基于SWMM的城市雨水管網優化設計

陳梓遷，田蕾

（中交第二航務工程勘察設計院有限公司，湖北 武漢 430000）

根據設計地區的暴雨強度公式與管網恒定流理論進行排水管網設計計算已經采用多年，而恒定均勻流理論公式假定整個匯水面積上降雨均勻分布，忽略了降雨的時空分布特征；對于地表雨水產匯流路徑等內容的假設較為簡單化，結果難以反映真實產匯流具體路徑；理論公式推導計算洪峰流量適用于較小區域的設計，應用于較大匯水流域時計算精度偏低。SWMM模型主要包括城市暴雨徑流和水質模擬模型，其模擬精度高，適用范圍廣，已在國內外廣泛使用。

1 研究區域雨水管網設計

1.1 研究區域概況

擬建武漢航空企業總部區域地處江漢平原東部，沿線場地地勢起伏較大，自然地面標高一般在21.30～34.80m之間。區域擬建設內容涵蓋市政道路、橋梁、給排水、照明等。本次研究范圍為武漢航空企業總部區域配套工程（四期）景星路至景云路，慶云西路至任凱湖路圍成的地塊（以下簡稱臨空投），見圖1。

1.2 雨水管網初步設計

采用武漢市暴雨強度公式：

式中：q 設計暴雨強度（L/s·ha）；P 設計暴雨重現期（年）；t 降雨歷時（min）；F 匯水面積（ha）。

根據上位資料，設計暴雨重現期取為3年，綜合徑流系數ψ取為0.70，匯流時間取為10min。采用泰勒多邊形法劃分匯水面積，雨水就近匯入臨近管道為原則進行設計計算，對研究區域內景星路、景云路、任凱湖路等12條市政道路下雨水管網進行了初步設計。設計研究區域共計610個雨水檢查井和10個排水口；雨水主干管總長約14980m，兩檢查井間距約為30～120m之間，最小管徑為DN600，最大管徑為DN1800；匯水區域總面積約為163ha。

2 研究區域模型的建立

2.1 SWMM模型簡介

SWMM可以計算模擬城市區域內包括地表蒸發、時變降雨量、融雪和積雪、洼地產生的降雨截留、降雨對地下水的補給、地表徑流演算、降雨污染物輸送等水文過程。SWMM模型自開發以來經歷多個版本的優化更新，本文采用2016年9月發布的SWMM5.1.011。

2.2 研究區域概化

在滿足真實管網水力狀況和模擬計算精度要求下，選取每段管網關鍵性節點，略去不必要的地塊內支狀管網，保留主要的排水管線，提出以下兩種假設：（1）降雨在整個區域上是均勻的，子匯水區域內降雨強度相等。（2）子匯水區域內雨水就近匯入管網節點。

根據臨空投雨水管網初步設計，將研究區域劃分為266個子匯水區，雨水管網概化為125個節點和125段管道，10個雨水排放口。研究區域排水系統概化如圖2所示。

圖1 研究區域范圍示意圖

圖2 臨空投區域排水系統SWMM概化圖

2.3 模型參數的設定

與研究區域匹配是模型參數是保證模型科學準確的前提條件。本文將SWMM模型參數分為可確定性參數和待校準參數。對可確定性參數可通過初步設計資料獲取，其中管道采用鋼筋混凝土管，曼寧系數取0.013。根據區域用地和路網高程規劃，平均坡度計算約為1%。地表漫流寬度選用公式：Witdth=Area/Flow Length。根據相關研究成果，針對不同的土地使用類型確定不透水面積百分比，如表1所示。通過計算可得本研究范圍內平均不滲透面積率為60.61。

對擬建工程項目進行模擬，雖無管網運行實測數據作為驗證，但采用現有的同城市同建設條件區域的經校正的模型參數進行模擬，結果還是基本可靠的。參考SWMM模型手冊中典型取值范圍、不同地表類型徑流和武漢市排水建模的相關文獻，對模型待校準參數進行設定。（1）土壤入滲模型。土壤入滲采用Horton模型，最大入滲速率為50.8mm，最小入滲速率為6.6mm，衰減系數為4h-1。（2）產匯流模型。透水區曼寧系數為0.13，不透水區曼寧系數為0.015；透水區洼蓄量5mm，不透水區洼蓄量1.52mm。匯流模型采用非線性水庫模型。（3）水力模型采用動力波模型。

