王 祥 張行南,2 張文婷,2 張 濤

(1.河海大學(xué)水文水資源學(xué)院,南京 210098;2.河海大學(xué)水資源高效利用與工程安全國家工程研究中心,南京 210098)

排水管網(wǎng)作為城市不可缺少的重要基礎(chǔ)設(shè)施,是城市排漬、排澇、防洪的重要工程.隨著城市化進展不斷加快,排水管網(wǎng)所承擔(dān)的排水任務(wù)也越來越重.在很多城市,現(xiàn)有的排水管網(wǎng)由于修建年代久遠(yuǎn)、設(shè)計排水能力偏低、城市下墊面變化等因素的影響,已經(jīng)不能滿足日益增加的排水需求.面對這一問題,很多城市在進行排水管網(wǎng)的重新設(shè)計和改造,以便能滿足城市的排水需求.運用計算機技術(shù),建立適合的模型,可以對管網(wǎng)的排水能力進行模擬.通過模擬,為實際管網(wǎng)設(shè)計和改造提供依據(jù).在此背景下,本文運用暴雨管理模型(Storm Water Management Model,簡稱SWMM模型)對南京市雨花區(qū)寧南片區(qū)在設(shè)計暴雨條件下的排水能力進行了模擬.

1 SWMM模型介紹

城市暴雨管理模型是美國環(huán)保局于1971年提出的,由麥特卡夫-埃迪有限公司、佛羅里達大學(xué)和美國水資源有限公司3個單位聯(lián)合研制的一個比較完善的城市暴雨雨水的水量水質(zhì)預(yù)測和管理模型. SWMM已經(jīng)歷幾次更新,目前己開發(fā)至SWMM 5[1]. SWMM模型是典型的排水管網(wǎng)模型,由產(chǎn)流模型、匯流模型和管網(wǎng)水動力模型組成,能夠進行城市地區(qū)雨水的水量和管網(wǎng)排水能力模擬計算[2].

在SWMM匯流模型中,地面用于計算入滲損失和地表產(chǎn)流有3種模式,分別是Horton(霍頓)、Green-Ampt(G-A)和SCS-CN(曲線數(shù)).3種不同模式之間有一定差別,其中Green-Ampt模式對土壤資料要求很高,SCS模式只反映流域下墊面狀況不反映降雨過程而只適用于大流域,在城市小流域降雨徑流模擬中經(jīng)常采用Horton模式,因此本文采用Horton模式.在SWMM管道匯流演算中,采用了修正非線性運動波近似,其計算水文過程,使用了連續(xù)方程(1)曼寧公式(2)

2 研究區(qū)域模型的構(gòu)建

模型中必要的輸入是地表面積、子匯水區(qū)域?qū)挾?、地表坡度、曼寧粗糙系?shù)、入滲率、管道長度、管道管徑等系列資料.為了對研究區(qū)域管網(wǎng)排水能力進行評價,首先對研究區(qū)域進行模型構(gòu)建.研究區(qū)域位于江蘇省南京市雨花區(qū)的寧南片區(qū),面積為950.28 hm2,平均坡度為4.67%,其中住宅區(qū)面積占28%,道路面積占9.98%,其它土地和綠地面積占62.02%.研究區(qū)域排水系統(tǒng)如圖1所示.

圖1 研究區(qū)域排水系統(tǒng)

2.1 子匯水區(qū)域的劃分

在使用SWMM進行模擬時,首先需要對模型的計算區(qū)域進行分塊,即將整個匯水區(qū)劃分成若干子匯水區(qū),并對每個子匯水區(qū)的水文特征性進行概化.在城市當(dāng)中,實際存在著真實的子匯水區(qū)域,但是由于城市自身的特點以及城市化發(fā)展對下墊面條件的改變,確定其真實子匯水區(qū)域比較困難.子匯水區(qū)域的合理確定,能夠使得模型的模擬結(jié)果更加契合實際情況.為了能夠較好的劃分子匯水區(qū)域,并且在盡量簡化模型輸入數(shù)據(jù)而保證其模擬精度的前提下,本文通過道路和研究區(qū)域DEM相結(jié)合的辦法,運用ArcGis水文分析(Hydrological Analysis)功能自動劃分匯水區(qū),然后結(jié)合土地利用圖,在人工合并和調(diào)整下,最終完成子匯水區(qū)域的劃分.在子匯水區(qū)域確定后,利用ArcGis中的地統(tǒng)計模塊,計算出每一子匯水區(qū)域的坡度、面積、等SWMM模型所需要的參數(shù),為可靠和快速建立模型提供了保障[3].

