基于GIS(地理信息系統)的SWMM模型在城市雨水管網優化改造中的應用研究

肖國軍， 張瑞峰， 楊高偉

(1. 西南交通大學， 四川成都 610031； 2. 中國建筑西南設計研究院， 四川成都 610041)

改革開放以來中國城市化速度舉世矚目，但是也暴露了眾多的問題，城市內澇問題尤其突出。以往設計院的管網改造方法過于落后，主要是靠設計者的經驗和實地考察的結果去做出優化方案。近年來，國內開始應用數字化模型分析研究有了新的進展，其中一種是利用GIS和SWMM建立數字模型[1、2]，ArcGIS具有強大的地理信息分析處理能力，可以對數字高程模型(DEM)進行分析處理，而SWMM是一個動態的降水-徑流模型，主要用于單一降水下水質水量的模擬。筆者在這些研究成果的基礎上進行工程實例(簡州新城管網改造)應用。

1 模型建立

模型的建立需要依賴于對模型參數的收集，SWMM模型的建立所需的參數信息主要包括：降雨參數、子匯水區參數和管網參數[3](圖1)。

圖1 建模流程

1.1 降雨數據獲取

暴雨的歷時分布形式即雨型，是一個重要因素。研究表明，單峰雨型是主要形式，雨峰多在前中部，相對位置r在0.35～0.45之間，缺乏資料時可取r=0.4[4]。本文采用芝加哥雨型，芝加哥雨型是1957年Keifer和Chu根據強度-歷時-頻率關系得到一種不均勻的設計雨型，也稱芝加哥雨型。該雨型平均雨強為：

(1)

則降雨過程的峰前雨型為：

(2)

峰后雨型為：

(3)

簡陽市暴雨強度公式[5]為：

(4)

參數同上，可以得到芝加哥雨型瞬時降雨過程圖和數據(圖2)，時間步長取△t=5 min。

圖2 簡州新城芝加哥雨型降雨過程線

1.2 DEM的構建

DEM的構建常用的方法有兩種：(1)采用帶有高程數據的CAD地形圖(可以是等高線或者高程點)。(2)可以通過遙感影像獲取大面積的DEM，如美國的ASTER或法國的SPOT等，其采樣距離有多種精度越高越準確。本文采用的是衛星遙感影像生成的DEM，因為原CAD地形圖高程點不具備高程屬性值構建DEM比較困難。文章采用8.32 m采樣距離的衛星遙感高程數據，高斯克呂格投影，西安80坐標系，單位為m。考慮到路網對雨水的截留作用，要用路網對規劃區進行分割，每個子塊獨立構建DEM[6](圖3)。

圖3 匯水區域DEM

1.3 集水區劃分和參數提取

對于集水區域的對DEM進行流域數字特征分析的算法有很多如D8、Rho8、Fhro8等[7]，其中對小流域一般是采用的D8算法。但是，其應用前提條件是：DEM中沒有洼地和尖峰。其操作如下：

(1)填補洼地。(2)流向分析。(3)坡度提取。(4)盆域分析。(5)集水點提取。

1.4 集水區和管網參數獲取

經過處理后的DEM并不能直接反映到參數值上，需要進一步提取參數值。其中有些參數是根據資料和工程實際確定取值范圍：管道曼寧系數0.014；滲透性粗糙系數0.013；不滲透性粗糙系數0.15；不透水洼蓄深度1.27 mm；透水洼蓄深度2.54 mm；透水曼尼系數0.1；無洼地蓄水不滲透性采用經驗系數25 %。另一些則是通過GIS空間分析獲得，具體如下：(1) 匯水區面積：統計出每個匯水區的面積。(2)平均坡度：通過對DEM進行表面分析，可以得到坡度柵格數據。(3)最長漫流路徑：用水文分析工具得到每個匯水區最長漫流路徑。(4)特征寬度：以匯水區面積除以最大漫流路徑就得到特征寬度。(5)透水區和不透水區面積比：定義道路不透水面積比為92 %，商業用地不透水面積比為90 %，工業用地為65 %，綠地為15 %[8]。再用匯水區圖層與土地利用圖層進行區域分析可得到匯水區的平均不透水面積比。數據太多，筆者只列出了一部分與文章論述有關的數據，如表1所示。為了實現快速建模，筆者使用的是Waterdesk快速提取管網信息(圖4)。

