應用SWMM對意式風情區排水管網防澇分析

張鵬

（天津市水務綜合行政執法總隊，天津 300074）

1 意式風情區概況

意式風情區位于天津市河北區海河沿線，緊鄰天津站交通樞紐，是天津乃至全國唯一的以意大利建筑風格為主的區域，曾經是意大利租借地，現為4A級風景區。該區域屬于溫帶大陸性季風氣候，雨水主要集中在6—8月，其降雨量約占全年的75%。

意式風情區占地面積約28.45 hm2，地面標高平均為3 m左右，地勢平坦，平均坡度在0.1‰～0.3‰。該區域內雨水管道總長度為6368 m（除支管長度外），合流管道總長度為4566 m，污水管道管徑為400～600 mm，雨水管道管徑不超過1000 mm，有檢查井2000余座、出水口3個［1］。

由于意式風情區特殊的歷史原因，區域內管道管徑相對較小，合流制管道與分流制管道并存，且管道設計標準低，不能滿足現有雨水排放的需要。該地塊內建筑物比較多，而且道路以景觀石材道路為主，這就減弱了下墊面的滲水能力，增加了排水管網瞬時排水壓力，壓縮了峰現時間，并且加大了地表徑流量的峰值，以至于在暴雨情況下排水管道溢流、積水現象時常出現。

2 水力模型簡介及降雨過程線計算

2.1 SWMM水力模型簡介

暴雨管理模型（SWMM）于1969—1971年由美國環保署（EPA）資助開發，標志著城市排水計算機建模的開端。該模型主要用于模擬城市降水與徑流的動態變化，分析單一降水事件或者中長期的水質變化規律。SWMM根據排水系統的水流特性，將系統劃分為地表徑流和管網匯流兩部分，通過使用非線性水庫模型和圣維南方程來模擬［2］。目前，該模型主要應用于城市防洪排澇的規劃和優化方面。

2.2 降雨過程線計算

本文采用芝加哥合成降雨過程線法，結合天津市暴雨強度公式來計算模擬研究區域的降雨情況。根據《天津市雨水徑流量計算標準》，參考流域分區及暴雨特點，意式風情區所在的河北區屬于第Ⅰ分區，其所對應的天津市暴雨強度公式為：

式中：q為設計暴雨強度[L/（s·m2）]；t為降雨歷時（min）；P為設計重現期（a）。

雨水管渠的降雨歷時t按下式計算：

式中：t1為地面集水時間（min）；t2為管渠內雨水流行時間（min）。

3 管道排水能力分析

選取重現期P為1、3、5、10、30、50 a不同降雨強度，降雨歷時為120 min，分別對管道排水能力進行模擬，得到不同重現期管道超載及積水情況，詳見表1。由表1可以看出，重現期1 a的降雨，部分路段出現超載，個別節點有少量積水；隨著降雨量的增加，超載管道隨之增加，積水節點數及積水超過0.5 h的節點明顯增多，積水深度呈階梯型遞增。當重現期為3 a時，積水超過0.5 h的節點超過50%，出現成片積水；當重現期達10 a時，已經有一半數量的管段發生超載，積水成片現象大面積出現，且退水緩慢。因此，意式風情區整體排水管網設計標準偏低，不能負荷暴雨及特大暴雨。

表1 不同重現期管道超載及節點積水情況

由于意式風情區建成年代久遠，根據當時的排水量和技術水平，大部分雨水管道的設計年限在1～3 a。其中，設計重現期為1 a的管道有4865 m，占76%；設計重現期為3 a的管道有850 m，占14%；設計重現期為5 a的管道只有653 m，占10%。從這些數據明顯看出，排水管道設計標準低是影響該地區降雨時管道排瀝能力的主要原因。因此，降雨時易產生內澇。

4 積水節點分析

根據模擬結果可知，在各個重現期內發生積水節點最早、積水最多的路段都在建國道上，在遇到10 a以上大暴雨時，這些積水節點溢流時間都超過1 h。在2018年7月23日天津特大暴雨中，該路段的積水最為嚴重且退水時間很長，甚至發生井蓋頂托現象。下面，以建國道作為典型積水區域進行模擬，分析積水原因。

4.1 積水點分析

不同重現期建國道上積水節點數目的統計情況，詳見表2。由表2可知，在不同重現期條件下，隨著降雨量的增大，積水節點個數也在遞增，積水面積增大，并且發生積水的時間在提前，積水消退的時間在延長。這些都會造成積水面積增大，積水時間持久，極易發生內澇。根據模擬結果得出易發生積水且積水時間最長、積水深度最深的節點都集中在建國道上，這也與實際情況相符。

