SWMM模型在城市雨水管網(wǎng)改造中的應用

陳睿星，李衛(wèi)東，欒 慕，尹洋洋，馮 文，徐向陽

(河海大學水文水資源學院，南京 210098)

城市內澇是指由于強降水或連續(xù)性降水超過城市排水能力致使城市產生積水災害的現(xiàn)象[1]。根據(jù)住建部2010年對349個城市內澇情況調研，2008-2010年共有289個城市發(fā)生了不同程度的內澇，占調查城市總數(shù)的80%[2]。廣受詬病的城市內澇災害頻頻發(fā)生，暴露出傳統(tǒng)的城市雨水系統(tǒng)建設模式存在問題，亟須解決。

構建“自然積存、自然滲透、自然凈化”的海綿城市，實現(xiàn)城市的良性水文循環(huán)和雨水徑流的“滲、滯、蓄、凈、 用、排”，從而有效控制徑流排放總量、徑流污染與城市洪澇，最大限度地減少城市開發(fā)建設對生態(tài)環(huán)境的影響。海綿城市需要依靠低影響開發(fā)雨水系統(tǒng)、常規(guī)雨水徑流蓄排系統(tǒng)以及超常規(guī)雨水徑流蓄排系統(tǒng)共同構建[3]。

城市地區(qū)主要通過雨水管網(wǎng)系統(tǒng)排除雨水。隨著計算機的廣泛應用和各類模型軟件的開發(fā)，將排水系統(tǒng)模型作為城市洪災評價與防治的技術手段已經成為防洪防災的重要技術途徑[4]。因此，運用可對城市排水防澇系統(tǒng)進行全過程分析模擬的SWMM模型評估雨水管網(wǎng)系統(tǒng)的排水能力對建設“海綿城市”有現(xiàn)實意義。

本文以龍巖市為例，構建SWMM模型模擬研究區(qū)現(xiàn)狀排水防澇能力，根據(jù)檢查井溢流和管道超載情況分析并總結原因，為城市管網(wǎng)優(yōu)化方案提供參考。

1 研究區(qū)SWMM模型構建

1.1 研究區(qū)概況

龍巖市位于福建省西南部，界于武夷山脈和博平嶺山脈之間，地處中亞熱帶向南亞熱帶過渡區(qū)，常年氣候溫和濕潤，四季分明，多年平均降水量1 450～2 200 mm。流域內降水時空分布不均勻，年內流量分配受降雨影響集中在4-9月份，占降雨量的75%，5-6月份降雨又占降雨量的35%。雨季地表徑流量大，河水暴漲暴落。

研究區(qū)屬于典型的山丘區(qū)城市，丘陵、平地與河谷交錯分布，地面情況復雜，建筑物分布較密集，中心城區(qū)人口密度較大，城市建設用地緊張，極易發(fā)生侵占河湖水面、綠化用地的現(xiàn)象。此外，城區(qū)規(guī)劃建設不盡科學，河網(wǎng)水系淤塞不暢，排水管網(wǎng)系統(tǒng)更新緩慢以及排澇設施設計標準偏低、陳舊老化等原因，當發(fā)生短歷時、高強度暴雨時，易發(fā)生內澇災害。

1.2 SWMM模型構建及參數(shù)取值

龍巖市中心城區(qū)屬于中等城市化地區(qū)，市政基礎設施發(fā)展較早，基本布設排水管網(wǎng)，地表徑流主要是通過排水管道匯入河流。龍巖市境內的河流，主要屬于汀江水系、九龍江水系、沙溪水系、梅河水系，另外還有長江流域贛江水系，但集水面積小。城區(qū)上游河流已建的蓄水工程有黃崗水庫、東肖水庫以及龍門石泉電站水庫。

根據(jù)SWMM模型的模型配置要求并匯總現(xiàn)狀雨水管網(wǎng)資料，將研究區(qū)概化為617 個匯水區(qū)，將排水系統(tǒng)概化為節(jié)點889個、雨水主干管線310條。本次計算將龍津河下游入河口作為整個模型的出流邊界，以其不同重現(xiàn)期的設計水位作為模型的邊界條件。

龍巖市分區(qū)劃分及管網(wǎng)概化示意圖，如圖1、圖2所示。

圖1 研究區(qū)域分區(qū)示意圖Fig.1 Partitions of study area

圖2 研究區(qū)管網(wǎng)概化示意圖Fig.2 Drainage system generalized diagram of study area

SWMM模型中的參數(shù)大體可以分為兩類，第一類是通過測量或者可利用的其他信息提取獲得的模型的基礎數(shù)據(jù)；第二類是模型參考手冊只給出取值范圍，具體取值需通過調查研究和模型率定才能確定。

