基于SWMM的水冶工業(yè)區(qū)降雨徑流模型模擬研究初探

李巖　徐嘉洋

摘 要：為研究某水冶生產(chǎn)區(qū)的降雨面源污染，基于水文、水力學(xué)原理，基于SWMM暴雨徑流模型，采用芝加哥雨型對(duì)研究區(qū)的暴雨公式進(jìn)行降雨時(shí)程分配，將研究區(qū)地面概化為不透水區(qū)、無(wú)洼蓄透水區(qū)域，在瞬時(shí)徑流系數(shù)計(jì)算模型的基礎(chǔ)上，結(jié)合SCS下滲模型，考慮截留、下滲等損失，模擬了研究區(qū)地表產(chǎn)流過(guò)程，同時(shí)利用徑流推理公式模擬了研究區(qū)地表匯流過(guò)程。

關(guān)鍵詞：SWMM模型;降雨重現(xiàn)期;降雨模擬;產(chǎn)匯流模擬

中圖分類(lèi)號(hào)：P333.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2020）06-0009-02

水冶生產(chǎn)區(qū)雨水面源污染具有來(lái)源的復(fù)雜性、發(fā)生時(shí)間的不確定性、排放污染物的偶然性和隨機(jī)性等顯著特點(diǎn)，這是由于影響雨水面源污染主要取決于降雨這一動(dòng)因以及徑流這一遷移載體這兩大影響因素。利用數(shù)值模擬技術(shù)對(duì)水冶生產(chǎn)區(qū)降雨徑流過(guò)程進(jìn)行模擬是研究水冶生產(chǎn)區(qū)面源污染規(guī)律的關(guān)鍵。本文以SWMM（storm water management model，暴雨洪水管理模型）為基礎(chǔ)，建立了水冶生產(chǎn)區(qū)的降雨徑流模擬模型，為揭示水冶工業(yè)區(qū)面源污染提供一定的技術(shù)支持。

1 SWMM模型介紹

美國(guó)環(huán)保署開(kāi)發(fā)的SWMM模型作為一個(gè)動(dòng)態(tài)的降雨—徑流模型，可以模擬單場(chǎng)次降雨雨洪過(guò)程及水質(zhì)情況。該模型可模擬完整的降雨、下滲、蒸發(fā)、徑流和污染物的運(yùn)動(dòng)過(guò)程。

2 研究區(qū)域降雨模擬構(gòu)建

設(shè)計(jì)典型雨型是降雨模擬不可或缺的基本要素，根據(jù)國(guó)內(nèi)外多年研究表明Huff雨型、YC雨型、PC雨型、KC雨型均為比較接近實(shí)際雨型的設(shè)計(jì)雨型，上述雨型均通過(guò)雨型公式推算相應(yīng)的降雨過(guò)程線(xiàn)。有研究表明，芝加哥雨型具有較好的適用性，降雨過(guò)程模擬可適用于不同降雨歷時(shí)的降雨。

2.1 芝加哥模型降雨過(guò)程線(xiàn)

芝加哥模型以統(tǒng)計(jì)的暴雨強(qiáng)度公式為基礎(chǔ)提出設(shè)計(jì)降雨過(guò)程。在我國(guó)排水管渠設(shè)計(jì)中，暴雨強(qiáng)度公式一般采用“（1）”形式：

2.2.1不同雨型條件下降雨

本文模擬了三種不同雨峰位置同頻率的雨型，雨峰位置分配在0.4、0.5、0.6處。根據(jù)同頻率不同雨型降雨時(shí)程分配圖分析得知，同頻率不同雨型降雨前期約10min的時(shí)間段幾近形同，但隨著雨峰位置不同，中間段降雨時(shí)程分配有著較大的變化，雨峰靠前，前期雨量較多，對(duì)污染物沖刷相對(duì)較強(qiáng)，而且通過(guò)相關(guān)文獻(xiàn)資料，短歷時(shí)降雨的雨峰大多靠前，因此，在后續(xù)的產(chǎn)匯流模擬中采用雨峰r=0.4的降雨雨型作為模擬雨型。

2.2.2同雨型不同頻率降雨

采用當(dāng)?shù)乇┯旯剑O(shè)計(jì)重現(xiàn)0.25a、0.5a、1a、2a、3a、5a、10a一遇的120min降雨，研究雨峰r=0.4的降雨過(guò)程。表1為不同重現(xiàn)期下降雨量參數(shù)表。

根據(jù)不同雨型同頻率降雨時(shí)程分配圖可見(jiàn)，同雨型不同頻率降雨平均雨強(qiáng)、最大降雨強(qiáng)度、累計(jì)降雨量、時(shí)間段內(nèi)降雨量隨著重現(xiàn)期不同呈正比例的增長(zhǎng)。

2.3凈雨情景設(shè)計(jì)

2.3.1 凈雨模擬

本模擬結(jié)合在水冶生產(chǎn)區(qū)實(shí)際監(jiān)測(cè)的8場(chǎng)降雨，根據(jù)各降雨場(chǎng)次監(jiān)測(cè)記錄，以平均雨強(qiáng)作為模擬條件，模擬這8場(chǎng)次降雨。各場(chǎng)次降雨參數(shù)見(jiàn)表2。

