深埋雨水排水系统中压力驱动淹没发生与延迟的水动力控制机制

《Journal of Hydrology X》：Hydrodynamic controls on pressure-driven inundation onset and delay in deep stormwater drainage systems

　　

在配有多个跌落竖井的深埋雨水排水基础设施中，瞬态压力响应会改变内部流态并在常规水位阈值被超越之前触发地表淹没。研究人员利用系统尺度的水力学物理模型研究这些机制，重点关注三个关键的波后反射指标：峰值压力(WP,max)、最大压力梯度(W|dP/dt|,max)和累积压力能(IE)。分析表明，淹没发生受压力大小与变化率的耦合阈值共同控制，在多维指标空间中定义了一个临界压力区(Critical Pressure Zone)。此外，在完全饱和条件下(SR＝100%)识别出一种存储驱动的流态转换，由于波相互作用的改变，系统偏离了线性延迟时间趋势。这些发现证明了基于压力的指标在预测淹没发生以及支持深埋雨水排水系统主动运行方面的潜力。

该研究面向气候变化背景下局地强降雨频发导致的城市洪涝风险加剧问题。传统地表雨水系统受限于不透水面扩张及排水容量不足，常超出功能极限，促使大型地下深埋雨水排水系统作为关键防洪组件被广泛应用。此类系统通过深埋地下存储空间临时调蓄超标径流，其内部结构含跌落竖井、存储舱、连通隧洞等，在快速变化的入流过程下表现出复杂的瞬态水动力响应。现有研究多关注单竖井内的能量耗散、压力波动或气囊行为等局部水力过程，而压力驱动流态向实际淹没发生的耦合转换在系统尺度上尚未被定量表征，且压力瞬变演化为地表洪涝的条件及内部水力响应与可观测淹没间的时间延迟仍不明确。常规仅基于水位阈值的评估方法因压力放大与突变先于地表响应，难以提供足够的早期预警能力。为此，研究人员通过开展系统尺度深埋多跌落竖井排水模型的控制物理实验，探究瞬态入流下的系统水动力响应，识别基于压力驱动行为的淹没发生与延迟临界条件，揭示存储调节的洪水响应机制，以支撑极端气候情景下的洪涝风险评估与运行管理。该论文发表于《Journal of Hydrology X》。

为开展研究，研究人员采用系统尺度水力学物理模型复现真实深埋雨水存储排水设施几何与水动力特征，设置存储比(Storage Ratio, SR)为20%、40%、60%、80%、100%五组条件，调整初始存储体积并保持入流边界与初始管道条件一致；沿跌落竖井与隧洞段布设多点压力传感器以1秒间隔采集高压数据并作基线校正；基于同步实验视频记录判定反射压力波到达时间(t_arr)与淹没发生时间(t_flood,onset)，计算淹没延迟时间(T_delay)；定义反射后分析窗口(W)，提取窗口内峰值压力(W_P,max)、最大压力梯度(W_|dP/dt|,max)与累积压力能(I_E)三类压力指标；构建两阶段建模框架，先基于多维指标空间分类淹没发生与否并界定临界压力区，再在确认发生条件下预测延迟时间。

3.1. Overview of post-reflection pressure responses

研究人员在所有实验案例中观测到跌落竖井入流后的压力-时间历程在反射压力波传播下呈现显著波动与瞬态响应。上游跌落竖井如DS1至DS2处反射波到达清晰可辨，表现为压力陡增与后续振荡；下游DS4至DS5处因波衰减与多重反射叠加导致信号复杂、初始到达辨识度降低。空间差异表明压力波传播受隧网内波衰减与叠加等系统尺度相互作用强烈影响，仅凭峰值压力不足以捕捉动态，需隔离反射后分析窗口以保证各竖井位置表征一致性。

3.2. Stage 1: Inundation classification based on the critical pressure zone

在由W_P,max与W_|dP/dt|,max定义的指标空间中，淹没案例清晰聚集于右上区域，即压力大小与压力梯度同时较高；仅单一指标偏高未必导致淹没。表明淹没发生不能由单阈值参数解释，而受压力强度与压力变化速率双重耦合条件控制。据此将实验条件下持续发生淹没的区域定义为临界压力区(Critical Pressure Zone)，作为压力驱动淹没发生的阈值边界，较传统单变量阈值具备更优判别能力。

3.3. Storage ratio–dependent redistribution and indications of regime transition

指标分布随存储比(SR)增加呈系统性偏移：SR从20%增至80%时压力指标逐渐向高值移动，反映可用存储容量减少下压力响应增强；但在完全饱和SR＝100%时部分案例偏离部分填充条件下的典型聚类趋势，伴随淹没延迟时间延长，表明近全饱和时压力–淹没关系发生结构性改变，存在存储驱动的流态转换，SR不仅是初始条件而是控制系统压力–淹没耦合机制的结构性参数。

3.4. Stage 2: pressure-Indicator dependence of inundation delay time

压力梯度指标W_|dP/dt|,max越高则延迟时间T_delay越短，表明更强压力梯度加速向淹没转换；压力大小指标W_P,max控制延迟时间的整体幅值与上限；累积压力能I_E显示持续高压条件导致系统响应延长，提供峰值指标的互补信息。SR＝100%案例显著偏离部分填充条件下的线性关系，即便压力指标适中却出现不成比例的长延迟，说明近全饱和时气囊动力学与复杂波相互作用等非线性机制主导，简单压力–延迟关系失效。

