淺談SWMM模型在城市排水管網改造中的應用

張琳 史尋剛

【摘要】本文以北方某城市排水（雨水）防澇綜合規劃為例，討論了SWMM模型在城市排水管網改造中的應用情況，案例以現狀排水管網為基礎，用SWMM模型模擬了不同暴雨強度下，道路積水情況，分析產生積水的主要原因及改造措施，為管網改造提供科學依據。

【關鍵詞】城市排水防澇；SWMM；雨污合流；低影響開發

城市排水防澇系統是現代城市的重要基礎設施，它對于確保人民生命財產安全、維持城市安全運行和改善水環境具有重要意義。然而，異常氣候導致短歷時、強降雨頻發；下墊面條件的改變使得同頻率暴雨下產流量增大；此外，水流逆坡、下游出口不明確、部分道路豎向規劃不合理等現場導致部分路面大范圍積水，同時由于缺乏與園林景觀專業之間的相互協調，致使本可作為雨水滯、滲、調、蓄設施的天然綠地沒能發揮其應有的作用，造成城市內澇積水，影響城市安全運行，對城市排水防澇系統提出了嚴峻挑戰。

本文以北方某城市排水防澇綜合規劃為例，闡述了SWMM在城市排水管網改造中的具體應用。

1、模型概述

SWMM由美國環保署（United States Environmental Protection Agency，簡稱USEPA）在20世紀70年代開發，是最廣泛應用于城市排水系統管理的模型之一。SWMM對雨水管、合流制管道、自然排放系統都可以進行水量、水質的模擬，包括地表徑流、排水管網輸送、貯水處理及與受納水體的相互影響等過程，可廣泛應用于各級城市排水系統的模擬。

2、模擬過程

2.1降雨規律分析與下墊面解析

2.1.1設計雨型選取

目前，雨型主要包括市政雨型和水文雨型。水文雨型最小時間間隔為1小時，雨型一般為24小時，主要用來模擬長系列、大流域的降雨。市政雨水最小時間間隔為5分鐘，雨型一般為2小時，主要用來模擬短歷時暴雨。由于造成城市內澇的多為短時強降雨，暴雨時間約為1至2小時，因此選擇市政雨型進行內澇風險評估。

（1）雨型選擇

目前國內外普遍采用的設計暴雨方法有芝加哥暴雨過程線法、Pilgrim and Cordery和Huff法等。其中，芝加哥法可由暴雨強度公示推求，方法簡單可靠，國內外使用較多，且芝加哥法降雨雨型有較高的峰值，有利于檢驗城市排水防澇系統在最不利的短時強降雨下的負荷和風險，而且近年來各地短時強降雨頻發，因此通過芝加哥暴雨過程線求得設計暴雨的時程分配。

（2）雨峰系數選擇

雨峰系數r（0

2.1.2下墊面解析

在模型建立前，需要將研究區域劃分成若干個子匯水區，再根據子匯水區的地表性質概化為透水區域與不透水區域，由于匯水區的劃分受地形及地表覆蓋的影響，因此本文利用Arc GIS軟件按照屋面、植被、道路、水系、公共設施等類型分別對研究區域內地表類型進行解析，解析成果矢量圖見圖1：

2.2模型參數識別

2.2.1水文參數識別

水文參數主要是反應匯水區特征的參數，匯水區利用Arc GIS的水文分析工具，基于DEM數據進行劃分，并結合衛星影像圖進行邊界的調整。

在本次建模過程中，根據調研所掌握的大量數據信息共概化2128個匯水區，要參數包括匯水區的面積，不透水率、寬度、坡度等，主要利用GIS方法對主要參數進行初步識別，并利用監測數據進行參數校核。參數識別結果見圖2a。

2.2.2水力參數

管道水力數據包括管網系統和水系的高程和尺寸，本文主要從現狀排水管網圖（CAD）獲取相關信息，同時對關鍵位置進行現場測量、校核，保障主干管網流向和高程與實際相符。其它包括地表洼地蓄量、Horton滲透量、管道粗糙度等參數均參照SWWM幫助手冊進行設置。