2.3.2凈雨模擬與同步降雨監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比

如前所述在水冶生產(chǎn)區(qū)進(jìn)行降雨的同步監(jiān)測(cè)，由于自動(dòng)雨量計(jì)雖然能夠按分鐘記錄降雨數(shù)據(jù)，但是記錄值精度較小，造成在某些間隔段數(shù)據(jù)為零的現(xiàn)象，為對(duì)比降雨模擬數(shù)值與實(shí)際監(jiān)測(cè)降雨是否體現(xiàn)實(shí)際降雨，我們將無(wú)數(shù)據(jù)的值之間進(jìn)行內(nèi)插處理，得出該場(chǎng)次監(jiān)測(cè)時(shí)段的累計(jì)降雨值，將其與模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。為減少數(shù)據(jù)處理量，選擇監(jiān)測(cè)期四類(lèi)分別為15年7月17小雨、15年5月15日中雨、15年5月27日大雨、15年7月1日暴雨，這四場(chǎng)次的同步監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)累計(jì)降雨量進(jìn)行對(duì)比，可知降雨模擬與實(shí)測(cè)值基本相近，即降雨模擬與實(shí)際降雨雖然有一定差異，但其時(shí)程分配、變化過(guò)程具有一定的相同性。

3產(chǎn)匯流模擬構(gòu)建

3.1 排水子區(qū)域概化劃分

根據(jù)水冶區(qū)的地形和雨水匯水的特性，將水冶生產(chǎn)區(qū)場(chǎng)地內(nèi)部地表產(chǎn)流概化為3個(gè)排水子區(qū)即中部南側(cè)排水子區(qū)、中部北側(cè)排水子區(qū)、西北排水子區(qū)。

3.2 產(chǎn)匯流模擬

產(chǎn)匯流模擬利用當(dāng)?shù)乇┯陱?qiáng)度公式結(jié)合芝加哥暴雨時(shí)程分配進(jìn)行計(jì)算，其中產(chǎn)流的損失采用徑流系數(shù)進(jìn)行合成模擬，而匯流采用排水規(guī)范推薦的推理公式結(jié)合等流時(shí)線(xiàn)法進(jìn)行合成模擬。結(jié)合在水冶生產(chǎn)區(qū)布置的監(jiān)測(cè)點(diǎn)位進(jìn)行產(chǎn)匯流模擬。

3.2.1產(chǎn)流模擬

監(jiān)測(cè)點(diǎn)位4個(gè)其中，QU-1、QU-4監(jiān)測(cè)點(diǎn)位所處排水子區(qū)域概化為透水地面A3，而QU-2、QU-3監(jiān)測(cè)點(diǎn)位處于排水子區(qū)域概化為無(wú)洼蓄的不透水地面A2。

通過(guò)對(duì)無(wú)洼蓄透水區(qū)及不透水降雨及凈雨各場(chǎng)次降雨模擬圖可知，在小雨強(qiáng)降雨過(guò)程無(wú)洼蓄透水區(qū)產(chǎn)流在降雨峰值之前損失較多，大多入滲至透水區(qū)地表，一般在降雨5min～10min后，形成產(chǎn)流;不透水區(qū)域降雨產(chǎn)流損失相對(duì)較少，一般在降雨5min左右形成產(chǎn)流，在雨峰后基本降雨產(chǎn)流無(wú)損失，全部產(chǎn)生徑流。隨著降雨強(qiáng)度增強(qiáng)后，無(wú)洼蓄透水區(qū)產(chǎn)流損失越來(lái)越小，與透水區(qū)一樣基本在降雨5min后快速形成產(chǎn)流。即隨著降雨強(qiáng)度增加、降雨歷時(shí)增加，透水區(qū)域與不透水區(qū)域產(chǎn)流愈來(lái)愈相近。

3.2.2匯流模擬

匯流采用排水規(guī)范推薦的推理公式法進(jìn)行模擬，通過(guò)對(duì)各監(jiān)測(cè)場(chǎng)次、處于無(wú)洼蓄透水區(qū)域點(diǎn)位以及處于不透水區(qū)域點(diǎn)位的徑流（總深）模擬可知，最終徑流形成的結(jié)果與產(chǎn)流密不可分，不透水區(qū)域產(chǎn)生的徑流大于無(wú)洼蓄透水區(qū)域的徑流，而在產(chǎn)流條件相同條件，匯水區(qū)域的大小是左右徑流大小的關(guān)鍵，匯水面積大的區(qū)域徑流大于匯水面積小的區(qū)域徑流。

4 結(jié)語(yǔ)

利用SWMM模型對(duì)凈雨過(guò)程進(jìn)行了合成模擬，同時(shí)與同步監(jiān)測(cè)的雨量數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，采用芝加哥雨型對(duì)降雨過(guò)程進(jìn)行合成模擬的結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)基本接近。

徑流監(jiān)測(cè)試驗(yàn)區(qū)同步監(jiān)測(cè)的13場(chǎng)次有效降雨，經(jīng)產(chǎn)流模擬在無(wú)洼蓄透水地表的點(diǎn)位在小雨模式下基本在5～10min左右形成產(chǎn)流，地面發(fā)生匯流;而在透水地表的點(diǎn)位在小雨模式下一般在5min后形成產(chǎn)流，地面發(fā)生匯流，但當(dāng)在高于中雨強(qiáng)模式下，由于雨強(qiáng)的增加，透水地表下滲迅速達(dá)到飽和基本與不透水地表在相同時(shí)段5min后形成產(chǎn)流，但產(chǎn)流量小于透水地表。經(jīng)匯流模擬，在產(chǎn)流條件相同下，匯水區(qū)面積是最終控制總徑流深的關(guān)鍵，而產(chǎn)流是影響匯流的最為關(guān)鍵的因素，在無(wú)洼蓄透水地表點(diǎn)位整體徑流深小于透水地表點(diǎn)位，在產(chǎn)流條件相同下，點(diǎn)位處于匯水面積大的形成的徑流深大于匯水面積小的點(diǎn)位。