高校校園內澇模擬與分析

梁懌禎，李樹平，謝予婕

（同濟大學環境科學與工程學院，上海 200092）

城市內澇是指在強降雨或連續性降雨情況下，由于城市排水能力不足導致的城市低洼地區大面積積水現象。高校校園作為城市的一個功能分區，在排水不暢情況下，不可避免地受到內澇影響。2013年7月19日，廈門遭遇暴雨突襲，部分高校內澇嚴重，校園環境和物資遭到嚴重破壞；2015年6月16日～17日，上海遭遇持續強降雨，部分高校出現大面積積水，局部水深達50 cm以上，嚴重影響師生的正常出行；2016年7月6日，武漢遭遇特大暴雨，造成多所高校因內澇停課……近年來高校校園內澇頻發，必須引起重視。高校校園內含有教學區、生活區、體育活動區、生態休閑區等功能區劃分，地表不透水性變化顯著；景觀上包括假山、廣場、河流和湖泊，校園內地勢高低起伏；高校校園存在不同時期建設的排水管道，埋設年代和健康狀況不一；校園內雨水管道具有建筑給水排水特點，局部雨水管道直徑較小（小于市政管道最小直徑300 mm的要求）。

以下將首先討論內澇分析的步驟，然后以某高校校園為例，模擬各種降雨重現期下內澇程度，并分析形成內澇的主要原因。

1 分析方法

內澇分析需要根據研究區域內的地形地貌、土壤特征、排水管網、排放水體等資料，構建內澇分析模型；然后分析不同重現期降雨情景下排水管網的排水能力，總結內澇的形成原因及排水管網存在的缺陷，提出相應的改進措施［1-2］。因此內澇分析步驟如圖1所示。

圖1 內澇分析方法路線圖Fig.1 Route Diagram of Analysis Method for Waterlogging

（1）收集研究區域資料，包括地形圖、用地規劃圖、排水管網勘測圖、排水管網基礎數據、降雨統計數據等。

（2）選取合適的內澇分析模型。模型應能夠模擬地表降雨徑流過程和排水系統中的水流特征。

（3）建立內澇分析模型：①將研究區域的排水管網圖概化；② 根據下墊面特征及管道布置情況，劃分子匯水區域；③設置模型排水管網參數及子匯水區參數；④根據當地的暴雨強度公式或實測降雨數據設計降雨情景。

（4）模擬不同降雨重現期下排水管網的運行狀態，包括地表徑流、排放口狀態、節點積水、管道超載等，分析內澇形成原因及排水管網系統缺陷，提出相應的改造措施。

基礎資料分析中經常遇到的問題包括淤積管道、孤立節點和管道、數據缺失或錯誤的節點和管道等，需在建模時進行相應處理。管道淤積會削弱管道的過水能力，建模時應以縮小管徑的方式假設管道淤積；未與主管網相連的孤立節點和管道，在模擬過程中會導致過早的節點積水和管道超載，影響模擬結果的準確度，建模時應將其刪除并將相應的子匯水面積連接到下游鄰近的雨水口；對于井深為負的節點以及管徑數據缺失的管道，應根據上下游管道的內底標高及管徑進行相關數據的估計。處理過程中，應標記所作的修改，以備進一步核實資料，便于將來訂正。

2 案例區域和所選計算軟件

分析將以上海市某高校校園內頻繁發生內澇的區域作為案例，該區域包括教學樓、宿舍樓、體育館、田徑場、道路和綠地等，占地面積約0.152 km2，地坪標高在3.0～3.4 m，整體趨勢較平緩，但局部地勢偏高，如兩處田徑場地面標高在4.2 m以上。建模之前已收集到該高校校園的地形圖和地下管道布置圖等基礎資料。

內澇分析將采用SWMM模型。該模型由美國環保局開發，是一個動態的降水-徑流模擬模型，用于城市區域單場降雨或連續降雨的徑流水量和水質模擬。其徑流模塊部分能模擬各匯水子區域上的降雨所形成的徑流量和污染負荷，匯流模塊部分能模擬徑流在管網、渠道、調蓄和處理設施、泵站、控制設施的流量和水質變化。通過對建模區輸入的數據進行編輯，模擬水文、水力和水質情況，以時序圖表、剖面圖、動畫演示和統計分析等多種形式對結果顯示，從而重現和預測管網系統運行狀態，可廣泛應用于城市暴雨徑流、合流制管道、污水管道以及其他排水系統的規劃、分析和設計［3］。

3 研究區域概化和模型設定

3.1 研究區域概化

根據建模要求，對基礎資料處理，對研究區域概化并形成模型文件。經概化后，雨水徑流通過雨水管網匯集最終流向排水口p1，然后排至校園外市政管網。雨水管網經概化處理：節點881個，管道管段892條，子匯水區844個，排放口1個，如圖2、圖3所示。