2.2.3 模型參數率定

參數的可靠性是模型應用的關鍵，本文分別以研究區域污水處理廠入口流量、主要泵站流量以及易積水點等相關信息進行參數率定與驗證。

（1）污水處理廠進口流量驗證結果

通過對旱天污水排放過程的實時模擬，并利用最近年份污水處理廠日平均水量對管網模型進行旱天模擬評估計算，結果顯示：污水處理廠旱天入口流量為0.89m3/s，計算得日流量為76896噸，實際統計平均值為76751噸，百分標準偏差為0.19%，模擬結果可靠。

（2）泵站流量驗證結果

選取現有15座雨（污）水泵站中排水量較大的7座泵站進行模型的驗證，由模型率定驗證結果（表1）可以看出：研究區域現狀管網模型除2號環泵站2013年8月7日（百分標準偏差34.3%）、5號泵站2013年6月24日（百分標準偏差-41.7%）數據外，其余泵站誤差均在模型驗證要求的0.7%-23.3%范圍內，滿足模型精度要求，模擬結果可靠。

（3）易積水點驗證結果

利用現狀管網模型分析1年一遇降雨強度下，積水深度>15cm，積水歷時超過2小時的路段，并與歷史調查情況進行比較，結果顯示：歷史調查發現22條易積水路段，管網模型模擬發現22條易積水路段，其中重合18條，結果證明模擬結果可靠。

總之，通過旱天污水廠進水量、主要泵站不同降雨情境下的排水量以及與歷史易積水點的比較，均證明模擬結果可靠，可用于城市甲現狀排水能力、內澇風險的評估和規劃情景分析。

3、現狀排水系統評估

參照《城市排水（雨水）防澇綜合規劃編制大綱》要求：即發生城市雨水管網設計標準以內的降雨時，每條道路至少有一條車道的積水深度不超過15cm，積水時間不超過0.5h，因此，模型分別對1-5年不同重現期下積水時間大于0.5h的積水點進行統計，分析各管段在現狀管網及泵站條件下的排水能力。

根據管網模型現狀排水能力評估，設計重現期小于等于1年的管長達74.85km，積水概率高達52.6%，因此設計標準偏低是城市內澇的首要原因；其次，通過內澇風險與徑流系數分布，可以看出，城市化進程加快導致徑流系數增加是城市內澇的重要因素之一；此外，部分高風險積水點處在較低徑流系數區域或周邊，說明不透水率并不是造成城區內澇的唯一原因，匯水區域面積過大、下游主干管網高負荷運行是造成內澇的另一主要原因。

小結：

通過對現狀排水管網系統的模擬評估，得出以下結論：

（1）在現有管網系統和泵站控制條件下，有44%的管道重現期小于1年一遇，部分截污干管設計重現期偏低是造成下游雨水難以及時排出的原因，因此在后期管網改造或規劃建設過程中，建議對管網系統進行系統分析、科學改造；

（2）大部易澇點或內澇高風險區徑流系數在0.6以上，建議對附近城市公園、廣場和道路綠地等進行低影響開發改造，減少徑流排放量；對于涉及綠地率指標要求的建設工程，如公共建筑周邊綠地與小區綠地、廣場綠地等至少應有25%作為用于滯留雨水的下凹式綠地；配合景觀設計，綠地面積的5%作為雨水花園；

（3）徑流系數的主要影響因素為覆蓋種類的透水性，除此之外，還和降雨歷時、暴雨強度、暴雨雨型有關，后三者人為無法人為控制，可見覆蓋種類的透水性是進行源頭控制的主要切入點，因此建議，在建設用地的規劃審批方面應嚴格把控。

總之，城市地表、排水管網、泵站和水系組成了完整的城市排水防澇系統，結構復雜，各種因素相互作用，無論是管網的設計、改造都可以應用模型對排水系統進行全過程的模擬，為城市排水系統規劃、改造進行提供技術支持。

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作者簡介：

張琳，陜西地建土地綜合開發有限責任公司；

史尋剛，陜西地建土地綜合開發有限責任公司。