基于SWMM的內澇防治設施的優化改造模擬

萬 堅 （南昌水業集團有限責任公司，江西 南昌 330000）

近年來，我國多數地區的降雨呈現雨期集中，強度加大的特點，并且城市化進程的加快也使得地面下墊面的性質發生變化[1]，洪澇災害的發生更是嚴重影響了居民的日常生活[2]。

目前，國內排水負荷較重，依賴于傳統的市政排水系統的改造和相近的“灰色措施”，不能從根本上解決城市內澇問題。結合國外先進的雨洪管理方面的先進經驗和理論成果[3]，LID的理念和技術[4]體系作為一種可持續城市雨水控制方法，能有效地收集利用雨水資源，顯著降低城市地表徑流，從而減少路面積水。

1 SWMM模型的研究實例

1.1 研究區概化

研究區位于南昌市西北部，地勢西北高、南東低，坡度約為1%～2%，歷年平均年降雨量在1600mm左右，主要用地有：村莊、濕地公園、農田、部分荒地及水庫組成，占地面積約82.32ha。

利用SWMM模型構建研究區雨水系統模型，管網尺寸和埋深等通過實際原有的測繪數據得到，匯水區和坡度等參數通過ArcGIS統計的方法獲取[6]。將研究區域劃分為54個子匯水面積，雨水管線84根，檢查井51個，排水口3個。研究區現狀及概化圖分別見下圖1、圖2。

1.2 模型參數設置

基于SWMM模型原理，參考相關文獻[7]，SWMM用戶操作手冊和實地勘測值確定相關參數。有無滲透性的粗糙系數為0.24和0.012，地面坡度為1%～2%，有無滲透性洼蓄深度分別1.5mm和5mm，管道曼寧系數為0.013；匯流計算采用非線性水庫模型。根據研究區域下墊面的實際情況，確定各子匯水區域的有無洼蓄量不透水地表面積占該區域總面積的百分比，取值在20%～50%。參考國內外研究成果[7]，確定最大、最小入滲率，入滲衰減常數分別為70mm/h，10mm/h，4h-1；采用動態波進行演算。

1.3 模型參數率定

以2017年3月5日的降雨流量的監測數據對SWMM模型進行參數率定，根據降雨監測數據，降雨徑流結果與測定結果如圖3，模擬的徑流量值接近實測數據，流量參數吻合度較高[8]。參數率定采用Monte Carlo法，并用Nash-Sutcliffe系數來評價模擬結果，曲線與監測時間序列的吻合程度，見式（1）。

圖1 研究區現狀圖

圖2 研究區概化圖

式中RNS為納什系數；QS為i時刻的實測值；Qm為i時刻的模擬值；QP為觀測數據的平均值。

納什系數越接近于1，說明模擬結果與監測曲線吻合程度越高；納什系數大于0.7，則表示模擬值與實測值較吻合。本試驗中，率定流量的納什系數為0.948，則率定結果驗證了SWMM模型的可靠性與準確性。

圖3 SWMM模型流量率定結果

2 內澇防治設施的優化改造

2.1 不同降雨條件的設定

本研究旨在分析內澇防治系統的排水能力，故選用南昌地區2012年8月21日至8月22日的典型特大暴雨，以及根據南昌的暴雨強度公式，采用芝加哥雨型生成器[9]，降雨歷時為120min，雨峰系數為 0.35，設計重現 1a、3a、5a、10a、30a、50a。

南昌市降雨強度公式：

其中q為設計暴雨強度（mm/min），P為重現期（a），t為降雨歷時（min）。

2.2 改造措施的選擇

內澇防治設施未優化前，研究區域的透水性地表僅占總面積的22.5%，雨水管徑分別為 DN400，DN600，DN800，未設置雨水調蓄池及相應的大型管渠和泵站設施。

根據《室外排水規范》內澇防治設施的組成[10]，優化改造分為三個層面，進行單一優化比較。雨水系統優化改造措施如下：措施A（源頭控制層面）。通過海綿城市建設，與LID雨水系統的構建，綜合采取“滲”、“滯”、“蓄”、“凈”、“用”、“排”等措施，最大限度地減少城市開發建設對生態環境的影響。由此，對研究區設置LID設施，根據現有的地形條件，對研究區合理敷設雨水花園、綠色屋頂、透水鋪裝、滲渠等LID設施。措施B(雨水管渠層面），研究區屬于老城區，即將參與城中村的改造，并且人口密度不大，也便于雨水管網的改造。將原有管徑DN400，DN600，DN800分別加大至 DN600，DN800和DN1000，同時依據現有條件改變管渠埋深。措施C（排澇除險層面），將極易發生溢流的檢查井J17和J51就地建造成雨水池SU2、SU3，連接的相應管段管徑不發生變化。并且將子匯水S51，即現有水庫，利用現有地勢條件改造成一個大型調蓄池，并用大管渠相連接。

