基于SWMM模型模擬的現(xiàn)狀城市排水管網(wǎng)評估

李 昂，劉加強，汪思穎

(徐州工程學院環(huán)境工程學院，江蘇徐州 221111)

作為城市重要基礎設施，城市雨水管網(wǎng)擔負著收集雨水、及時排除市區(qū)和流經(jīng)市區(qū)雨水的任務。城市化的快速發(fā)展，不透水面面積的急劇增加，城市雨水管網(wǎng)設施建設的相對滯后，使得一些城市面臨內(nèi)澇問題，嚴重影響市民的生活和城市的正常運轉(zhuǎn)。因此，各地加快了對老舊管網(wǎng)改造的步伐，而防洪排澇工作在城市規(guī)劃建設中也占據(jù)著越來越重要的地位[1-2]。開展城市管網(wǎng)數(shù)字化研究，利用模型模擬分析城市雨水管網(wǎng)運行現(xiàn)狀，并應用于排水管網(wǎng)的優(yōu)化與改擴建中是十分必要的。

自20世紀70年代起，許多國家已開始利用數(shù)學模型模擬城市地表徑流對降雨事件的響應過程，用于城市防洪規(guī)劃和管網(wǎng)的優(yōu)化[3]。暴雨洪水管理模型(storm water management model，SWMM)是一個以水動力學為基礎的降水-徑流模擬模型[4-5]，主要用于城市某單一降水事件或長期水量和水質(zhì)的模擬。該模型最早開發(fā)于1971年，是國內(nèi)外工程人員規(guī)劃涉及城市雨水管網(wǎng)、污水管網(wǎng)以及混合排水管網(wǎng)的常用工具。Pomeroy等[6]以美國53年的降雨資料為基礎，利用SWMM模型進行水文和水動力學模擬。李彥偉等[3]利用SWMM模型對所選區(qū)域排水系統(tǒng)的運行現(xiàn)狀進行模擬，并有針對性地提出管網(wǎng)改造方案，為城市排水管網(wǎng)優(yōu)化設計、管網(wǎng)改擴建和管道養(yǎng)護提供了技術支持。邵朋昊[7]在城市排水管網(wǎng)模擬研究中，將SWMM模型與ArcGIS集成，實現(xiàn)了大量城市排水管網(wǎng)數(shù)據(jù)的有效管理，也可方便甄別出排水壓力較大的地區(qū)或管段。宋耘等[8]基于SWMM構(gòu)建一維雨洪模型，利用南京市2011年“7·18”暴雨資料，模擬暴雨期間南京市易澇區(qū)——鼓樓區(qū)廣州路段的內(nèi)澇情況，通過地表積水量與最大積水深度函數(shù)關系的擬合，分析得出易澇區(qū)積水開始時間、積水持續(xù)時間、最大積水深度，為及時有效支撐防洪除澇應急決策提供參考依據(jù)。冉小青等[9]以某市區(qū)道路為研究對象，通過概化、率定及驗證后,運用SWMM模型模擬2、10、100年一遇設計降雨條件下道路出口的徑流過程，并對下凹式綠地、透水磚和透水路面3種典型海綿措施組合方案的雨洪控制效果進行分析。嚴一鳴等[10]以某市規(guī)劃改造小區(qū)為研究對象，通過SWMM和鴻業(yè)海綿軟件分別對傳統(tǒng)和新型種植屋面兩種改造方案進行模型構(gòu)建，并進行徑流控制及污染物削減能力模擬評估。由此可知，基于SWMM模型模擬分析排水管網(wǎng)運行現(xiàn)狀，對提升管網(wǎng)系統(tǒng)排水能力、提出管網(wǎng)優(yōu)化設計方案、緩解內(nèi)澇風險具有指導意義。黃棚蘭等[11]利用SWMM模型對某小區(qū)污水管網(wǎng)在動態(tài)條件下的水力狀態(tài)進行模擬，按照24 h用水統(tǒng)計規(guī)律分配居民用水平均日用水量，并在污水管網(wǎng)模擬過程中加入因降雨徑流而入流污水管網(wǎng)造成的影響，結(jié)果表明，SWMM模型可評價雨水入流對污水管網(wǎng)運行的影響。王兆禮等[12]基于SWMM和TELEMAC-2D模型構(gòu)建出新的耦合模型TSWM，并以廣州長湴地區(qū)為例，對不同重現(xiàn)期暴雨開展數(shù)值模擬，較準確地模擬了研究區(qū)的內(nèi)澇情況，并可實現(xiàn)城市內(nèi)澇精細化模擬。姚煥玫等[13]將研究區(qū)劃分為若干150 m×150 m的子匯水面積作為模擬單元，采用SWMM模型和ArcGIS系統(tǒng)，構(gòu)建南寧市區(qū)地表徑流及非點源污染精細化雨水徑流模型，并利用SWMM低影響開發(fā)模塊，結(jié)合不同改造目標對南寧某高強度海綿城市模式示范區(qū)進行情景改造模擬，并提出將單位成本投資作為工程效益評估指標，能更客觀、真實地指導南寧海綿城市建設改造。