由土地利用類型分布圖、雨水工程現(xiàn)狀圖等資料獲取如子匯水區(qū)面積大小、平均坡度、特征寬度、管徑大小、管長、管道的形狀、檢查井底標高、不透水面積百分比等，并通過GIS軟件統(tǒng)計整理研究區(qū)域的基礎數(shù)據(jù)。

第二類參數(shù)主要參考《SWMM模型用戶手冊》中列出的推薦值和相關文獻[5,6]，再因地制宜進行修改優(yōu)化。

Horton下滲公式中參數(shù)主要包括最大下滲率、衰減系數(shù)及最小下滲率三個參數(shù)。最大下滲率主要取決于土壤類型、土壤含水量和覆蓋植被，根據(jù)龍巖市土壤類型及模型用戶手冊，最大下滲率覆蓋草皮的取50.8 mm/h、裸土取25.4 mm/h；穩(wěn)定下滲率主要根據(jù)《福建省暴雨洪水查算圖表》，按龍巖市土壤條件，取2.54 mm/h；霍頓曲線下滲速率衰減系數(shù)主要指飽和土壤到完全干燥土壤需要的時間天數(shù)，通常情況下為2～14 d，本次計算根據(jù)經驗取7 d，衰減系數(shù)為3 h-1。洼蓄主要指地表積水、植被截留、屋頂、填洼等初始損失，根據(jù)相關文獻，不透水區(qū)洼蓄老城區(qū)取2 mm，郊區(qū)及新城區(qū)取1 mm；透水區(qū)洼蓄綠地取10 mm，裸地取5 mm。

子匯水區(qū)域地表糙率主要根據(jù)模型用戶手冊，并參照國內相關研究結果取值，本次計算，不透水區(qū)糙率取0.015；透水區(qū)糙率取0.2。

管道糙率依據(jù)排水規(guī)劃取0.013，排洪溝及排水箱涵糙率取0.03。考慮到各河段防洪堤建成后，河道岸壁為防洪墻，且形成寬度基本相等的規(guī)則河道，整治后河道糙率適當降低，因此河道糙率龍津河干流取0.03，其余河流取0.035。河道現(xiàn)狀橫斷面根據(jù)實測成果，輸入模型。

SWMM模型部分參數(shù)取值見表1。

2 現(xiàn)狀模擬結果及分析

選取地表徑流分析、檢查井溢流分析、管道超載情況分析作為評估城市雨水管網(wǎng)排水能力的依據(jù)。

表1 模型部分參數(shù)取值Tab.1 Model parameter values

2.1 地表徑流分析

徑流系數(shù)是表征水文特征的重要參數(shù)，它是自然狀態(tài)下地表徑流量與總降雨量的比值[7]。城市中心區(qū)地表徑流系數(shù)由0.3增長至近0.7，意味著超過一半降雨量需要通過雨水管網(wǎng)系統(tǒng)排除。SWMM模型可以模擬出各個子匯水區(qū)的降雨總量、下滲總量、地表徑流總量等，得出該子匯水區(qū)的綜合徑流系數(shù)。分別采用不同暴雨重現(xiàn)期下的設計暴雨，模擬不同降雨強度下的降雨徑流過程，進行地表徑流能力分析。

具體結果見表2。

表2 不同降雨重現(xiàn)期研究區(qū)地表徑流模擬結果 Tab.2 The simulation results of surface runoff in different return period

模型計算結果表明，下滲總量、地表徑流總量都隨著降雨強度的增加而加大，綜合徑流系數(shù)也呈變大趨勢。但隨著暴雨重現(xiàn)期的增加，下滲總量的增長幅度逐漸變小。近些年來，地表不透水面積比例變大，下滲和洼蓄的損失量減少，造成綜合徑流系數(shù)的增加，同時水流在城市不透水地表和管道系統(tǒng)中匯流時間較短，流速會變大，使洪水過程線峰現(xiàn)時間提前且洪峰流量變大。這樣勢必增加管道和下游河道的排澇負荷，這也是造成城市內澇的主要原因。

2.2 檢查井溢流分析

龍巖市新城區(qū)管道設計標準基本都達到了2年一遇，但老城區(qū)早期設計的雨水管網(wǎng)標準低，大多數(shù)都低于1年一遇，局部地區(qū)甚至會出現(xiàn)一年2遇、一年3遇的情況。管網(wǎng)系統(tǒng)的改造未跟上城市建設的步伐，舊城區(qū)排水系統(tǒng)排水能力不足。根據(jù)龍巖市管道設計重現(xiàn)期，用SWMM模型分別模擬降雨重現(xiàn)期在0.5年一遇、1年一遇、2年一遇時，檢查井的溢流情況。具體結果見表3。

