基于GIS構建SWMM及模擬分析排水管網系統

何毅 楊昆 李艷芳

摘 要：以大理白族自治州“海東新區”規劃區設計的雨水排放系統為研究對象，基于地理信息系統（GIS）技術快速構建新區排水管網模型，采用仿真模擬軟件SWMM，對6種暴雨重現期為P=0.25a、0.5a、1a、2a、5a、10a和3種雨峰系數為r=0.2、0.5、0.8降雨情境下的排水管網系統進行模擬，以驗證排水管網規劃設計的合理性。

關鍵詞：地理信息系統；SWMM；情境分析；排水管網

排水管網是城市水污染防治和城市排漬防澇、防洪的骨干工程，擔負著收集城市生活和工業生產等污水、及時排除城區內雨水和流經市區雨水的任務。

隨著城市化的飛速發展，排水管網承擔的排水任務越來越重。合理的排水管網設計，能有效的提高管網的排水能力，降低城市內澇的發生風險。利用SWMM對各種降雨情境下的城市排水系統進行模擬，系統地分析排水管網的排水能力，確定排水管網規劃設計的合理性，從而為排水管網的規劃設計或改造提供理論性的指導，這一實踐已經成為排水系統規劃和優化的重要內容[ 1-4 ]。

1 基于GIS技術構建SWMM模型

1.1 SWMM模型概述

SWMM是美國環保局為解決日益嚴重的城市排水問題而推出的暴雨徑流管理模型，此模型可以對單場暴雨或者連續降雨而產生的暴雨徑流進行動態模擬，進而解決與城市排水系統相關的水量與水質問題。該模型在北美地區被廣泛用于城市水系統的設計、規劃和運行[ 5 ]。SWMM包含幾個核心的水文水力模塊。主要有徑流模塊（Runoff），輸送模塊（Transport），擴展輸送模塊（Extended）、存儲/處理模塊（Storage/Treatment）和受納水體模塊（Receiving water）等，核心模塊之間的關系如圖1所示。此外還有多個服務模塊，它們的主要功能是進行一些計算后的處理，如統計、繪圖等[ 6 ]。

1.2 建模方法

建模是進行城市排水管網模擬的關鍵步驟，模型構建的準確性將直接影響模擬的效果，而構建SWMM城市排水管網模型是一項繁重復雜的工作，地理信息技術（GIS）為模型的快速構建提供了技術支持[ 7 ]。

模型主要包括空間數據和參數數據兩個部分。首先，結合管網規劃資料，利用ArcGIS軟件完成節點、管道的數字化。其次，利用DEM（Digital elevation model）數據，通過GIS工具（Spatial Analyst Tools→Hydrological→Basin）自動劃分匯水區，利用Thiessen方法結合節點圖層，通過GIS工具（Analysis Tools→Proximity→Create Thiessen Polygons）生成泰森多邊形。最后，結合泰森多邊形和匯水區圖層，對子匯水區再次進行細分和邊界修正。通過以上步驟精確完成模型空間數據的提取。然后結合土地利用規劃、DEM數據，通過GIS的空間統計功能和圖層疊加方法提取模型相關參數數據，包括子匯水區的面積、寬度、坡度和不透水區比例。通過管網規劃數據獲取管道長度、管徑，節點內底標高等參數。根據研究區域的地面特征及SWMM用戶手冊設定各個子匯水區經驗參數，主要包括：透水區曼寧系數、不透水區曼寧系數、透水區洼蓄量、不透水區洼蓄量、管道粗糙系數等參數。

最后，利用inpPINS軟件將以ShapeFile格式文件存儲的建模數據，快速生成SWMM模型，從而簡化了繁瑣的數據處理工作，提高了建模的效率，保證了空間數據的準確性，模型構建流程如圖2所示。

1.3 合成暴雨模型選取

采用SWMM模型進行模擬，雨量資料很重要，反映真實降雨過程的雨量資料能夠有效提高模型模擬精度。由于不同地區氣候有差異，從而導致降雨類型有差別，降雨分布規律適合于哪一種曲線，這需要在大量的統計分析的基礎上總結出來。理論上，合成暴雨模型的方法有Huff法、CHM法（PC法）和YC法。在國內適用性較好的合成暴雨模型為芝加哥合成暴雨過程線即CHM法[ 8 ]。

2 案例研究

2.1 研究區域概況

大理“海東新區”中心片區位于大理市海東鎮，大理洱海東岸，距大理市（下關）約10km，匯水區域約30.88平方千米，居住用地占38.26%，道路面積占18%、綠地和其他用地占43.74%。被劃分為140個子匯水區，包含128條管道，124個檢查井，22個排放口。研究區域排水系統如圖3所示：

