上海市設計雨型對雨水管網模擬的影響研究

艾 靜 廖子元 方定懿 陶 濤

(同濟大學環境科學與工程學院，上海 200092)

上海市設計雨型對雨水管網模擬的影響研究

艾 靜 廖子元 方定懿 陶 濤

(同濟大學環境科學與工程學院，上海 200092)

采用推理公式法設計了上海A地區的雨水管網系統，并在此基礎上，分別以芝加哥雨型和Pilgrim & Cordery雨型作為設計雨型，利用城市雨水模擬管理軟件(SWMM)建立該區域雨水模擬模型。模擬結果表明，雨型對積水的模擬結果有較大影響，主要體現在積水時長、最大積水深度和受積水影響的面積大小上；對于上海地區，推薦使用P&C雨型作為設計雨型，在此雨型下設計的管網更安全。

雨水,管網，SWMM，雨型

發達國家一般借助于數學模型來計算雨水管網的徑流量，我國的GB 50014—2006室外排水設計規范(2014版)也指出，在計算雨水的設計流量時，若匯水面積大于2 km2，宜考慮降雨在時空分布的不均勻性和管網匯流過程，利用數學模型法來計算[1,2]。設計雨型是模型的輸入參數，是模型進行徑流量計算的基礎條件，不同的雨型會導致降雨徑流的計算結果產生明顯差異。就此，本文將基于SWMM，以上海A地區的雨水管網為例，探討不同設計雨型對雨水管網模擬的影響。

1 雨型研究現狀

雨型描述了降雨過程，是不同降雨歷時內的降雨強度隨時間變化的特征。雨型的推求對于城市雨水管網、調蓄設施的規劃及設計具有重要意義。

在國外，對城市短歷時暴雨雨型的研究較多且起步早。20世紀40年代,前蘇聯的Bogomazova等人通過統計分析烏克蘭等地區的降雨資料，劃分出了七種雨型[3]。Keifer和Chu從暴雨強度公式出發，提出了雨峰出現時刻的統計方法，及雨峰前后瞬時暴雨強度的計算公式，得到了芝加哥雨型[4]。Pilgrim & Cordery雨型則是，Pilgrim和Cordery基于數理統計原理，利用一種無級序平均法，推求得到的[5]。

國內對雨型的研究較少，對于如何判斷一個地區的雨型，在全國范圍內沒有開展相關工作。目前，國內普遍采用《城市暴雨強度公式編制和設計暴雨雨型確定技術導則》(下簡稱《導則》)推薦的芝加哥雨型[6]，然而不同地區的降雨過程各具特點，統一采用芝加哥雨型來表征顯然不盡合理，且隨著城市防澇標準的提高以及海綿城市建設的推進，推求各城市的設計雨型有重要意義。目前，江蘇省各市已在大量具有代表性、典型性的數據基礎上，確定了各自的暴雨雨型，可供其他城市在相關工作上參考。

2 上海市不同雨型的比較

雨型是降雨強度在時間尺度上的分配過程，利用不同的雨型會計算得出明顯不同的降雨徑流。為探求上海市不同設計雨型對雨水管網模擬的影響，本文分別以上海市的芝加哥雨型和P&C雨型作為設計雨型。

上海市芝加哥雨型是利用其暴雨強度公式，并取降雨歷時為120 min，雨峰系數為0.405計算得出，其特征是有一尖削的單峰[5]。P&C雨型是利用上海市1985年—2012年的降雨資料得到的歷時120 min以5 min為單位時段的雨量分配比例，及各重現期下上海市120 min降雨總量的基礎上求出[1]。兩種雨型的分布如圖1所示。

雨型的雨峰大小、位置、持續時間和雨峰出現時累計雨量的大小對降雨徑流的計算有較大影響。上海市的芝加哥雨型與P&C雨型在上述幾個方面的對比如表1所示。

3 模型模擬

A地區地處上海，地勢平坦，總匯水面積為340.01 ha。布置其雨水管網如圖2所示，管道總里程數為19.59 km。利用推理公式法設計A地區P=1年,3年,5年時的雨水管網，并在此基礎上建立SWMM模型。不同重現期下A地區雨水管網的管徑、管長分布如圖3所示。

