基于SWMM模型的山前平原區城市排水防澇計算方法探究

(南京市雨花臺區水務總站，江蘇南京210017)

近年來，隨著城市化進程的加快，城市硬化面積越來越大，內澇問題頻現，造成了嚴重的經濟損失和人員傷亡，因此，加強城市排水防澇能力建設，尤其是科學準確的計算城市暴雨徑流顯得尤其關鍵。中國西南地區，很多城市位于山丘區之間的盆地，隨著快速化的城市化進程，當地天然產匯流機制發生了改變，傳統的水文水利學計算方法如單位線法、等流時線法難以反映新的產匯流特性。同時，由于管理職能的不統一，城市地區防洪工程、排水工程規劃設計采用不同的行業規范，如何解決由于計算方法的不統一而造成的排水防澇工程不匹配問題成為中國西南地區城市面臨的主要難題。鑒此，本次研究以云南省昭通市為例，通過SWMM(Storm Water Management Model)模型研究其排水防澇計算方法，分析現狀水系存在的主要問題，并對規劃河道水情進行模擬分析，分析規劃方案的合理性，以期為其他城市制定合理的排水防澇規劃，提供對策和建議。

1 SWMM模型介紹

SWMM模型是動態的降雨徑流模擬模型，由產流、匯流以及水質模擬模塊組成，產流模塊可綜合處理匯水區所發生的降水、污染負荷和徑流；匯流模塊則通過渠道、管網、水泵等進行水量傳輸[1-2]。

產流計算中，依據研究區下墊面特點、土地利用性質等劃分為不同的區域進行計算[3-4]，主要為不透水區和透水區，不透水區又可根據是否有洼蓄分為兩部分，對無洼蓄的不透水區，降雨量即等于產流量；對有洼蓄的不透水區，降雨量減去填洼量即為產流量。匯流計算則是采用非線性水庫法。近年來，城市內澇發生的越來越頻繁，研究SWMM模型的論文也越來越多，朱靖等撰寫的《SWMM模型在西南地區山前平原城市防澇計算中的應用》、胡莎等撰寫的《基于SWMM模型的山前平原城市水系排澇規劃》都對SWMM模型原理進行了詳細的解讀，在此不再詳細描述，模型的原理詳見文獻[5-8]。

2 研究區SWMM模型構建

2.1 研究區概況及子流域概化

昭通市位于云南省東北部金沙江下游，是云南省連接長江經濟帶的重要門戶。地勢西南低、東北高，屬典型的高原山地構造地形，坡降較大，主城區面積23 km2，區內地勢平坦，地表水系發達，有一條主要河道由東北向西南貫穿城區，沿途納入3條支流，是主城區及上游山丘區主要泄洪通道，具有排泄沿途澇水及上游水庫泄洪雙重作用。該河道上游有2座水庫，庫容分別為121.00萬、102.66萬m3。上游山丘區洪水峰高量大，宜采用天然流域水文水力計算方法，但城區管道排水系統由于河道水位的倒灌和頂托以及傳統管道設計方法的不足，采用天然流域水文水利計算方法已難以反映該市主城區的產匯流特征。

在運用SWMM模型進行模擬分析時，首先要進行子流域和管網概化，根據土地性質及高程信息，將研究區劃分為3部分。第一部分，流域上游山丘區，

根據《云南省暴雨洪水查算圖表實用手冊》進行產匯流計算，水庫調蓄計算按水庫汛期調度模式進行；第二部分，中心城區外圍郊區，地勢較為平緩，未規劃雨水管網，主要是根據地形資料進行分區，共劃分為12個區域，總面積24.1 km2，采用SWMM模型進行演算；第三部分，流域中下游主城區，總面積60.8 km2，根據現狀管網匯水范圍，劃分為202個區域，采用SWMM模型進行演算。流域分區劃分示意見圖1[9-11]。

圖1 流域分區劃分示意

2.2 參數選擇

研究區子區域匯水面積、平均坡度及特征寬度可由土地類型分布圖獲得，管徑大小、管長、檢查井標高等根據雨水工程現狀圖獲得。入滲采用霍頓模型進行模擬，管道匯流采用動力波演算，匯流時間步長取10 s，設計暴雨歷時取24 h，考慮產匯流時效性，模擬時段延長到48 h，在匯流過程中，若節點入流量超過管道、河道輸送能力，會溢出系統，產生地面積水[12]。參數取值具體見表1。模型其他參數主要參考《SWMM模型用戶手冊》及相關文獻[13]，在后期模型率定過程中做調整。