2.2 雨量資料的選取

采用SWMM模型進行模擬,雨量資料很重要,反映真實降雨過程的雨量資料能夠有效提高模型模擬精度.不同地區(qū)氣候有差異,從而導(dǎo)致降雨類型有差別,降雨分布規(guī)律適合于哪一種曲線,這需要在大量的統(tǒng)計分析的基礎(chǔ)上總結(jié)出來.目前常用的合成暴雨模型方法有Huff法,CHM法(也稱KC法),PC法和YC法[4].在國內(nèi)適用性較好的合成暴雨模型為芝加哥合成暴雨過程線(CHM法),它是由Clint J.Keifer和Heny Hsin Chu在芝加哥進行雨水管網(wǎng)系統(tǒng)研究時,提出的一種合成暴雨過程線.近年來,我國很多地區(qū)通過對暴雨資料的觀測整理,提出了適合各個地區(qū)的暴雨強度公式.通過查閱相關(guān)資料,根據(jù)南京氣象研究院提出的南京地區(qū)暴雨強度公式,選取研究區(qū)域的暴雨強度公式為

式中,q為平均暴雨強度(L/(s?hm2));P為設(shè)計降雨重現(xiàn)期(a);t為降雨歷時(min).

在我國,雨水管網(wǎng)的設(shè)計重現(xiàn)期一般選用1～3 a,對于重要地區(qū),一般選用2～5 a[5].為了檢驗管網(wǎng)在不同頻率暴雨下的排水能力,利用式(3)求出重現(xiàn)期P=0.25a、0.5a、1a、2a、5a、10a暴雨強度分布圖,如圖2所示.根據(jù)暴雨強度值,求出對應(yīng)頻率下的降雨過程線.模擬中降雨采用的時間間隔為5min,降雨歷時為1h,計算出對應(yīng)頻率下降雨量分別為34.14 mm、45.71 mm、57.28 mm、68.85 mm、84.14 mm、95.71mm.

圖2 不同頻率下暴雨強度分布圖

3 模擬結(jié)果分析

分析研究區(qū)域管網(wǎng)排水能力,主要選取檢查井和管道的相關(guān)模擬結(jié)果.模型結(jié)果時間序列為每5 min讀取一次,總的時間為6h.

3.1 檢查井分析

檢查井產(chǎn)生積水,是由于管網(wǎng)中排水負(fù)荷過大,有可能超過其最大排水能力,因此檢查井中水深可以作為反映管網(wǎng)排水能力的一個指標(biāo).圖3是檢查井節(jié)點J1-J108連接C13、C18、C46三段排水管網(wǎng)在10年一遇暴雨情形下某一時刻檢查井和管網(wǎng)中的水深,從圖中可以看出管網(wǎng)排水狀況.

圖3 水位高程剖面圖

研究區(qū)域有109個檢查井,每個檢查井都有最大允許水深,超過最大允許水深雨水容易溢出.在不同頻率暴雨條件下,根據(jù)模擬結(jié)果,可以得出每一檢查井節(jié)點最大水深發(fā)生時間和持續(xù)時間.實際檢查井有兩種情況,一種是連接單一管道,另一種連接多段管道.表1是在不同頻率暴雨條件下,連接單一管道和多段管道的檢查井J24和J18最大水深開始時間、平均水深和最大水深持續(xù)時間統(tǒng)計表.圖4是檢查井J18在P=10 a設(shè)計暴雨條件下,水深變化圖.從統(tǒng)計結(jié)果中看出,在不同暴雨情形下,J24和J18的最大水深發(fā)生時間大致相同.這主要由于采用暴雨資料所設(shè)計的雨型峰值集中在前幾分鐘,從而導(dǎo)致檢查井中最大水深發(fā)生在10 min左右.對比二者最大水深持續(xù)時間和平均水深,J18都遠(yuǎn)大于J24.存在這種差別主要是J24中入流主要是由子匯水區(qū)域中雨水通過地面徑流進入管道,J18中除了匯水區(qū)域入流外,還有其它多段管道的匯流.評價研究區(qū)域管網(wǎng)排水能力, J18類型檢查井可以作為重要依據(jù).在P=0.25 a、0.5a、1a、2a、5a、10 a情形下,得出時間超過1h的檢查井占總數(shù)的比例分別為14.7%、17.4%、23.9%、32.1%、38.5%、41.3%,其中最長持續(xù)時間接近2 h.最大水深持續(xù)時間超過1 h的這部分檢查井連接的管網(wǎng)對研究區(qū)域的排水起到局限作用,在進行管網(wǎng)改造時,這部分管網(wǎng)是改造重點.