表3 不同降雨重現(xiàn)期檢查井溢流模擬結果Tab.3 The simulation results of manhole overflow in different return period

模型計算結果表明，在降雨重現(xiàn)期T=0.5 a、1 a、2 a，降雨歷時為120 min時，研究區(qū)范圍內有多處檢查井出現(xiàn)了不同程度的溢流情況。當T=0.5 a時，部分檢查井溢流持續(xù)時間超過1 h，已經造成了城市內澇。當T=1 a、T=2 a時，部分檢查井溢流持續(xù)時間較長，而最大溢流持續(xù)時間達到了1.74 h，地面積水現(xiàn)象嚴重。

2.3 管道超載情況分析

在超過雨水管道設計標準的暴雨情況下，雨水管道系統(tǒng)將會出現(xiàn)超載甚至發(fā)生洪流現(xiàn)象，致使上游檢查井積水，出現(xiàn)溢流，形成城市內澇。通過對模擬結果管道超載情況分析，可以找出長時間呈滿流狀態(tài)的管道，進而尋找發(fā)生滿流的原因。分別對雨水排水系統(tǒng)設計重現(xiàn)期為0.5年一遇、1年一遇、2年一遇3種工況進行設計校核模擬，檢查雨水管道排水系統(tǒng)在模擬時間為4 h(含退水時間2h)情況下的滿流時間以及管道超載時間。

從模擬結果可以看出，當T=0.5 a時，出現(xiàn)滿流狀況的管段共有54段，最大滿流時間為1.14 h，最大超載時間為0.85 h。當T=1 a、2 a時，出現(xiàn)滿流狀態(tài)的管道分別為74段、107段，最大滿流時間為1.31 h、1.41 h，最大超載時間為1.07 h 、1.25 h。顯然，隨著降雨重現(xiàn)期的增大，管道排水能力明顯下降。

3 雨水管網(wǎng)優(yōu)化改造

3.1 管網(wǎng)排水能力不足原因分析

結合研究區(qū)管網(wǎng)現(xiàn)狀及設計標準，總結管網(wǎng)排水能力不足的原因有以下幾點：

(1)城市初期建設時設計的雨水管網(wǎng)排水標準較低。同時一些新建區(qū)的雨、污水就近排進舊城區(qū)的排水管網(wǎng)，加大了舊城區(qū)排水管網(wǎng)負荷，造成管道排水能力不足，造成內澇受淹。

(2)管道鋪設不合理。部分上游管道的直徑大于下游管道。在遭遇高重現(xiàn)期的降水時，由于下游管道直徑偏小，排水能力受限，致使上游管道排水不暢，產生管道超載或漫溢。

(3)河水倒灌的影響。雨水通過管道就近排入河道，若管道出口底高程低于水位，受河道水位頂托，管道排水能力降低，管道內水流流速減小，導致城市低洼地區(qū)長時間積水成災。

(4)下游管網(wǎng)未完全修建。由于路網(wǎng)建設先后不一，部分雨水排放系統(tǒng)下游排放口未能同期建成，雨水出水口系統(tǒng)不完善。

(5)部分地區(qū)地勢低洼。個別低洼地區(qū)現(xiàn)狀沒有管道，或者是現(xiàn)狀低洼區(qū)排洪溝尺寸較小，一降雨就產生積水。一些有管道的低洼地區(qū)，因可能承受周邊地區(qū)的匯水而加大了排水壓力，超過了管道的排水能力，因而產生地面積水。

3.2 管網(wǎng)改造效果分析

針對研究區(qū)管網(wǎng)存在的問題，模擬增大管徑和改變檢查井底高程同時進行的管網(wǎng)改造效果。結合研究區(qū)的地形地貌，對檢查井溢水量較大、管道超載時間過長、內澇較為嚴重地區(qū)，以管徑不小于300 mm為標準對管網(wǎng)系統(tǒng)進行優(yōu)化改造。

表4、5分別列出了檢查井高程改造以及排水系統(tǒng)管道改造數(shù)據(jù)。

表4 研究區(qū)檢查井高程改造方案 m

運用SWMM模型重新模擬管道優(yōu)化方案實施后，降雨重現(xiàn)期在0.5年一遇、1年一遇、2年一遇情況下，檢查井溢流情況具體見表6。

模擬結果顯示，通過對管道系統(tǒng)進行優(yōu)化設計，在T=2 a的降雨重現(xiàn)期下，雖仍然存在部分檢查井有溢流現(xiàn)象，但總溢流量比優(yōu)化之前減少了76.1%；溢流檢查井個數(shù)也比之前減少了57.7%。

