口密度、管道最小坡度、海绵设施配置比例），为《室外排水设计标准》修编提供试验支撑。

七、试验进度安排

八、注意事项

1.安全防护：试验区域设置防水围堰（防止径流外溢污染环境），透明管道段加装防护栏（避免高速水流溅射伤人）。

2.环境控制：试验后及时清理管道内沉积物（防止长期淤积影响下次试验），监测室内温湿度（避免材料变形影响缩尺模型精度）。

3.设备维护：定期检查传感器探头（如流速仪叶轮磨损、液位计电缆老化），校准降雨喷嘴（防止堵塞导致雨强偏差）。

本方案可根据实际需求调整参数（如降雨量上限扩展至500mm、缩尺比例细化至1:5）、增加监测指标（如管道内部压力监测），确保研究目标的针对性与工程适用性。