程 偉 王宏峰* 諶志濤

(1.華中科技大學(xué)文華學(xué)院城市工程建設(shè)學(xué)部，湖北武漢 430074;2.華中科技大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，湖北武漢 430074;3.中信建筑設(shè)計(jì)研究總院有限公司深圳市政分公司，廣東深圳 518000)

0 引言

近年來(lái)，我國(guó)大中城市頻繁發(fā)生漬水事件，造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失及社會(huì)影響［1］，這也暴露出城市雨水管道設(shè)計(jì)上存在著許多不足，為了對(duì)暴雨雨水進(jìn)行有效的管理和控制，必須對(duì)降雨過(guò)程中地表積水、徑流以及管道過(guò)流量進(jìn)行更加深入的認(rèn)識(shí)、科學(xué)的預(yù)測(cè)，對(duì)整個(gè)管道系統(tǒng)進(jìn)行模擬分析，尋找到最優(yōu)化的設(shè)計(jì)方案。

SWMM(Storm Water Management Model，暴雨洪水管理模型)是一個(gè)動(dòng)態(tài)的降水—徑流模擬模型［2］，有學(xué)者從降雨徑流總量以及降雨徑流過(guò)程兩方面來(lái)驗(yàn)證SWMM，所得誤差在可接受范圍之內(nèi)［3］，說(shuō)明該模型適用性很強(qiáng)。因此本文采用SWMM為模擬工具［4］，選取典型平坦區(qū)域進(jìn)行研究，對(duì)不同設(shè)計(jì)暴雨重現(xiàn)期和管道布置方式條件下管道系統(tǒng)的排水能力進(jìn)行分析，對(duì)比兩種管道布置方式的優(yōu)劣，來(lái)為管道優(yōu)化設(shè)計(jì)提供技術(shù)支撐。

1 模型構(gòu)建

1.1 模擬區(qū)域選取

選取武漢市青山區(qū)南干渠區(qū)域作為雨水管道模擬計(jì)算區(qū)域，該區(qū)域總匯水面積720 hm2，地勢(shì)平坦，平均高程為22 m，地面平均坡度為2‰，排水體制為雨污分流，現(xiàn)狀管道多為1 m以上的管道或明渠。

采用垂直和水平兩種管道布置形式對(duì)該區(qū)域進(jìn)行雨水管道方案設(shè)計(jì)，得到兩種方案的模擬節(jié)點(diǎn)圖，具體布置如圖1所示。

1.2 參數(shù)選擇

1)模型選擇。

Horton下滲模型和Green-Ampt下滲模型是常用的地面產(chǎn)流計(jì)算模型，而Green-Ampt下滲模型對(duì)土壤資料要求較高［5］，本區(qū)域土壤資料不夠齊全，因此采用Horton下滲模型進(jìn)行計(jì)算。

2)區(qū)域參數(shù)選擇。

根據(jù)典型區(qū)域的特點(diǎn)，無(wú)洼蓄量的不透水地表占總不透水地表的50%。透水地表和不透水地表的洼蓄量分別取5.0 mm，2.0 mm。透水面、不透水面、管道的曼寧系數(shù)分別取0.100，0.010，0.020。

3)暴雨強(qiáng)度公式。

采用2000年漢口暴雨強(qiáng)度公式:

式中:q——暴雨強(qiáng)度，L/(s·ha);

P——設(shè)計(jì)暴雨重現(xiàn)期，分別取 P=1年，P=1.5年，P=2年，P=5年，P=10年;

t——集水時(shí)間，min。

圖1 雨水管道SWMM模擬節(jié)點(diǎn)圖

4)其他設(shè)計(jì)參數(shù)。

兩種布置方案所采用的管材均為鋼筋混凝土管，管徑按標(biāo)準(zhǔn)管徑選取，最小管徑取為600 mm，圓管的最大直徑取1 800 mm，超過(guò)即采用箱涵，其他設(shè)計(jì)參數(shù)均相同。如徑流系數(shù)0.77;折減系數(shù)2.0;明溝折減系數(shù)1.2;地面集流時(shí)間15.00 min;管道連接方式:管頂平接;最小覆土深度0.70 m;最大凍土深度0.80 m。

1.3 雨量資料選取

排水管網(wǎng)系統(tǒng)的模擬一般采用設(shè)計(jì)暴雨作為雨量資料進(jìn)行分析［6］，但本文結(jié)合實(shí)際情況，為更好的了解實(shí)際的管網(wǎng)排水能力，從武漢氣象局提供的10場(chǎng)暴雨中選取瞬時(shí)降雨強(qiáng)度最大的實(shí)際雨量資料對(duì)兩個(gè)方案進(jìn)行模擬，更有針對(duì)性，降雨歷時(shí)數(shù)據(jù)如圖2所示。這場(chǎng)暴雨歷時(shí)10 h，其中第5 h的時(shí)候出現(xiàn)瞬時(shí)最大暴雨強(qiáng)度116.4 mm/h，總降雨量達(dá)到190 mm，達(dá)到5年一遇的暴雨，接近特大暴雨。

圖2 降雨歷時(shí)曲線

2 結(jié)果分析

2.1 節(jié)點(diǎn)漬水情況分析

在前文所述的實(shí)際暴雨情況下，分別對(duì)兩種管道布置形式在P=1年時(shí)的管網(wǎng)排水能力進(jìn)行分析，結(jié)果表明兩種布置形式均發(fā)生了漬水現(xiàn)象，現(xiàn)對(duì)垂直式布置方式中發(fā)生漬水的管道1(DN600)和管道2(DN800)進(jìn)行過(guò)流能力分析，得出兩根管道的流量歷時(shí)變化圖和排水容量歷時(shí)變化圖，具體見(jiàn)圖3和圖4。