由于研究區(qū)在長歷時降雨條件下，遭遇20年一遇、30年一遇設計暴雨時，內澇較為嚴重，城市積水面積、積水深度、積水時間比較長，為了模擬管網(wǎng)優(yōu)化方案對城市積水面積、積水深度、積水時間的影響，利用SWMM模型重新模擬20年一遇、30

表5 研究區(qū)排水系統(tǒng)管道改造方案 m

表6 管網(wǎng)優(yōu)化方案實施后，不同降雨重現(xiàn)期檢查井溢流情況分析Tab.6 The simulation results of manhole overflow in different return period(after the construction of drainage pipe scheme)

年一遇兩種不同降雨重現(xiàn)期下龍巖市中心城區(qū)的排水能力。根據(jù)模擬結果，結合子匯水分區(qū)地形狀況，確定節(jié)點溢流范圍，通過溢流水量得到平均淹沒水深，運用Surfer繪圖軟件繪制內澇積水深度與積水時間分布圖，見圖3和圖4。

圖3 20年一遇長歷時暴雨內澇積水深度與積水時間分布圖(管網(wǎng)規(guī)劃方案實施后)Fig.3 Water depth and water retention time distribution at 5% frequency stromwater (after the construction of drainage pipe scheme)

圖4 30年一遇暴雨內澇積水深度與積水時間分布圖(管網(wǎng)規(guī)劃方案實施后)Fig.4 Water depth and water retention time distribution at 3.33% frequency stromwater(after the construction of drainage pipe scheme)

模擬結果顯示，管網(wǎng)優(yōu)化后，將有效緩解城市內澇，能有效減少積水面積、地面積水深度和積水時間，實現(xiàn)研究區(qū)內澇防治的目標。

4 結 語

(1)由于城市內澇問題越來越制約著城市的可持續(xù)發(fā)展，構建適用于城市地區(qū)的集防洪、排澇、排水為一體的城市雨洪模型意義重大。以 SWMM模型為基礎，因地制宜設置模型參數(shù)，結合實際資料加以率定改進，模擬計算分析城市雨水管網(wǎng)系統(tǒng)的排水防澇能力，也驗證了模型在城市排澇與排水計算中的通用性。

(2)構建SWMM模型，分析地表徑流、檢查井溢流、管道超載情況，確定雨水管網(wǎng)系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)，結合研究區(qū)管網(wǎng)現(xiàn)狀及設計標準，歸納排水能力不足的主要原因。依托模型定量確定的積水面積、積水時間、積水點數(shù)量等信息；提出管網(wǎng)優(yōu)化方案對研究區(qū)城市排水防澇規(guī)劃、調度以及城市防災減災措施具有重要意義。

(3)針對研究區(qū)內澇情形，除了采取管網(wǎng)優(yōu)化措施之外，還需要基于海綿城市建設理念，結合GSI、BMPS等新型雨水基礎設施與小型低影響開發(fā)設施來進一步提升排水能力。建議城市發(fā)展建設中，積極推行“海綿城市”建設理念，保證城市開發(fā)過程中水文效應變化適度。

□

[1] 謝映霞.從城市內澇災害頻發(fā)看排水規(guī)劃的發(fā)展趨勢[J].城市規(guī)劃, 2013,(2):46-50.

[2] 朱 靖,劉 俊,崔 韓，等.SWMM模型在西南地區(qū)山前平原城市防洪計算中的應用[J].水電能源科學, 2013,31(12):38-41.

[3] 車 伍,趙 楊,李俊奇，等.海綿城市建設指南解讀之基本概念與綜合目標[J].中國給水排水,2015,31(8):1-5.

[4] 周玉文. 城市排水管網(wǎng)事業(yè)面臨的新挑戰(zhàn)[J]. 給水排水, 2003,29(2):1-1.

[5] ASCE Manuals and Reports on Engineering. Design and Construction of Urban Stormwater Management Systems[M].New York:Water Environment Federation,1992.

[6] Lewis A Rossman．Storm Water Management Model User's Manual (Version5.0)[M]．Washington DC: USEPA，2009．

[7] 胡偉賢,何文華,黃國如，等.城市雨洪模擬技術研究進展[J].水科學進展,2010,(1):137-144.