圖4 匯水區域和集水點置

1.5 下滲模型選用

Horton入滲曲線和Green-Ampt入滲曲線是常用的徑流計算方法[9]，但是參數很難獲取。美國農業部土壤保持局研制的徑流曲線模型——SCS-CN[10]得到了國際公認，SCS模型所需參數較少，數據獲取相對容易，適用于缺乏資料的地區。其影響參數為徑流曲線數(CN)，是一個綜合考量參數，土地利用、水土保持、植被覆蓋度和前期土壤濕度對徑流曲線數有顯著影響[11]。改參數依賴一定的主觀性和經驗，但是，就該工程而言，能夠滿足精度要求，因為該地區主要為商工業區，其CN值波動不大。經過比對查找，確定商業區CN值為81，工業區為75， 居民區為65，水泥路面為94，草地41。

表1 SWMM匯水區參數

2 模型分析

簡州新城是規劃的現代裝備產業園，規劃面積223 km2，年平均降雨量927 mm。選取簡州新城一個商業核心區管網系統進行分析，該排水管網系統的排水口為P24，該管網體系位于商業核心區，體系比較復雜，有上下兩處分流，分流節點按實際情況選擇分模式(圖5)。分別以2年、5年、10年暴雨重現期模擬分析，模型分析顯示結果如表2所示，隨著暴雨重現期的增大，發生溢流的井數目增多，入滲量與降雨量的比值逐漸降低，溢流量逐漸增高，徑流系數也增大。

圖5 管網概化

3 管網優化改造

本次管網改造不改變出水口高程，只改變坡度和管徑分配方式。重現期選擇10年，改造的基本步驟：(1)查看管道路徑剖面圖，觀察管道和井負荷情況，找出負荷嚴重的管段。(2)針對管網系統重新做出合理規劃，主要是對坡度進行合理的分配，負荷較大的管段給予較大的坡降，在溢流嚴重的的井下游給予高于平均坡降的值，溢流不嚴重的井給予低于平均坡降的數值。(3)調整上下游管徑，負荷較大的管段給予更大的管徑。改造效果通過管網排水口P24的排水量和管網體系的溢流情況對比說明。從圖6中可以看出，改造之后的效果很明顯，有效減少了管網的溢流總量和平均溢流量，出水口的排水能力也反映了整個管網體系的排水能力的提高，約為原來的4倍。可以看出管網排水能力的提高很明顯，特別是應對洪峰流量時的能力(表3)。

表2 改造前管網系統模擬結果

圖6 排水口P24流量對比

表3 優化改造后管網系統模擬結果

4 結束語

(1)ArcGIS對地形和水文特征的處理結果可以很好的耦合于SWMM，能夠快速地建立起管網模型，能有效地服務于規劃、設計和管網改造，具有高效性和可預見性等優點。但是，SWMM無法模擬地表徑流情況，也沒有考慮雨水滲漏的情況。

(2)從實踐可以看出，我國的管網體系不合理，管網過于龐大，轉輸流量和管網服務面積過大，合理的管網規劃優于盲目的增大管徑增加坡度。

(3)我國城市不透水面積比過高，雨水滲透太難，使得徑流系數比較大。這是每個城市的通病，從側面反映出海綿城市建設的必要性。

(4)管道的坡降分配不太合理，設計不合理的管段容易造成雨水溢流。做排水規劃時，應該充分考慮排水坡降的合理分配，在低凹地帶和轉輸流量大的地帶應該給予比較大的坡降。

(5)大管徑接小管徑。新老管段最容易出現這種情況，另外管網的設計最好由一家設計單位統一設計施工。