雨水管渠不同斷面形式對排水能力的影響
——基于SWMM模型

楊婷婷，吳艾歡，呂 謀，高興樺

(1.青島理工大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院，山東 青島 266033；2.青島亞通達(dá)鐵路設(shè)備有限公司，山東 青島 266100)

蓬勃發(fā)展的現(xiàn)代城市給我們帶來便利的同時，也埋下了很多隱患。城市道路的建設(shè)中，大量的混凝土和柏油馬路使得降雨只能通過人工敷設(shè)的排水管道排放，不但增加了徑流污染還使土壤喪失了本身下滲的能力。雨季來臨時城市雨水管道紛紛癱瘓，出現(xiàn)城中“看海”現(xiàn)象[1]。為解決這一現(xiàn)象，實現(xiàn)城市新建、改擴建項目建設(shè)后的雨水徑流污染負(fù)荷持續(xù)降低，并保證建設(shè)地塊及周圍排水防澇的安全性，需要在城市規(guī)劃初期增加LID控制，并考慮不同雨水管渠不同斷面形式的排水能力。

SWMM是一個以水動力學(xué)為基礎(chǔ)的降水-徑流模型，并且可以進(jìn)行水質(zhì)模擬。SWMM是EPA于1971年開發(fā)的第一個綜合性城市徑流分析模型，經(jīng)過大量科技人才不斷創(chuàng)新與突破，目前已經(jīng)發(fā)展到SWMM Version 5.1。對于常見的低影響開發(fā)的LID控制，比如：雨水花園[2]、透水鋪裝[3]、綠色屋頂[4]、下沉式綠地[5]等SWMM均可以精確模擬[6]。此外，SWMM自帶管渠幾何特性編輯界面，對于排水圓管、矩形、半橢圓形、馬蹄形等常見或是不常見管渠斷面形式可靈活模擬使用。復(fù)合斷面(倒凸形)可以在SWMM的IRREGULAR下進(jìn)行準(zhǔn)確編輯。

1 區(qū)域概況

該區(qū)屬受海洋影響的暖溫帶季風(fēng)型海洋性氣候。春季干旱多風(fēng)，夏季濕熱多雨，秋季降溫緩慢，冬季干燥少雨雪。地面風(fēng)場特征：該區(qū)域主導(dǎo)風(fēng)向為SSE風(fēng)，次主導(dǎo)風(fēng)向為NNW風(fēng)，平均風(fēng)速為5.2 m/s。全年平均氣溫為12.2 ℃，極端最高氣溫為37.4 ℃，極端最低氣溫為-16.4℃。年平均降水量為775.6 mm，相對濕度平均為73%。利用ArcGIS全國矢量圖可以看出此地人員密集。

該市為海濱丘陵城市，地勢東高西低，南北兩側(cè)隆起，中間低凹。其中山地約占全市總面積的15.5%，丘陵占25.1%，平原占37.7%，洼地占21.7%。全市海岸分為岬灣相間的山基巖岸、山地港灣泥質(zhì)粉砂岸及基巖礫質(zhì)海岸等3種基本類型。淺海海底則有水下淺灘、現(xiàn)代水下三角洲及海沖蝕平原等。

2 SWMM模型構(gòu)建

2.1 雨水管網(wǎng)概化

雨水管網(wǎng)概化的信息錄入包括檢查井節(jié)點、管道高程、管道埋深以及子匯水區(qū)域的劃分等，見圖1。由于城市管網(wǎng)信息量較大，管道錯綜復(fù)雜，手動輸入工作量巨大，本文采用鴻業(yè)市政管線將該市排水系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化處理后再導(dǎo)入SWMM，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的精確性[7]，減少了管道信息誤差，從而保證了模擬結(jié)果的可靠性。研究區(qū)域面積305.2 hm2，其中有192.276 hm2的現(xiàn)狀不滲水面積(為整個研究區(qū)域面積的63%)，主要是建筑屋面和硬化路面；而綠地可透水面積為112.924 hm2(為整個研究區(qū)域面積的37%)。

圖1 SWMM雨水管網(wǎng)概化圖

2.2 LID控制敷設(shè)

該市新城區(qū)已完成建設(shè)初期城市規(guī)劃，并在市區(qū)布置LID措施，主要為透水鋪裝、雨水花園和下沉式綠地，并初見成效。在本次SWMM模擬中，LID控制已順利運行。

2.3 降雨模型及參數(shù)布置

降雨模型重現(xiàn)期選擇P=1.5、3、10 a，暴雨強度計算公式選擇該市最新的暴雨強度公式，選擇r=0.4的雨峰系數(shù)，取t=1 min的時間間隔，降雨歷時為2 h。暴雨強度變化見圖2～圖4。

