某工業園區降水徑流模擬及雨水管網安全評估

王 瑜,郭眾一

(1.天津市建筑設計研究院有限公司,天津 300074; 2.中國汽車工業工程有限公司，天津 300113)

制造業迅速發展，全國多地規劃新建工業產業園區以滿足對生產企業統一集中管理的需求，其用地性質及相關規劃文件決定了此類工業園區一般具有建構筑物占地面積大、廠房跨度大、綠地率及海綿設施設置率低的特點。因此，這種工業園區開發模式對所在場地徑流條件的影響相較于城市片區開發模式更顯著，具體表現為場地徑流峰值增大、雨水匯流時間減短、降水以“快排”模式進入廠區雨水管網等，從而導致園區內雨水管網系統各節點的運行狀態由波動連續模式逐漸轉換為“空閑-忙碌-空閑”的離散模式。

同時，園區內生產廠房作為工業建筑，在設計階段為保證其結構安全性，屋面坡度一般大于3%，因此雨水匯流時間短，瞬時流量大，多采用虹吸式雨水系統。虹吸雨水排入廠區管網時對系統沖擊較大，會降低雨水系統的安全性，輕則積水內澇，重則影響園區內正常生產，對工業企業造成經濟損失。

綜上所述，工業園區內雨水系統排水安全應得到充分重視。目前，暴雨洪水管理模型(SWMM)在場地徑流模擬[1]、區域水文現狀研究[2]以及海綿城市區域規劃[3]等方面有較多應用，本文以山東青島某工業園區為例，通過應用SWMM模型對園區內雨水管網排水流量進行模擬，對雨水管網的排水安全性進行評估，并給出排水系統優化建議。

1 SWMM模型構建

SWMM模型通過輸入降雨資料、場區管網等條件參數，建立動態的降雨-徑流模型，能夠綜合考慮時變降水以及不同下墊面類型對降水下滲截留的影響[4]，通過參數的調整[5-6]能夠使模型進行數據模擬時表達海綿設施等對徑流產生的影響。

1.1 模型基本參數

經查閱地方氣象資料，該研究區域暴雨強度公式為：

其中，q為設計暴雨強度，L/(s·hm2)；P為設計暴雨重現期，a；t為降雨歷時，min。

本文模型中雨量計輸入數據采用暴雨連續時間序列，模擬雨型采用芝加哥單峰雨型[7]，重現期P=5 a，暴雨歷時120 min，峰值比例r=0.46。本文模型中采用的時間序列降雨數據如圖1所示。

1.2 子匯水分區劃分

根據下墊面類型以及子匯水分區出口節點，將廠區內屋面、道路以及綠地分為28個子匯水分區，保證每個匯水分區內降水都只有一個出口途徑，本文所構建模型的匯水分區劃分示意圖如圖2所示。

1.3 LID設施設置

低影響開發設施(LID)作為海綿城市建設的重要組成部分，能夠在降雨過程中捕獲一定量的表面徑流，進而削弱場地開發對研究區域水文條件的影響。同時，不同LID設施組合還能對雨水徑流污染負荷進行削減[8]，以滿足后續雨水回用單元的處理要求。本文研究范圍內LID設施設有綠色屋頂、透水鋪裝路面、綠地及下沉式綠地和下沉廣場。

其中S21,S22,S23為辦公樓綠色屋頂，徑流系數取0.40，下滲模型選用考慮了降雨初期土壤濕度虧損[9]的修正Green-Ampt法；S4～S11和S16為廠區透水鋪裝路面，LID參數中設置不滲透百分比為40%；S1,S12,S13和S28為廠房屋面，徑流系數取1.0，坡度5%。其余未特別定義的子匯水面積以通用參數配置。

2 降雨模擬及雨水系統評估

2.1 廠區雨水管網降水模擬

依次將廠區內各匯接點內底標高和室外雨水管管徑、標高、管長信息輸入模型，前述時間序列降雨數據載入到模型雨量計中作為各子匯水分區的降雨輸入，對廠區雨水管網進行徑流模擬。圖3為降雨初期局部水位剖面線。

圖3所示為連接匯接點J16,J17,J22和J23的雨水管道在降雨初期的模擬水位線。由圖2可知J16匯接點位于廠區雨水主干管，同時接納經C20雨水管排入的S21～S23的屋面雨水，J16上游干管服務匯水面積大且雨水在管道內流行時間長，屋面雨水經C20雨水管排入J16匯流時間短，水流疊加導致J16水位在一段時間內相較于相鄰匯接點處于較高位置。這種現象在J2,J10,J11,J12和J13這類復雜匯接點都有出現，因此在工業園區的設計過程中，需考慮屋面虹吸雨水排入復雜匯接點時引起匯接點內水位上升的現象，避免高水位造成廠區雨水冒溢。

通過SWMM模型能夠模擬各匯接點雨水流量的匯入情況，選取J2,J6,J10,J16和J22匯接點為研究對象，分析各節點內匯入流量隨時間的變化關系。圖4為上述匯接點的匯入流量統計情況。

如圖4所示，J2,J6,J10匯入流量峰值分別出現在58 min,62 min,70 min處，J6,J10作為下游節點，雨水匯入流量峰值較上游節點有所增加且峰值時間延后。由平面定位可知J2～J6管段為13.4 m，較J6～J10管段的10.1 m距離更長，但J6匯流峰值時刻延后時間為4 min，而J10為8 min。因S5～S10為透水鋪裝路面，其作為海綿設施能夠在一定程度上起到徑流調節的作用，這種對徑流峰值的調控作用也能進一步提高雨水系統的安全性。

2.2 雨水系統安全評估

根據廠區雨水管網降雨模擬結果可知，復雜匯接點內水位常處于較高位置，尤其是J22這類靠近管網末端的節點。圖4中J22匯入流量出現兩個極大值，于64 min達到第一個極值是因右側S28屋面虹吸雨水匯入，早于上游J10的峰值時間；雨水持續自上游匯流至J22，在74 min 又形成第二個極值。與J22類似，J16在接入S21～S23屋面雨 水后隨即上游雨水到達該節點，其匯入流量持續增加達到峰值。

因此，若該類復雜匯接點上游鄰近區域又接入其他屋面虹吸雨水，在雨水重現期進一步加大時，可能會出現雨水冒溢廠區的情況。設計階段應合理劃分匯水區域，避免將接入虹吸雨水等大流量雨水流量節點相鄰布置，并應考慮設置海綿設施等措施以削弱地表徑流對雨水系統的影響，確保雨水系統的良好運行。

3 結論

1)由SWMM模型徑流模擬結果可知，綠色屋頂和透水鋪裝等海綿設施能夠推延下游匯接點達到徑流峰值的時間，有效平衡節點上下游雨水匯入流量，緩解排水系統壓力。

2)通過廠區雨水管網進行徑流模擬，能夠反映各匯水區域尤其是復雜匯接點流量對雨水系統的影響，根據模擬結果進一步優化匯接點位置以及海綿設施布設，為廠區排水系統設計提供有效參考。

3)通過對管段流量進行模擬，選取峰值流量對工程設計進行校核，可以有效分析管網承載能力，保證雨水系統的排水安全性和有效性，避免因廠區內澇造成的損失。