2.3 模型率定

運用構建的SWMM模型模擬研究區在2014—2017年12次典型降雨下，模擬內澇結果與實測結果對比情況，從而檢驗模型參數選擇的合理性[14]。圖2列出了實測積水面積與模擬結果對比情況。

表1 研究區參數取值

圖2 實測積水面積與模擬結果對比情況

從結果看，模擬結果與實測積水面積總體上還是吻合的，由此可見，模型參數選擇及區域概化還是符合研究區實際情況的，由于模型只概化主干管，無法模擬管道破損、堵塞等情況，所以模擬結果與實測結果存在微小偏差，總體比實測面積小。

模擬計算針對10年一遇設計暴雨，對模型中的不透水率、透水區洼蓄、下滲參數等關鍵參數進行參數敏感性分析，以分析參數對計算結果的影響和敏感程度，為參數率定和選擇提供參考[15](表2)。

表2 主要參數敏感性分析結果

3 模擬結果及分析

3.1 設計暴雨計算

昭通氣象站屬國家基本測站，由專業人員進行資料觀測、整編，經過主管部門審批，正式刊印，資料可靠。設計暴雨計算采用昭通站短歷時雨量資料，計算設計區域設計暴雨。根據本次收集到的1983、1986、1988—2009年共計24 a的年最大1、6、24 h暴雨系列，采用P-Ⅲ型頻率曲線，對最大1、6、24 h暴雨進行頻率計算，根據《云南省24小時暴雨分區綜合雨型表》得到本區域24 h暴雨歷時分配過程，進而輸入模型進行計算[16-17]。

3.2 現狀河道水情模擬及原因分析

3.2.1現狀河道水情模擬結果

為找出現狀河道存在的問題，需首先分析現狀河道的澇情分布。上游水庫出庫流量過程線作為邊界入流條件，設計降雨過程作為研究區入流條件，采用SWMM模型模擬入流歸槽情形下，骨干河道及其支流5年一遇和10年一遇河道水情和澇情。由于研究區堤防設計標準基本是10年一遇，降雨超過10年一遇時，河道普遍出現漫溢，本次不進行模擬。

根據現狀水系模擬結果可知，當研究區遭遇5年一遇降雨時，除了山丘區和郊區所處的上游段可抵抗5年一遇降雨外，穿越主城區的河道水位大部分超過了河岸高程，出現了河水漫溢及內澇現象，內澇最嚴重的是老城區段，最高水位普遍高于河岸高程。當研究區遭遇10年一遇降雨時，全程河道水位普遍超過河岸高程，出現了河道全程漫溢現象。因此，在現狀條件下，老城區河段達不到5年一遇排澇標準，全流域達不到10年一遇排澇標準。

當研究區遭遇5年一遇降雨時，積水深度大于10 cm的節點有25個，約占研究區總節點數的5.0%，大于30 cm的節點有7個，約占研究區總節點數的1.4%；對于10年一遇降雨，已經遠超城市排水標準，管網內部多呈壓力流，結果表明，地面積水深度大于10 cm的節點有62個，約占節點總數的12.4%。不同降雨重現期積水深度較大的節點數見表3，積水點分布見圖3、4。

表3 不同降雨重現期、不同積水深度的內澇點數

圖3 城市5年一遇積水點分布

圖4 城市10年一遇積水點分布

3.2.2原因分析

根據現場調查及模擬結果分析，現狀水系河道淤積嚴重、堤防薄弱、老城區河道過流不暢，造成城市內澇時有發生。

a) 河道淤積嚴重。研究區水土流失嚴重，造成河床淤積抬升；部分河段居民環保意識淡薄，隨意向河道亂扔垃圾廢料，導致河道淤積，河床抬高，部分河道深度僅為1 m，過水斷面減小，影響了河道的排澇，極其容易發生漫堤現象。

b) 河道堤防薄弱。研究區河道修建于20世紀90年代以前，河堤總體建設零散，呈現新老交替格局，型式、規模上各有差異，其中多數河堤修建年代較早，局部變形和坍塌嚴重，部分河段由于基礎埋深較淺，基礎被水流掏空，坍塌嚴重。