2.3 模擬結果

針對不同設計重現期下的優化改造措施，研究區域雨水系統的溢流特征情況如表1、表2。

未改造前不同重現期下排水能力情況表 表1

不同重現期下雨水口溢流情況分析表 表2

相對于未優化改造前，對比表1數據得表2知，單項優化措施A、B、C均在不同程度上降低了溢流的產生，從而都能在不同程度上緩解城市內澇的發生。分析表2數據，對于措施A、B，在重現期1a、3a、5a 下，溢流節點，溢流時間和溢流總量的削減率均相差0%～6.7%，并且在P=1a、3a時，削減率均為100%，都能保證管段不發生溢流；在P=5a時，溢流節點，溢流時間和溢流總量的削減率分別相差6.7%、0%和3%；在大重現期下，對于溢流的削減率也極其相似，相差都控制在0.8%～7.1%，對于P=10a、30a和50a，對比溢流時間、溢流總量及一六點個數，兩者溢流削減率均保持在50%以上，仍然可以小程度上控制溢流情況，減緩路面積水情況。而對于措施C，僅在重現期為1年一遇時，沒有檢查井節點發生溢流；在P=3a下，相較于措施A、B，溢流的減少相差1.9%～58.8%；而在高重現期下（10a以上），措施C的溢流減少大部分大于措施A、B，削減率高于1.1%～15%，尤其在P=50a時，措施C相比A、B的溢流節點、溢流總量和溢流時間的減少相差較大。由此可見，措施C雖然對各個重現期的雨水溢流也都有減少，但是更適用于大重現期下。當強降雨時，雨水通過大型管渠流向雨水調蓄池中，并滯留在調蓄池中，從而減少路面積水，當需要時，又可將調蓄池中的水調用；但是小重現期，調蓄池對排水系統影響不大，因此溢流情況和改造前相似。所以，對于措施C而言，更適用于大重現期。

相對于不同重現期，措施A、B減緩溢流情況的途徑也不相同。對于LID技術而言，從源頭上做到“滲”、“滯”、“蓄”，從而減少水的徑流，減緩雨量的洪峰時刻，降低徑流系數，從而減少路面積水，防治內澇；對于雨水管渠設施，仍然以“快排”的方式為主，顧名思義，當降雨發生時，雨水以最快的速度通過管渠設施排走，也正是因為這樣，容易使雨水管渠發生淤泥現象，并且維護管理都多有不便。見圖4、圖5徑流過程圖。

圖4 P=1a下措施A、B和C的徑流

圖5 P=50a下措施A、B和C的徑流

結合上圖5分析，措施A和B雖然能在相近程度上減少溢流，改善城市內澇情況。但是相比較于措施B，分別在小重現期（P=1a）和大重現期（P=50a）下，措施A對于徑流量的減少為7.35m3和10.1m3，徑流峰值的延遲分別為7min和33min。對于加大管徑和改變節點高程來說，徑流和系統出流相比較未優化改造前而言并沒有很大改變。因此，措施A的改造方案總體優于措施B，并更有持久性和穩定性。

基于以上分析，提出一種更優化的改造措施——組合措施，將措施A與措施C相結合，對研究區進行就地LID設施增設，并將S51改建成調蓄池，同時增設管渠連接，由于J17點比J51點更易發生溢流，并且J17點在排放口O2附近，所以仍保持J17點的改造。將2012年8月21日至22日的典型暴雨進行連續模擬，對比分析措施A、C組合方案。

顯然，由表3得，組合措施能保證重現期在3年內各節點均不發生溢流。在重現期P=5a降雨條件下，組合措施相比于單項優化措施A、C，比較溢流節點、溢流總量、溢流時間削減率，說明在低重現期下，組合優化的效果與單項措施A相似，并優于措施C。由連續降雨模擬知，對比措施A、C，組合措施在一方面對徑流峰值的減少為2.3m3，1.1m3，同時延緩雨峰時間和措施A、C相比，分別相差6min和11min；另一方面，它也能有效緩解溢流，相較于未改造情況下，削減率分別為41%、85%和76%，減少管渠溢流，防止路面積水，有效防治內澇的發生。由此可知，對于組合優化，不論是在徑流的削減還是溢流情況，兩方面的作用效果都明顯優于措施A、B、C，在各降雨條件下均能有效地防治內澇。

3 結語

①通過單項措施的對比分析，LID技術在加大區域綠化的同時大幅度削減徑流量，顯著起到“滲”和“蓄”；而對于管網“快排”的方式，雖然能大幅度減少溢流情況，但在小雨情形下用途不大，管網也易于淤泥；而對于雨水池和調蓄池，在較大重現期下，對雨水溢流的削減可高達70%以上，對雨水能很好“滯、蓄、用”。LID技術與調蓄池，雨水池及管渠設施的聯用，能充分體現海綿城市建設中“滲、滯、蓄、凈、用、排”的六字方針，結合六位一體，完善內澇防治設施，對城市內澇的治理發揮重要作用。

組合措施溢流情況分析表 表3

②文章模擬了各個層面單項優化改造和一個組合優化，還可以將其進行排列組合，進行另外兩項及以上的優化組合進行模擬，并且也可以計算每一個單項優化的成本和效益，為以后的發展開拓更好前景。