本文主要根據(jù)徐州市南部某匯水區(qū)雨水管網(wǎng)現(xiàn)狀，利用SWMM模型對該區(qū)進行暴雨模擬，分析不同降雨重現(xiàn)期下雨水管網(wǎng)的排水情況以及匯水區(qū)內(nèi)的積水情況，從而為完善現(xiàn)狀雨水管網(wǎng)、減少城市內(nèi)澇提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況及模型構(gòu)建

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于徐州市南部，匯水區(qū)總面積約為15.36 km2，現(xiàn)狀用地主要為建設用地、綠地和林業(yè)用地。其中，建設用地面積約為9.86 km2，約占總用地面積的64.2%；綠地面積約為0.77 km2，約占總用地面積的5.0%；林業(yè)用地面積約為3.75 km2，約占總用地面積的24.4%；其他用地面積約為0.98 km2，占總用地面積的6.4%。如圖1(a)所示，研究區(qū)地勢整體表現(xiàn)為西高東低的特點，高程在29～198 m，地勢高差較大，如圖1(b)所示。

圖1 研究區(qū)區(qū)域Fig.1 Research Area

研究區(qū)屬于雨污分流排水體制，雨水管道管材多采用鋼筋混凝土管，管徑為d600～d2000，部分為排水管渠，斷面尺寸為B×H=2.5 m×1 m，管線全長約為5.88 km。區(qū)域內(nèi)有河流1條，全長約為5.1 km，自西向東接入其他河流。

1.2 降雨數(shù)據(jù)

降雨過程線是指一個時間段內(nèi)的降雨量在單位時間上的變化過程，可通過直線圖或者曲線圖來表示，通常把用來表示降雨過程線的全過程稱為降雨模擬。有多年完整降雨資料的地區(qū)，可以采用實測資料進行模擬；當降雨資料匱乏時，可根據(jù)理論或者經(jīng)驗公式合成降雨曲線后輸入模型進行模擬。常見雨型有均勻雨型、模式雨型、芝加哥雨型、P&C雨型、Huff雨型、CSC雨型、Yen & Chow雨型(三角形雨型)。

降雨數(shù)據(jù)采用國內(nèi)常用的芝加哥雨型及徐州市暴雨強度公式合成暴雨數(shù)據(jù)[14]。慕瑞琪等[15]對52場較為完整降雨的研究結(jié)果表明：暴雨雨型基本呈單峰形，60、120 min雨型雨峰位置均處于前部，120 min雨峰系數(shù)r=0.29，雨峰時段雨量占總雨量的16.78%；60 min雨峰系數(shù)r=0.41，占總雨量的23.13%[16]。本研究中雨峰系數(shù)取0.4，降雨歷時取120 min，分別模擬1、2、3、5 a這4個不同重現(xiàn)期的降雨，降雨過程線如圖2所示。徐州市暴雨強度計算[17]如式(1)。

(1)

其中：i——降雨強度，mm/min；

t——暴雨歷時，min；

P——暴雨重現(xiàn)期，a。

圖2 2 h歷時雨量數(shù)據(jù)Fig.2 2 h Rainfall Duration Data

1.3 徑流系數(shù)

利用泰森多邊形對研究區(qū)劃分子匯水區(qū)，根據(jù)現(xiàn)狀雨水管道及排水方向進行手動調(diào)整。不滲透系數(shù)對于SWMM模型的精度具有重要影響，其值是根據(jù)子匯水區(qū)內(nèi)不同的用地性質(zhì)進行加權平均計算得出。不同下墊面對應徑流系數(shù)如表1所示。

表1 各下墊面對應徑流系數(shù)[18]Tab.1 Runoff Coefficient Corresponding to Each Underlying Surface[18]

1.4 水文模型參數(shù)設置

水文模塊包括地表產(chǎn)流模型和地表匯流模型。SWMM提供了3種地表產(chǎn)流模型，分別是Horton模型、Green-Ampt模型以及Curve-Number模型。其中，Horton模型適用范圍較廣，可應用不同土壤類型試驗所得參數(shù)，且模擬結(jié)果較好[19]。本研究中選用Horton產(chǎn)流模型，最大入滲速率為76 mm/h、最小入滲速率為3.3 mm/h、衰減系數(shù)為4 h-1；匯流模型采用非線性水庫模型。不滲透地表、滲透地表和雨水管道的曼寧n值分別為0.015、0.24和0.013[20]，不滲透、滲透洼地的蓄水量分別為1.5、7.6 mm，地表坡度根據(jù)研究區(qū)地面標高計算可得，流量演算利用動態(tài)波進行模擬。