表1 不同土地利用類型不滲透面積百分比

根據河湖規劃資料，低于最高調蓄水位的排水口有3處，該3處排放口設置拍門，采用固定階段排放模式，其余排放口設置為自由出流模式。

3 排水管網水力模擬

3.1 設計雨型及雨量

采用式（1）暴雨強度公式，雨型采用芝加哥雨型，降雨重現期為P=2年、3年、5年，降雨歷時為120min。根據武漢市排水防澇系統規劃設計標準，雨峰系數r取值如下：P=2年時，r=0.40；P=3年時，r=0.40；P=5年時，r=0.45。設計雨型如圖3所示。

圖3 設計降雨雨型

3.2 模擬結果分析

采用暴雨重現期分別為2年、3年、5年，降雨2h作為初始條件，模擬該研究區域節點積水情況。不同暴雨重現期節點溢流情況如表2所示。

表2 不同重現期下節點溢流情況

模擬結果表明，依據初步設計建立的管網模型，總體上基本滿足3年重現期降雨要求，重現期為5年時積水點增多。在實際情況下，如果節點溢流時間達到1h以上，很有可能在雨水口附近道路處產生路面積水，造成城市內澇。因此在2～5年重現期暴雨強度下，本研究區域無內澇發生。節點有積水產生說明管道超負荷運行，排水能力達不到規范設計文件要求的臨界滿流狀態。在該設計條件下，節點積水時間較小，通過局部管線優化，可達到P=5年的設計降雨負荷。

4 管線優化方案

4.1 調整管道坡度

坡度可以增大管內水流速度，增大管道過流能力。以初步設計為基礎的模型上，調整管道坡度會改變下游管道埋深，為保證調整最少管道坡度的原則下，忽略管道變徑處非管頂平接帶來的不利水力條件影響，對調整管道坡度后再次進行模擬，模擬結果如表3所示。

表3 管道坡度調整與節點積水時間

根據模擬結果分析可知，通過調整管道坡度增大管道過水能力的方法，對減小短時間積水的節點效果頗為明顯，對長時間積水的節點效果有限。由管網系統可知，J25、J100和J118節點位于其排水系統前端，J99、J41、J63和J113位于其排水系統末端，因下游管網過水能力的限制和水位頂托作用，調整位于排水系統前端管網的坡度對降低其積水時間影響較小，而下游管線管徑一般較大，調節能力強，調整坡度可以形成“快排”的效果，對位于排水系統末端的管網效果顯著。

4.2 改變管道管徑

增大管徑可以擴大過水斷面，增大管道過流能力。以初步設計為基礎的模型上，為保證調整最少管道管徑的原則下，分別就擴大一級管徑進行研究，管道原則上采用管頂平接。對調整管道管徑后再次進行模擬。由表5可知，擴大下游管道的管徑可顯著減小積水時間，防止城市內澇的發生。

4.3 優化措施及效果

節點積水時間受周邊用地屬性、管徑、坡度和管道粗糙系數等因素的影響。研究區域用地性質已確定，下墊面參數基本固定。通過調整管道材料，改變管道粗糙系數以增加水流速度縮短節點積水時間的效果不是很明顯。本研究區域調整管道管徑和管道坡度是解決節點積水的主要方法。根據以上分析結果，將管網系統中位于末端的大口徑管段調整坡度，靠近前端小口徑管道擴大管徑，這樣不僅經濟合理且水流順暢。具體措施如下：J25、J100和J118節點對應的下游管道G79、G80、G81、 G111由初設設計的D600擴大為D800，J99對應的下游管道G78由1.0‰調整為1.5‰，J41和 J63對應的下游管道G102 和G31由3.0‰調整為3.5‰，J113對應的下游管道G101由1.5‰調整為2.0‰。將調整模型再次運行，所有節點均無積水產生。

表5 管道管徑調整與節點積水時間

5 結語

采用傳統恒定均勻流理論和泰勒多邊形法劃分匯水面積設計計算雨水管網基本可以滿足城市排澇要求。利用傳統計算手段和同地區的SWMM參數構建雨水管網模型，可用作對管網設計的校核和優化。

在對雨水管網的模擬中，分別研究調整管道坡度和管徑對節點積水時間的影響，得出調整管徑對降低節點積水時間更為明顯。通過對節點上下游管網關系進行分析，得出位于管網前端的節點積水主要是因為下游管道管徑偏小，節點水流不暢所致；位于管網末端的節點積水主要是因為管道水力坡度偏小，管道雍水所致。通過優化前端和末端管網的管徑以及坡度，設計重現期為3年的雨水管網系統，可以滿足設計暴雨重現期P=5年的排水要求。