3.2 降雨情景設計

圖2 子匯水區劃分示意圖Fig.2 Schematic Diagram of Sub-Division of Catchment Area

圖3 雨水管網概化示意圖Fig.3 Conceptual Schematic Diagram of Storm Networks

選用芝加哥降雨過程線模型合成重現期分別為1年、5年、100年，雨峰系數 r＝0.4，降雨歷時 t＝2 h的合成降雨，作為模擬降雨過程輸入。選取的暴雨強度公式如式（1）。

其中：q—暴雨強度，L ／（s·hm2）；

P—重現期，年；

t—降雨歷時，min。

3.3 模型參數確定

各子流域產匯流計算時所需參數包括［4］：產流計算采用Horton入滲模型，模型的最大入滲率、最小入滲率和衰減系數分別取52.7 mm／h、4.9 mm／h和3.9 h－1；匯流計算采用非線性水庫模型；透水地表和不透水地表的洼蓄量分別取為10.65 mm和0.66 mm；透水地表、不透水地表和管道的曼寧系數分別取0.13、0.04和 0.01；地表坡度取 0.005；屋面、道路、網球場、排球場的不滲透百分比取98%；田徑場和綠地取40%。模擬過程采用動力波進行流量演算，模擬歷時為24 h。

模型水文參數的初始值大多是根據文獻資料中的經驗值選定，在建模時需要進行多次反復的調整和校核，使模型與實際情況盡量相符。可將徑流系數作為目標函數，通過對比雨水管網設計所采用的綜合徑流系數和模型模擬得到的徑流系數，對模型參數進行校核［5］。城市綜合徑流系數經驗值如表1所示［6］。研究區域不透水面積率約為74.9%，由表1可知，該區域的綜合徑流系數為0.6～0.8。校準降雨采用重現期為2年的合成降雨，得到上述最終模型參數調試結果時，模擬徑流系數為0.78，滿足要求；驗證降雨采用重現期為1年和3年的合成降雨，模擬徑流系數分別為0.76和0.80，均滿足要求，表明校準后的參數在常用降雨重現期范圍內具有一定的適應能力。經參數校核后，模擬所得的降雨、下滲、徑流情況與實際情況基本吻合，故該模型可用于進行內澇分析。

表1 城市綜合徑流系數經驗值Tab.1 Empirical Value of Urban Integrated Runoff Coefficient

4 內澇情景模擬與成因分析

模型采用重現期為1年、5年、100年，降雨歷時為2 h的設計降雨，對研究區域的內澇情景進行模擬分析。

4.1 地表徑流

地表徑流模擬結果反映了研究區域不透水面積大小對地表徑流的影響。研究區域的降雨、徑流和下滲情況如表2所示。

表2 降雨、徑流和下滲情況模擬結果Tab.2 Simulation Results of Rainfall，Runoff and Infiltration

由表2可知，隨著降雨重現期的增加，降雨量、入滲量、徑流量和徑流系數都有所增加，但入滲量增幅極小。其原因是研究區域的透水區面積較小，在重現期為1年的暴雨情景下，透水區的入滲量以及地表洼蓄量就基本達到飽和狀態，當降雨重現期增加時，降雨量增大，而入滲量幾乎不變，致使水流在地表的匯流加劇，徑流量明顯增大。這說明校園內硬化路面、屋頂等不透水區面積較大是導致校園內澇的重要因素。

4.2 節點積水

節點積水是指降雨發生后，檢查井溢流造成周邊雨水停留的現象。在排水模型中，內澇的判定標準為節點水深超過該節點最大容水深度，內澇的持續時間是節點的水深度超過該節點最大容水深度的時間［7］。不同重現期降雨情景下的節點積水情況如表3所示。降雨第50 min時校園積水情況最嚴重，此時積水空間和程度分布如圖4、圖5所示。

表3 節點積水情況模擬結果Tab.3 Simulation Results of Ponding Nodes

由表3可知，隨著設計降雨重現期增大，原有積水節點的積水時間增加，并出現新的積水節點，研究區域總積水量不斷增大，隨之帶來內澇程度的加深；由圖4和圖5可知，在五年一遇降雨情景下，積水程度較嚴重的節點主要集中在校園南部運動場和北部教學區，在百年一遇降雨情景下，校園各處均出現較嚴重的積水節點。

圖4 五年一遇降雨的積水空間和程度分布圖Fig.4 Spatial Distribution of Junctions with Various Waterlogging under Rainfall with 5-Year Return Period

圖5 百年一遇降雨的積水空間和程度分布圖Fig.5 Spatial Distribution of Junctions with Various Waterlogging under Rainfall with 100-Year Return Period