1.5 模型率定

模型在應用之前，應進行校核和驗證。選用2019年9月研究區(qū)監(jiān)測的一場實測24 h降雨量數(shù)據(jù)，結(jié)合片區(qū)實際積水深度對模型進行驗證，積水點位置如圖1(a)所示。模型率定結(jié)果如圖3所示。積水深度模擬數(shù)據(jù)與實際觀測數(shù)據(jù)擬合較好，表明模型的模擬結(jié)果是基本可靠的。

圖3 降雨量分布與模型率定結(jié)果Fig.3 Rainfall Distribution and Model Calibration

2 模擬結(jié)果及分析

2.1 雨水管網(wǎng)排水能力分析

分別將重現(xiàn)期為1、2、3、5 a的2 h歷時降雨數(shù)據(jù)輸入模型，分析匯水區(qū)內(nèi)雨水管網(wǎng)的排水能力，統(tǒng)計結(jié)果如圖4所示。

圖4 匯水區(qū)管網(wǎng)評級Fig.4 Drainage Network Classification

從分析結(jié)果來看， 小于1年一遇排水量的約有48%，滿足1～2年一遇排水量的約有47%，滿足2～3年一遇排水量的約有2%，滿足3～5年一遇排水量的約有3%，大于5年一遇排水量的管涵約有0。

2.2 積水情況分析

分別將重現(xiàn)期1、2、3、5 a的2 h歷時降雨數(shù)據(jù)輸入模型，統(tǒng)計分析匯水區(qū)積水面積和積水深度，以評價匯水區(qū)的內(nèi)澇程度，結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同重現(xiàn)期匯水區(qū)淹沒區(qū)域模擬分析圖Fig.5 Simulation Analysis of Waterlogging Region of Rainoff Areas in Different Recurrence Periods

從分析結(jié)果可以看出，隨著降雨重現(xiàn)期的增大，匯水區(qū)積水面積和積水深度也隨著增加。重現(xiàn)期為1 a時，未淹沒區(qū)約占總匯水面積的95.88%，淹沒區(qū)約占總匯水面積的4.12%；積水深度在0～0.2 m的約占3.41%，0.2～0.4 m的約占0.46%，0.4～0.6 m約占0.18%，0.6～0.8 m的約占0.05%，大于0.8 m的約占0.02%。重現(xiàn)期為2 a時，未淹沒區(qū)約占總匯水面積的94.49%，淹沒區(qū)約占總匯水面積的5.51%；積水深度在0～0.2 m的約占4.57%，0.2～0.4 m的約占0.54%，0.4～0.6 m的約占0.25%，0.6～0.8 m的約占0.09%，大于0.8 m的約占0.06%。重現(xiàn)期為3 a時，未淹沒區(qū)約占總匯水面積的92.98%，淹沒區(qū)約占總匯水面積的7.02%；積水深度為0～0.2 m的約占5.94%，0.2～0.4 m的約占0.59%，0.4～0.6 m的約占0.28%，0.6～0.8 m的約占0.11%，大于0.8 m的約占0.10%。重現(xiàn)期為5 a時，未淹沒區(qū)約占總匯水面積的91.55%，淹沒區(qū)約占總匯水面積的8.45%，淹沒區(qū)面積最多，為1.30 km2；積水深度0～0.2 m的約為1.10 km2,約占7.17%，0.2～0.4 m的約占0.69%，0.4～0.6 m的約占0.32%，0.6～0.8 m的約占0.14%，大于0.8 m的約占0.13%。

3 結(jié)論與建議

(1)2 h歷時降雨情況下，匯水區(qū)內(nèi)雨水管網(wǎng)排水能力小于1年一遇排水量的約有48%，1～2年一遇排水量的約有47%，2～3年一遇排水量的約有2%，3～5年一遇排水標準的約有3%，大于5年一遇排水量的管涵約有0。

(2)2 h歷時降雨情況下，重現(xiàn)期為5 a時的淹沒區(qū)面積最多，為1.30 km2，占匯水區(qū)總面積的8.45%，其中積水深度多小于0.2 m，約為1.10 km2，約占總面積的7.17%。

(3)匯水區(qū)域在降雨時發(fā)生不同程度積水的原因主要在于城鎮(zhèn)化高速低質(zhì)發(fā)展、短時集中降雨天氣增多、排水管網(wǎng)設計標準偏低以及城市排水系統(tǒng)日常維護管理相對滯后等。在今后的城市建設中，可利用模擬分析結(jié)果有針對性地提出改造方案，以提高城市排水防澇設施規(guī)劃、建設、管理和應急水平。