3.5. Observed–predicted comparison and model performance evaluation

研究人员对比观测与模型预估的淹没延迟时间，两者在统计上一致且多数案例靠近1:1对应线，证明压力指标能有效捕捉主导淹没延迟的动力学。但长延迟案例尤其高存储条件如SR＝100%下预测误差增大，因当前模型未充分计入气囊演化、多波相互作用与累积压力效应等非线性水动力过程。所提两阶段框架具物理可解释性与实用价值，需进一步纳入捕捉非线性与多相流行为的附加指标以提升稳健性。

讨论部分指出，观测的压力响应应置于深埋雨水排水系统中复杂多相流相互作用背景下理解。不同于主要受流体压缩性与管壁弹性控制的经典水锤现象，该系统涉及受气水相互作用强烈影响的自由表面与有压混合流态。跌落竖井入流时射流掺气形成局部气囊改变系统有效压缩性，调节压力波传播、放大与衰减。淹没发生不是峰值压力的简单函数，而是由压力大小与瞬态冲击性耦合增强触发的转换机制，互联隧网内瞬态波传播与反射特性主导此类局部压力动态。将复杂瞬态行为转换形式化为多维指标空间中的临界压力区，为划分安全运行与 imminent 淹没的水力边界提供物理可解释基础。现有EPA-SWMM等城市排水模型难以显式解析深埋有压系统中高频压力瞬变、水锤与快速压力梯度演化，物理实验对直接观测瞬态压力响应与识别淹没发生水力指标至关重要。上游与下游竖井压力差异源于波衰减与竖井–隧洞相互作用，下游信号受波衰减、多重反射与存储诱导振荡叠加影响致反射波到达辨识度降低。SR＝100%时残余存储耗尽触发波相互作用与气囊动力学非线性偏移，从压力调节延迟流态转向存储受限响应流态，需引入多流态建模纳入存储效应。所提临界压力区可作高风险工况实用判据，基于压力指标较水位法更早探测潜在淹没，高频率压力传感与边缘计算可支撑实时识别。但结论源于受控实验，真实条件含空间变异与边界复杂交互，需结合现场观测与多相数值模拟验证。临界压力区定量边界随系统与运行条件而异，但底层压力驱动转换机制具普适性。

结论部分翻译：本研究利用含多个跌落竖井的深埋雨水排水设施全系统水力学模型，定量阐明了波后反射压力响应、淹没发生与淹没延迟时间间的系统尺度联系，并发展了基于压力指标的分析框架以识别支配压力驱动淹没发生与延迟的水力条件。主要发现总结如下。一、反射后窗口内评估的最大压力与相应压力梯度是区分淹没与非淹没案例的关键指标。淹没不能仅由压力大小解释，而当压力大小(W_P,max)与瞬态冲击性(W_|dP/dt|,max)同时升高时 predominant 发生，证实淹没发生不仅是压力升高的后果，而是受压力强度与冲击性变化耦合交互控制的转换现象。二、将在压力指标空间中淹没案例聚集的区域定义为临界压力区，超越传统单阈值准则，引入由压力大小与压力梯度耦合交互构建的基于区域的风险边界。该框架将深埋雨水隧系中淹没风险重新解释为具物理可解释性的水力边界问题，提供压力驱动淹没灾害的系统级定量分类方案。三、存储比(SR)的影响超越对压力大小的简单调节，与系统尺度水动力响应的结构重构内在关联。SR＝100%条件偏离部分填充状态下的线性趋势且延迟时间增加，表明存在存储驱动的状态转换或流态偏移，残余存储耗尽重组压力–淹没耦合机制。因此淹没风险不应仅解释为入流条件函数，而是受初始系统状态控制的存储调节动力现象。四、通过分离淹没发生与延迟时间预测，所提两阶段框架证明仅凭压力指标可实现有意义预测能力，但在长延迟关联案例中预测误差增加，反映对气囊动力学、多重反射波相互作用与累积压力效应等非线性机制表征有限，该框架在操作上可行但在强非线性或近饱和流态中稳健性下降。综上，研究通过在压力指标空间中形式化支配条件，定量建立了多跌落竖井深埋存储系统内反射压力波传播、气相互作用与淹没转换的联系，进一步证明压力–淹没动态可能经历存储诱导的非线性流态转换，从而将常规瞬态压力分析扩展至存储调节水动力框架。通过将淹没风险重构为存储依赖的动力过程而非纯粹瞬态超压现象，为深埋雨水排水设施风险解释提供系统尺度概念与定量基础，所提分析框架可作极端降雨下运行控制如预存储调节策略与早期风险探测的决策支持工具。尽管框架经受控物理实验验证，气水相互作用相关的尺度效应与原型复杂性可能影响其对全尺度排水系统的直接应用。未来研究应整合累积压力能度量、气囊敏感描述符与反射波叠加指数以提升饱和与强非线性条件下的预测稳定性，并拓展至显式纳入存储状态作为支配变量的多流态建模框架，以捕捉全谱存储依赖水动力转换。