選取積水時間較長的若干節點進行原因分析，發現積水節點一般位于起始端管道。起始端管道的管徑較小，通常為DN100～DN200，部分還存在逆坡現象，管道過水能力不足。此外，部分下游干管管徑偏小，在子匯水區域產生的徑流量較大時，不能將雨水及時排出，造成上游管道及相關檢查井內水位迅速抬升，導致節點積水。根據節點標高數據，校園南部運動場和北部教學區的地勢相比周邊區域較低，降雨時排水管網收集了周圍區域匯集的地表徑流，排水負擔增加，導致節點積水情況加重。

4.3 管道超載

管道超載是指管道需要輸送的水量超過了其最大輸送能力，致使管道處于滿管流、有壓流狀態下運行［8］。不同重現期降雨情景下不同超載時間的管道數量對比如圖6所示。

圖6 不同超載時間的管道數量對比Fig.6 Comparison of the Numbers of Pipes with Various Overload Time

由圖6可知，隨著設計降雨重現期增大，超載管道數量不斷增加。其中，超載時間＞20 h的管道數量基本恒定，占管道總數的4.8%；超載時間介于1～5 h的管道數量隨降雨重現期增大而快速增加；超載時間＜1 h的管道最多，數量在小范圍內波動。因為管道長期處于超載情況下容易發生破損，所以對于超載時間長、重要性高的管道應進行超載原因分析和相應改造。

選取若干超載管道分析發現，管道超載時間＞20 h是由于下游存在逆坡管道或銜接錯誤，即下游管道管底標高大于上游管道管頂標高，導致雨水不能及時排出；而超載時間＜5 h的管道是由于管徑較小，當上游節點承接較大流量的雨水徑流時，管道過水能力不足，導致長時間的滿管現象。

5 改造措施

通過分析內澇模擬結果可知，不透水面積較大、排水管道管徑偏小、管道存在逆坡和銜接錯誤是造成校園內澇的主要原因，在進行內澇整治時應從這三方面著手。

較大的不透水面積導致了雨水下滲量減少，地表徑流量增大，尤其低洼地帶匯集了周圍地勢較高區域的徑流，管網排水負擔進一步加重。因此在建筑物集中的教學區和生活區，以及局部低洼地帶，可以考慮采用植草洼地、滲水渠、透水路面等雨水滯留滲透設施，降低地表徑流，或修建地下蓄水池進行雨水收集調蓄［9-10］。擬將校園南部運動場產生的雨水徑流收集到蓄水池，校園北部教學區道路進行透水結構改造，改造前后各項模擬結果對比如表4所示。

表4 改造前后各項模擬結果對比Tab.4 Comparison of Simulation Results before and after Reconstruction_________

由表4可知，隨著降雨重現期增加，改造效果逐漸降低。這說明減少不透水面積的措施只能在一定程度上緩解小規模降雨造成的校園積水問題。

根據模擬結果分析，逆坡管道會造成上游管道超載時間＞20 h，以及入流節點積水，影響雨水管網排水能力。研究區域有逆坡管道共147條，其中逆坡在－1%以上的共73條，在管網改造中應先調整該部分管道坡度。

如圖7所示，在一年一遇的降雨情景下，調整逆坡管道3 204的坡度后，其上游管道5 087、588、79、1 605的超載時間分別由 23.78、23.76、23.76、23.76 h 縮短為 0.4、0.3、0.3、0.29 h；調整管道 5505逆坡后，節點3YS51的積水時間由3.97 h變為0，成為非積水節點。

圖7 局部管網示意圖Fig.7 Schematic Diagram of Partial Pipe Networks

排除逆坡影響后，節點積水和管道超載的原因主要是管道管徑偏小或銜接錯誤，即下游管道管底高于上游管道管頂，導致雨水無法及時排出。在進行管網改造時，首先要確定超載時間長、重要性高、影響范圍大的“瓶頸”管道，再對其采取更換大管徑、修正銜接等措施，避免大量開挖校園道路，造成工程量大且耗時，緩解內澇現象的成效低。

如圖7所示，在五年一遇的降雨情景下，將節點3YS111下游管道3204的管徑由0.2 m增大為0.3 m時，節點積水時間由0.8 h縮短為0.07 h，總積水量由54 m3減少為2 m3；修正管道387、587與下游管道4221的銜接錯誤后，管道387、587的超載時間由23.78 h縮短為1.61 h。

6 結束語

高校校園內澇的模擬與分析將根據地表徑流模擬，分析不透水面積對產生內澇的影響；根據積水節點的積水時間和空間分布，以及超載管道的超載時間，查找過水能力嚴重不足的管道，分析其排水不暢的原因。該內澇模擬與分析方法也可以擴展到具有類似特征的工業園區、開發區等。

高校校園內澇模擬與分析還需結合降雨測試數據、地表徑流和管道內流量數據，通過實測數據與模擬結果的比較，校驗構建的模型，增強模擬的準確性。考慮到SWMM模型僅可模擬節點的節水情況，無法模擬地表漫溢情況，因此后續可考慮地表漫溢模型的應用。

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