暴雨強度公式：

式中：q為暴雨強度，L/(s·hm2)；P為重現(xiàn)期，a；t為時間間隔，min；A、C、b和n為公式參數(shù)值，取值見表1。

表1 不同重現(xiàn)期參數(shù)值

圖2 P=1.5 a的暴雨強度的降雨變化

圖3 P=3 a的暴雨強度的降雨變化

圖4 P=10 a的暴雨強度的降雨變化

3 結(jié)果分析

對研究區(qū)域的排水管渠進(jìn)行斷面不同的比例設(shè)計。根據(jù)該市的雨水管道系統(tǒng)的管徑現(xiàn)狀，保證不同斷面形式的排水管渠的截斷面的面積相同。分別以圓管、矩形管渠和倒凸形斷面形式進(jìn)行不同重現(xiàn)期暴雨強度下的模擬[8]。雨水管網(wǎng)復(fù)雜多變，很難將每一條管線進(jìn)行截面積相同的斷面設(shè)計，由于雨水管網(wǎng)現(xiàn)狀中積水、冒溢現(xiàn)象一般集中于管網(wǎng)下游，現(xiàn)取靠近排放口PFK-Y1-12上游的雨水管道進(jìn)行排水模擬。

3.1 重現(xiàn)期P=1.5 a

隨著降雨的發(fā)生，排水圓管、矩形管渠以及復(fù)合斷面(倒凸形)的流速曲線變化趨勢一致，流速先隨著時間下降再出現(xiàn)上升趨勢，最后隨著雨量的減少流速再逐漸削弱直到降雨結(jié)束。在降雨開始的1 h內(nèi)，由于匯聚的流量較少，3種管渠斷面形式的排水管道在流速上差異較小。在流速峰值未出現(xiàn)的降雨過程中，復(fù)合斷面(倒凸形)流速大于其他2種，具有較好的過流能力。

隨著雨水匯流的不斷進(jìn)行，復(fù)合斷面(倒凸形)在t=1.3 h首先出現(xiàn)最大流速v=0.87 m/s；矩形管渠在t=1.8 h時，流速達(dá)到最大v=0.84 m/s；排水圓管的最大流速v=0.87 m/s，發(fā)生在t=2 h。隨后3種斷面流速逐漸減小。見圖5。

圖5 P=1.5 a降雨歷時流速

3.2 重現(xiàn)期P=3 a

在重現(xiàn)期P=3 a的降雨事件下，降雨初期矩形管渠平均流速較大，排水圓管和復(fù)合斷面(倒凸型)具有相同的變化趨勢。在降雨歷時t=1.5 h左右時，3種斷面管渠流速均達(dá)到最大值，t=1.4 h排水圓管最大流速v=1.10 m/s；t=1.5 h矩形管渠最大流速v=1.09 m/s；t=1.7 h復(fù)合斷面(倒凸形)最大流速v=1.13 m/s，見圖6。

3種斷面形式的排水管渠的峰值流速出現(xiàn)時間幾乎一致、峰值流速大小相差無幾。隨著匯流時間的不斷增加，各斷面流速均呈減小趨勢，復(fù)合斷面(倒凸形)后期流速較大，具有較強過流能力。

圖6 P=3 a降雨歷時流速

3.3 重現(xiàn)期P=10 a

10 a一遇暴雨發(fā)生時，3種斷面形式的管渠流速變化的總體趨勢與P=1.5 a以及P=3 a時變化趨勢一致，流速先增大再減小，見圖7。在各斷面流速峰值出現(xiàn)之前，復(fù)合斷面流速較大，能夠較快地輸送各子匯水區(qū)域面積徑流而來的雨水。而在流速峰值出現(xiàn)以后，各斷面流速下降的過程中，矩形管渠的流速相對來說較大，而復(fù)合斷面的流速最小。對整個降雨匯流過程來看，矩形管渠的排水管渠較好，輸水能力較強。

圖7 P=10 a降雨歷時流速

4 結(jié) 語

海綿城市建設(shè)雖已成為新城市新城區(qū)甚至新農(nóng)村的主流，但排水管道形式的選擇還是比較單一，全國約60%城市雨水管道設(shè)計至今仍局限于排水圓管和矩形管渠的選擇上。在解決城市內(nèi)澇問題的基礎(chǔ)上進(jìn)行排水系統(tǒng)設(shè)計時，應(yīng)因地制宜綜合考慮。暴雨模型SWMM的模擬運行可準(zhǔn)確地為城市規(guī)劃、改造等提供大量數(shù)據(jù)參考。

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[1] 閆 磊, 熊立華, 王景蕓. 基于SWMM的武漢市典型城區(qū)降雨徑流模擬分析[J]. Journal of Water Resources Research, 2014,3(3):216-228.

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