圖4 檢查井J18水深圖

表1 J24和J18積水時間

3.2 排水管網(wǎng)分析

檢查井中的結(jié)果對管網(wǎng)情形有一定的反映,但是詳細(xì)狀況應(yīng)該進行管網(wǎng)中的水流狀態(tài)分析后獲得.研究區(qū)域有管道108段,總長度約為31km.管道中水流在滿流狀態(tài)下持續(xù)的時間稱為管道滿流時間,管道滿流時間可以反映管網(wǎng)排水負(fù)荷,當(dāng)滿流時間較長時,在地面可能產(chǎn)生嚴(yán)重積水,說明管網(wǎng)排水能力不足.在P=0.25a、0.5a、1a、2a、5a、10a情形下,管道滿流時間各不相同,表2是管道滿流時間分布區(qū)間表.

表2 管道滿流時間 (單位:min)

續(xù)表2 管道滿流時間 (單位:min)

結(jié)合表2,可以看出研究區(qū)域管網(wǎng)在不同頻率設(shè)計暴雨情形下,隨著降雨強度的增加,管道滿流時間變長,數(shù)目增多.從統(tǒng)計結(jié)果來看,在P較小時,研究區(qū)域有20.4%的管道滿流時間較長,隨著P增大,有57.4%的管道滿流時間較長.這57.4%的管道對研究區(qū)域管網(wǎng)排水起到了局限作用,找出這部分管道,結(jié)合管道各項參數(shù)和在排水管網(wǎng)中所處的位置,可以發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生這種情況的主要原因是匯水面積較大、管道管徑和坡度較小.如主排水管道C56,管徑只有400 mm,坡度僅有0.002,但是卻承擔(dān)著幾個子匯水區(qū)域的匯流.

通過模擬,可以看出研究區(qū)域現(xiàn)有管網(wǎng)存在的問題,主要由于一些管道排水能力的不足,從而影響整個區(qū)域的排水,在大的暴雨情形下,這種不足表現(xiàn)得更加明顯.在實際的管網(wǎng)改造當(dāng)中,可以針對這些管網(wǎng)具體的狀況,提出相應(yīng)的改善方案.

4 結(jié) 論

本文給出了在不同頻率設(shè)計暴雨情形下,研究區(qū)域管網(wǎng)排水能力的變化情況,為實際確定管網(wǎng)排水能力,提供了參考依據(jù).研究發(fā)現(xiàn),該區(qū)域管網(wǎng)在設(shè)計暴雨重現(xiàn)期較小時,能夠滿足排水要求,但是當(dāng)降雨重現(xiàn)期變大時,特別當(dāng)P增加至5a或者10a時,管網(wǎng)中有57.4%的管道滿流時間較長,這樣容易導(dǎo)致雨水漫溢,產(chǎn)生淹沒.統(tǒng)計出存在問題的這部分管網(wǎng),結(jié)合實際所需排水要求,可以提出針對性的改善方案.

[1] USEPA.SWM M Homepage[EB/OL].http://www. epa.gov/ednnrmrl/swmm/.

[2] Jang S M Cho.Using SWMM as a Tool for Hydrologic Impact Assessment[J].Desalination,212(1-3):344-356.

[3] 張洪剛.概念性水文模型多目標(biāo)參數(shù)自動優(yōu)選方法研究[J].水文,2002,2:12-16.

[4] 岑國平,沈 晉,范榮生.城市暴雨徑流計算模型的建立和檢驗[J].西安理工大學(xué)學(xué)報,1996,12(13):184-225.

[5] 周玉文,趙洪賓.排水管網(wǎng)理論與計算[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2000.