表2 不同重現期建國道積水節點數

4.2 積水管段分析

選取建國道排水管段進行某一重現期的模擬運行，重現期P為10 a，步長為10 min。由于數據眾多，本文只選取具有代表性的6個節點、6段管段和1個排水口進行排水分析。6個節點包括Y57、Y58、Y59、Y60、Y61、Y62，6段管段包括YPCK3—Y60、Y60—Y59、Y59—Y58、Y58—Y57、Y57—Y62、Y62—Y61，排水口為YPCK3。降水30 min時，建國道排水管段水位剖面線如圖1所示。該圖展示了建國道排水管道水位在降雨過程中的動態變化。

圖1 降水30 min時建國道排水管段水位剖面線

在降雨的前10～20 min，隨著降雨量的增加，管內流量增加，排水口附近接近滿載；降雨30 min，雨量持續增大，管道全線溢流，除節點Y60外，其他節點均積水；降雨40 min，即將到達雨峰，節點全部積水，管道全線溢流；降雨60 min，管道溢流達到最大值，節點全部積水；降雨80 min，管道溢流在下降，積水開始消退，但是節點還全部積水；降雨120 min，降雨結束，沒有管道溢流，但是管道內還是超載，節點積水還未完全消退。

5 管道超載分析

通過模擬分析發現，區域內多條管道出現長時間的超載和溢流，嚴重影響整個排水系統的運行［3］。不同重現期管道超載情況詳見表3，由表3可以看出，重現期越大，管道超載越嚴重，積水的道路越多。

表3 不同重現期管道超載情況統計

分析超載管道溢流原因如下：進步道為管徑1650 mm的大型雨水管道，由于多條道路雨水匯集于此，瞬時流量增大，造成超載。雖然管道內超載，但是由于過水能力強沒有造成溢流或者積水。而建國道、民生路、民族路、民主道路段由于管徑小，只有600 mm，所以在同樣降水情況下，管道無法承受超過設計很多的水流量，超過承載負荷造成溢流。

通過對意式風情區排水管網的模擬分析，得出建國道、民生路易積水路段及積水點位。這為今后制定意式風情區防汛預案以及在日常排水設施養護中將其作為重點防控對象，防止內澇發生提供了數據支撐。

6 防澇改造措施

6.1 改變排水體制

合流制管道已經不能適應快速發展的社會需求。意式風情區屬于4A級景區，有很多保護建筑，近期暫時無法進行分流制改造，但雨污分流是徹底改造排水系統的必然趨勢［4］。

6.2 改造原有管道

改造管道一般為改變管道管徑，將原有的小管徑管道更換為大管徑管道，增加斷面流量，從而提高排瀝能力，避免內澇的發生［5］。由于意式風情區為重點景區，且比鄰天津站樞紐，周圍交通繁忙，且多為單行路，大面積破路施工會造成交通擁堵。所以，改造管線必須分批進行，且要與交通、道路等多部門協調后方可施工。

6.3 增加調蓄池

在積水路段增設雨水調蓄池，可以緩解部分排水管網的排水壓力和路面積水問題。意式風情區由于條件和地理位置所限，不能進行大范圍的排水管網改造，因此增設調蓄池是可行的辦法。

雨水調蓄池位置選址，應根據調蓄目的、排水體制、管網布置、溢流管下游水位高程和周圍環境等因素綜合考慮后確定。通過計算，可在建國道易發生積水的節點Y62點位建設1個深5 m、底面積8 m2的調蓄池。該處附近存在綠地，除需砍伐部分樹木外，幾乎無破拆量且不需要重新征地。使用模型模擬增加調蓄池后，周圍節點水位正常，未發生積水情況。因此，設置雨水調蓄池能有效改善該地區積水內澇問題且易于施工。該措施適合意式風情區。

7 結論

以意式風情區為例，利用水力模型模擬不同重現期內管網排水能力并進行節點積水分析、管道超載分析，得出主要結論如下。

（1）意式風情區整體排水管網設計標準偏低，不能負荷暴雨及特大暴雨，易發生積水。

（2）建國道、民生路等易發生管道超載和節點積水，這為今后制定意式風情區防汛預案和找準重點防控對象提供了數據支撐。