2.2 情境設計

在我國，雨水管網的設計重現期一般選用1～3a，對于重要地區，一般選用2～5a[ 9 ]。為了檢驗管網在不同頻率暴雨下的排水能力，采用芝加哥過程線模型合成模擬降雨情境。近年來，我國很多地區通過對暴雨資料的觀測整理，提出了適合各個地區的暴雨強度公式。通過查閱相關資料，根據《2014最新全國各城市暴雨強度式》，選取研究區域的暴雨強度公式為：

為了模擬排水管網系統在不同降雨情境下的表現，分別合成了雨峰系數分別為r=0.2、0.5、0.8，重現期分別采用P=0.25a、0.5a、1a、2a、5a、10a，降雨歷時120min的降雨過程線。對于芝加哥過程線模型，重現期P決定著每場降雨強度的最大值，雨峰系數r決定著雨強最大值出現時間[ 10 ]。

圖4展示了不同設計重現期的暴雨強度，表1不同重現期的降雨情境，表2所示為重現期P=2a的前峰降雨（r=0.2）雨強數據。

2.3 情境模擬結果分析

分析研究區域管網排水能力，主要選取節點和管道相關模擬結果。在城市小流域降雨徑流中，滲透模型通常采用Horton模型、管網模擬采用動力波。

2.3.1 節點模擬結果分析

研究區域內的每個節點都有最大允許水深，超過最大允許水深則溢出。節點溢出發生積水，主要是由于管網排水負荷過大，超過其最大排水能力，因此節點積水可作為反映排水管網排水能力的一個指標。

在不同頻率不同雨峰系數的降雨條件下，根據模擬結果，可以得出每一節點最大水深發生的時間和持續時間。節點有連接單一管道和多段管道兩種情況，表3是在不同降雨情境下，連接單一管道的節點31J和連接多段管道的節點33J最大水深開始時間、平均水深和最大水深持續時間統計表。

對比二者平均水深和最大水深持續時間，33J遠大于31J，31J沒有發生積水。存在這種差別的主要原因是31J主要通過子匯水區的地面徑流流入管道，33J除了子匯水區的地面徑流流入管道外，還有其他多條管道的匯流。

此外，流入節點33J的子匯水區不滲透占比也遠大于流入節點31J的子匯水區不滲透占比。可見，增加子匯水區的滲透占比也很重要。

2.3.2 管道模擬結果分析

根據研究區域管道數量和長度。管道中水流在滿流狀態下持續的時間稱為管道滿流時間，管道滿流時間可以反映管網排水負荷。

當管道滿流時間較長時，在地面可能產生嚴重積水，說明管網排水能力不足。通過統計不同管道滿流時間下的管道數量，可以得出管網的排水能力強弱。

通過模擬發現，在不同設計重現期下，隨著設計重現期增大，管道最大流量發生時間提前。3種雨峰系數的降雨情境下，隨著雨峰系數的增大，管道最大流量發生時間向后推遲。但是，所有降雨情境下模擬結果都沒發生管道超載的情況，證明該管網設計方案十分合理。

3 結論

本文分析了在不同設計頻率不同雨峰系數的降雨情境下，研究區域管網排水能力的變化情況，為實際確定管網排水能力提供參考。

研究發現，區域管網隨著暴雨設計重現期的增加，管網排水負荷逐漸加大，但是沒有出現管網超載的情況，唯獨節點33J出現超載情況，該節點應作為改造的重點，同時設計時應避免一個節點連接多條管道的情況。

在雨峰系數為r=0.2、0.5、0.8的降雨情境下，管網滿流時間分別往后推遲，沒出現管網超載的情況。通過模擬可知，該研究區域管網設計方案良好，具備非常好的排水性能。

參考文獻：

[1] 孫慧修.排水工程.北京：中國建筑工業出版社，1996.

[2] 戴慎志，陳踐.城市給水排水工程規劃.安徽：安徽科學技術出版社，1999.

[3] 鏡雨霖，任周宇，陳忠正.城市給水排水.第2版.北京：中國建筑工業出版社，1986.

[4] 董欣，陳吉寧，趙冬泉.SWMM模型在城市排水系統規劃中的應用[J].給水排水，2006（5）.

[5] Lew A Rosman， Storm Water Management Model Users Manual Version 5.0.

[6] Kyung-sook Choi， James E. Ball. Parameter estimation for urban runoff modeling. UrbanWater，2002（4）：31-41.

[7] 趙冬泉，陳吉寧，佟慶遠等.基于GIS構建SWMM城市排水管網模型[J].中國給水排水，2008（7）.

[8] 王祥，張行南，張文婷，等.基于SWMM的城市雨水管網排水能力分析[J].三峽大學學報（自然科學版），2011（1）.

[9] 周玉文，趙洪賓.排水管網理論與計算[M].北京：中國建筑工業出版社，2000.

[10] 劉興坡，劉遂慶，李樹平等.基于SWMM的排水管網系統模擬分析技術[J].給水排水，2007（4）.

作者簡介：何毅（1990-），彝族，云南宣威人，碩士，研究方向：城市空間信息工程。