將上海市的芝加哥雨型和P&C雨型分別輸入模型，模擬結果對比如表2所示。隨著重現期的提高，兩種雨型下，受積水影響的匯水面積大小均在增加，但P&C雨型下的模型更容易出現積水，且積水情況更嚴重。對于芝加哥雨型，積水節點的最大服務面積是P=5年時的40.56 ha，而在P&C雨型下，積水節點的最小服務面積是P=1年時的52.52 ha，大于40.56 ha。并且在P&C雨型下，積水持續時間更長，最大積水深度更深，幾乎為芝加哥雨型下最大積水深度的3倍。

表2 不同設計雨型下A地區的積水情況

以上情況均說明相比于芝加哥雨型，A地區在P&C雨型下的積水情況更嚴重。結合表1，表2和圖1，推測其原因為：盡管P&C雨型的峰值較芝加哥雨型稍小，但雨峰出現較晚，雨峰出現時的累計雨量較大，管網中已有一定充滿度，致使管網沒有足夠的能力承擔雨峰下的雨量，加之其雨峰持續時間長，使得該雨型下的積水情況更嚴重。

因此，考慮到P&C雨型下的模型積水情況更嚴重，對于上海地區，推薦使用更加符合實際降雨的P&C雨型作為設計雨型，在此雨型下設計的管網更安全。

4 結論及建議

本文系統介紹了芝加哥雨型和P&C雨型的推求方法，采用推理公式法，設計了上海市A區域不同設計標準下的雨水管網；利用SWMM模型分別模擬了兩種雨型及不同設計標準下的管網積水情況，可以看出雨型對積水的模擬結果有較大影響，主要體現在積水時長、最大積水深度和受積水影響的面積大小上，這主要是由雨峰大小、位置、持續時間和雨峰出現時累計雨量大小等因素的不同引起的；因此推薦上海地區使用P&C雨型作為設計雨型，在此雨型下設計的管網更安全。

[1] 蔣 明.新暴雨形勢下上海市設計暴雨雨型研究[J].湖南理工學院學報(自然科學版),2015,28(2):69-80.

[2] GB 50014—2006,室外排水設計規范(2014版)[S].

[3] 莫洛可夫,M B,施果林.雨水道與合流水道[M].北京:建筑工程出版社,1956.

[4] Keifer G J, Chu H H., Synthetic storm pattern for drainage design[J]. Journal of the Hydraulics Division, ASCE, 1957, 83(4):1-25.

[5] Pilgrim D H.，Cordery I. Rainfall temporal patterns for design floods[J]. Journal of the Hydraulics Division,ASCE,1975,101(1):81-95.

[6] 中華人民共和國住房和城鄉建設部,中國氣象局.城市暴雨強度公式編制和設計暴雨雨型確定技術導則[M].北京:氣象出版社,2014.

Influence of rainfall pattern on storm drainage network modeling in Shanghai

Ai Jing Liao Ziyuan Fang Dingyi Tao Tao

(CollegeofEnvironmentalScienceandEngineering,TongjiUniversity,Shanghai200092,China)

Reasoning formula method was used to design the storm drainage network of area A in Shanghai. On this basis, the designed network was modeled using SWMM. Chicago rainfall pattern and Pilgrim & Cordery rainfall pattern were respectively adapted to the model. It was shown that rainfall pattern substantially changes the simulation result on ponding, mainly on ponding time, maximum ponding depth and ponding area. Storm drainage network designed with Pilgrim & Cordery rainfall was more likely to meet the drainage requirement, so it was recommended in Shanghai.

rainwater, drainage network, SWMM, rainfall pattern

1009-6825(2017)21-0099-03

2017-05-12

艾 靜(1994- )，女，在讀碩士; 廖子元(1994- )，男，在讀博士; 方定懿(1994- )，男，在讀碩士; 陶 濤(1974- )，女，教授

TU823.6

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