SWMM模型在城市雨洪中的應用研究

劉愷華

摘要：以南陽市城區為研究對象，結合城區下墊面條件、不透水陸面特點以及下凹式綠地建設等，利用城市暴雨洪水管理模型（SWMM）研究其對城市建成區的暴雨洪水效應，為水生態文明試點城市建設和海綿城市建設提供參考。

關鍵詞：城市雨洪管理；SWMM模型；雨洪效應；海綿城市建設

1、研究區概況

本文以南陽市為研究對象，以南陽市地形為出發點，考慮降雨、截留和入滲、蒸散發、地下水等影響城市降雨徑流形成的因素，分析南陽市洪水的形成，對南陽市海綿城市的建設具有一定的指導和參考價值。

2、原理方法

暴雨洪水管理模型（SWMM）是美國環境保護署（USEPA）1971年開發并公開發行的一個動態降雨徑流模擬模型，主要用于對城市某一單一或長時間序列降水事件的水量和水質進行模擬。在世界范圍內廣泛應用于城市地區的暴雨洪水、合流是排水系統、排污管道以及其它排水系統的規劃、分析和設計，在非城市地區也廣泛應用。

2.1SWMM模型

在SWMM模型中，一般將一個流域劃分成若干子流域，根據子流域的特點，分別計算其降雨徑流過程，最后通過全流域各個子流域的降雨徑流過程，計算出流域合成的降雨徑流過程。根據南陽市的城市統計部門提供：南陽市透水區域面積占全市面積的25.6%，半透水（混合）區域面積占34.7%，完全不透水面積占39.7%的建設特點，將其市區根據不同的下墊面因素，概劃為不同的子流域。

2.2模塊建立

1、坡面匯流及河溝匯流。根據城市集水面積資料，地理位置的幾何特征，區域內的坡度、糙率、地面入滲率，采用曼寧公式及馬斯京根河道洪水演變過程而求得。

2、城市管網匯流。根據不滯流透水面積，城市管網分段直徑，區域的降水量，采用圣維南方程組求得，主要考慮城市的硬化率、城市管網的分段直徑、坡度、管網水深、長度、摩阻坡度等。

3、城市綜合排洪。綜合考慮城市天然透水面積而產生的坡面匯流及河溝匯流：城市不滯流透水面積及城市的硬化率產生的城市管網匯流，根據城市河網結構，采用馬斯京根河道洪水演變過程，綜合考慮得出城市綜合排洪。

本研究區域的SWMM模型的建立，從而分析區域的SWMM模型降雨徑流包括坡面匯流、河溝匯流、城市管網匯流最后形成綜合城市排洪過程。

2.3模塊建立參數分析

1）、排放口出流實測

近2 0年南陽城區共發生10次大洪水，發生城市內澇10多次，主要有2 000年、2009年、2010年三次大洪水較為典型，以2000年大水為例。

（1）降水量：2000年7月4日南陽市突降大到暴雨，平均雨量268.1mm，最大點雨量為醫圣祠遙測站315.3m m，最大2小時115.9mm，最大6小時181.0mm（見下圖南陽醫圣祠站降水量過程柱狀圖）。

（2）徑流量：經資料綜合分析，確定前期土壤含水量為40mm，歷年實測北部涌河最大流量420立方米每秒，中心城區的梅溪河最大流量580立方米每秒，溫涼河最大流量380立方米每秒，下游水文站測得最大流量3240立方米每秒。

（3）洪水分析：以2000年“704”洪水為例進行分析，此次雨洪具有雨量大、強度大的特點。從7月3日2時開始降雨到20時，2小時最大降水33.2毫米，除中心城區有少許積水外，其余無積水現象；20時至22時，整個南陽市降下大暴雨，最大11.5.9mm，中心城區大面積積水，23時溝滿河平，南陽水文巡測隊在南陽城

區各條河流進行檢測，測得第一手資料。通過分析，2小時30毫米降雨，不會造成城市內澇，中心城區的河道洪峰比周邊河道洪峰提前30分鐘到達，城市不滯流面積越大，越容易造成城市內澇。

（4）洪水災情：在南陽城區西北部為天然透水面積和滯流透水面積各占一半，雖然降雨量較大，降雨強度大，由于按照海綿城市建設要求，采用小區區域內鋪設透水磚和采用下凹式綠地這兩種措施下，城市管網直徑較大，積水不嚴重；中心城區積水非常嚴重，南陽商場附近積水深度達1.5米左右，平均積水深度達1.0米左右，控制面積為36.4 Km2，造成嚴重城市內澇。

2）模擬值進行率定

根據洪水分析，城市排水管網的變化對其控制區域內的產流量、下滲量以及洪峰流量有著較大影響。利用水文分析模塊率定SWMM（雨洪管理模型）模型參數，在研究區域上建立起不同分區特點和管網條件的SWMM工程，即滯流透水面積和滯流不透水面積的劃分。南陽市降水量P為38%的24h降雨過程為降雨輸入，進行模擬分析。結果表明，受管網增加影響的子匯水區域下滲量有所減少，徑流量有所增加，洪峰流量增大，且洪峰出現時間提前。

3）兩種方法率定參數分析

本文針對城市暴雨徑流產流匯流的機理和過程，結合南陽市當地的氣象氣候及地理條件，對暴雨徑流調節的幾種方式進行了比對研究，運用城市暴雨雨水管理模型（SWMM），結果表明，85年以后，隨著南陽城區的快速發展，區域雨水匯集時間提前30分鐘以上，洪峰流量增大3 5%左右，并對雨水收集儲存池的建設規模和經濟效益進行了優化，為今后類似工程計算提供參考。

模擬值進行率定，綜合考慮城市發展對雨洪的綜合影響，以前期降雨的損失量來考慮，城市雨洪的變化過程，是綜合因素無量綱的變化，模擬出雨洪的變化過程，用試算方法進行推求，率定參數代表性不好。

3、結果與討論

通過以上兩種方法分析結果，采用城市暴雨雨水管理模型（SWMM），分析隨著城市發展，雨洪的變化規律，區域雨水匯集時間提前30分鐘以上，洪峰流量增大35%左右。

建立產流模型，對南陽市不同降雨頻率不同硬化綠化比例面積，分析計算了鋪設透水磚、下凹式綠地、建立人工蓄水池關于攔蓄雨水徑流、補充地下水、滯后匯流的影響，得出鋪設透水磚、下凹式綠地、建立人工蓄水池能有效的攔蓄雨水徑流和補充地下水，并使降雨匯流明顯滯后。

針對雨水的可調節利用，建立區域性雨水利用系統，分析研究雨水調蓄池在局部區域的應用。根據多年的降雨資料的統計給出南陽市為代表性的城市雨水儲存池合理的規模和設計雨量值，并考慮良性水循環和徑流排放量。為類似地區的工程設計和施工提供有益的參考。endprint