3.2.3現狀問題解決方案

針對河道存在的問題，根據研究區實際情況，提出以下3種河道整治工程方案，分析其對內澇的緩解效果。

a) 方案一：采取低影響開發措施，各分區不透水率降低5%。效果分析：當研究區遭遇5年一遇降雨時，河道水位普遍降低約10 cm，上游及中游河段河水漫溢現象有所緩解，但下游段河道漫溢現象仍然存在；當研究區遭遇10年一遇降雨時，中下游段澇情仍然顯著，斷面0+000至3+841普遍高于河岸或堤防高程0.74 m，最高水位仍超過河岸高程1.3 m以上。因此研究區采取低影響開發措施后，基本能達到5年一遇排澇標準，但是仍然達不到10年一遇排澇標準。

b) 方案二：清淤河道10 cm。效果分析：當研究區遭遇5年一遇降雨時，全流域最高水位普遍下降10 cm，但是仍無法解決中下游段澇情；當研究區遭遇10年一遇降雨時，中下游內澇仍然嚴重。

c) 方案三：以上2個方案同時實施。效果分析：當研究區遭遇5年一遇降雨時，河道水位降低明顯，幾乎沒有漫溢現象；當遭遇10年一遇降雨時，下游段0+000至8+925的中下游河段澇情有所緩解但仍然存在，最高水位仍然超過河岸高程0.5 m以上。

因此，在城市總體規劃條件下，采取低影響開發措施及河道清淤對降低河道水位及緩解澇情有一定幫助，特別對于5年一遇降雨，緩解作用更加明顯；但是對于10年一遇降雨，河水漫溢及內澇現象仍然存在，要想緩解城市內澇，需要進行大規模的河道整治。

3.3 規劃河道水情模擬及分析

3.3.1河道設計思路

根據河道現狀分析和整治要求，制定了研究區主要河道整治的初步方案，為了分析城市總體規劃條件下區域的排澇能力，論證河道設計方案的合理性和可行性，針對規劃河道，模擬5年一遇和10年一遇條件下，管網排水與河道排澇能力。暴雨重現期達到20年一遇時，上游水庫下泄流量顯著增加，增加分析在流域遭遇20年一遇暴雨時，河道水情及安全狀況。

3.3.2模擬結果及分析

按照研究區中心城區規劃土地利用條件和排水管網，由設計暴雨過程、相應的水庫入庫流量過程線，針對河道設計方案，采用SWMM模型模擬河道水情和澇情。

a) 5年一遇水情分析：對于規劃排水管網系統及河道設計方案，由計算結果可知，城市地面基本沒有積水現象，模擬得出5年一遇河道最高水位，顯著低于堤防設計高程，滿足河道排澇要求。

b) 10年一遇水情分析：對于10年一遇降雨所形成的徑流，已經超過管道排水標準，模擬結果表明，積水深度大于10 cm節點有12個，約占城市節點總數的2%。總體說來，地面積水不算嚴重。在地面澇水歸槽情況下，河道最高水位也低于堤防設計高程，滿足10年一遇河道排澇要求。

c) 20年一遇水情分析：當流域遭遇20年一遇暴雨時，暴雨徑流顯著超過管道系統排水能力，水庫下泄最大流量增加到43.9 m3/s。根據SWMM模擬結果，河道沿程最高水位均低于兩岸河岸或堤防高程，河道可以順利地排除水庫下泄洪水及沿河澇水，不會出現漫溢狀況，整體是安全的。

4 結論

a) 本次模型構建考慮到了城市不同下墊面類型、管道排水、地面產匯流等特征，能夠反映城市的性質，模型參數的選擇也符合研究區特征。

b) 運用SWMM模型模擬研究區現狀河道水情，并分析內澇產生的原因，從而提出合理的整治方案，且模擬了整治方案的適用性和可行性，這一思路可為其他城市制定排水防澇規劃提供很好的參考。

c) 傳統的水文計算方法不能適用于復雜河網水文水力計算，更不能模擬城市內澇情形，本次研究表明，SWMM模型在城市排水防澇規劃中具有很好的適用性。