圖3 管道流量歷時(shí)變化

圖4 管道容量歷時(shí)變化

由設(shè)計(jì)資料可知，管道1和管道2的設(shè)計(jì)管道過(guò)流能力分別是0.235 m3/s和0.494 m3/s，由圖3可知，在降雨進(jìn)行4 h之后，管道的流量開(kāi)始迅速增加，到達(dá)5 h時(shí)管道1和管道2的流量分別達(dá)到了0.4 m3/s和0.8 m3/s，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了其設(shè)計(jì)流量，由圖4可以看出，在接近5 h的時(shí)候，管道的排水容量已經(jīng)達(dá)到了極限，發(fā)生漬水現(xiàn)象。在8 h以后緩慢降下來(lái)，這是由于降雨后期，降雨強(qiáng)度減小，地面徑流減少，雨水管網(wǎng)中流量降低。

許多學(xué)者也采用SWMM對(duì)管道的實(shí)際過(guò)流能力進(jìn)行了分析，李彥偉等［7］提出改變節(jié)點(diǎn)高程和增大管徑這兩種方式進(jìn)行管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)，發(fā)現(xiàn)增大管徑效果較為理想，而增大設(shè)計(jì)管徑可以通過(guò)提高設(shè)計(jì)暴雨重現(xiàn)期來(lái)實(shí)現(xiàn)，因此，要提高設(shè)計(jì)管道的過(guò)流能力，就要提高設(shè)計(jì)暴雨重現(xiàn)期，使之達(dá)到暴雨的排水要求，這樣才能有效減少漬水現(xiàn)象的發(fā)生。

2.2 重現(xiàn)期及布置方式的影響

采用 P=1年，P=1.5年，P=2年，P=5年，P=10年的重現(xiàn)期，在暴雨條件下對(duì)兩種管道布置形式的管網(wǎng)排水能力分別進(jìn)行模擬分析，管網(wǎng)的漬水情況如表1所示。

由表1可知，當(dāng)管網(wǎng)的設(shè)計(jì)暴雨重現(xiàn)期P=1年時(shí)，垂直式管道布置方式有92個(gè)檢查井發(fā)生了漬水現(xiàn)象，而水平式管道布置方式有59個(gè)檢查井發(fā)生漬水，這是由于垂直式布置方式在管網(wǎng)前段管徑都比較小，只有在主干管上管徑增加幅度很大，在暴雨來(lái)臨時(shí)，主干管一旦滿流，支管必然發(fā)生漬水，發(fā)生漬水的檢查井較多，而水平式管道布置方式由于有多條平行的干管，分擔(dān)了主干管的排水壓力，漬水節(jié)點(diǎn)數(shù)相對(duì)較少，但最大漬水時(shí)間與垂直式相比基本一樣，同樣滿足不了暴雨的排水要求。

表1 暴雨條件下管網(wǎng)漬水情況

隨著重現(xiàn)期的提高，兩種方案的漬水節(jié)點(diǎn)數(shù)明顯下降，如圖5所示，但垂直式的下降速度更快，到P=2年時(shí)，只有12%的檢查井發(fā)生漬水，水平式則有25%的檢查井發(fā)生漬水，這說(shuō)明在平坦區(qū)域，垂直式管道布置方式隨著重現(xiàn)期的提高可以有效減少檢查井漬水的數(shù)目，提高管道整體排水能力，同時(shí)減少由于漬水所產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)損失和其帶來(lái)的社會(huì)影響。

圖5 漬水節(jié)點(diǎn)數(shù)占總節(jié)點(diǎn)數(shù)的百分比分布圖

3 結(jié)論與展望

1)在氣象局提供的典型暴雨條件下設(shè)計(jì)雨水管道P=1年時(shí)兩種布置方式均發(fā)生漬水，不能滿足排水要求。

2)根據(jù)實(shí)際的漬水情況可以看出:垂直式的管道布置方式隨著重現(xiàn)期的提高，漬水明顯減少，因此，在平坦區(qū)域提高設(shè)計(jì)暴雨重現(xiàn)期后，雨水管道采用垂直式布置方式更加合理。

3)要減少管網(wǎng)漬水現(xiàn)象，除管道布置合理外，還需提高設(shè)計(jì)暴雨重現(xiàn)期，增加設(shè)計(jì)雨水管道的過(guò)流能力。

［1］ 趙旭雯，張敏芳.“十二五”城市排水系統(tǒng)建設(shè)的探討［J］.水工業(yè)市場(chǎng)，2012(8):7-27.

［2］ Rossman L A.Storm water management model user’s manual(Version 5.0).2004.

［3］ 張 倩，蘇保林，袁軍營(yíng).城市居民小區(qū)SWMM降雨徑流過(guò)程模擬——以營(yíng)口市貴都花園小區(qū)為例［J］.北京師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2012(3):276-281.

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

［5］ 王 祥，張行南，張文婷，等.基于SWMM的城市雨水管網(wǎng)排水能力分析［J］.三峽大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2011(1):5-8.

［6］ 劉興坡，劉遂慶，李樹(shù)平，等.基于SWMM的排水管網(wǎng)系統(tǒng)模擬分析技術(shù)［J］.給水排水，2007(4):105-108.

［7］ 李彥偉，尤學(xué)一，季 民，等.基于SWMM模型的雨水管網(wǎng)優(yōu)化［J］.中國(guó)給水排水，2010(23):40-43.