龍?zhí)飕| 李 怡 徐 煒

(1.重慶交通大學(xué) 國(guó)家內(nèi)河航道整治工程技術(shù)研究中心水利水運(yùn)工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 重慶 400074；2.重慶交通大學(xué) 河海學(xué)院， 重慶 400074)

SWMM在某市雨洪分析中的應(yīng)用

龍?zhí)飕|1,2李 怡1,2徐 煒1,2

(1.重慶交通大學(xué) 國(guó)家內(nèi)河航道整治工程技術(shù)研究中心水利水運(yùn)工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 重慶 400074；2.重慶交通大學(xué) 河海學(xué)院， 重慶 400074)

本文利用SWMM模型，通過(guò)資料收集、劃分匯水區(qū)、概化排水管網(wǎng)、模型參數(shù)設(shè)置等步驟建立了研究區(qū)域的降雨-徑流模型，模擬了重現(xiàn)期為1年、5年、10年以及研究區(qū)域下墊面不同透水面積情況下的雨洪過(guò)程。模擬結(jié)果表明：提高城市下墊面透水率對(duì)于改善城市雨洪過(guò)程有一定的效果，可以減少溢流節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)、降低溢流節(jié)點(diǎn)淹沒(méi)時(shí)長(zhǎng)以及出水口的峰值流量，這種作用在低重現(xiàn)期降雨時(shí)更為顯著。

SWMM模型； 雨洪分析； 水文模擬； 海綿城市

1 概 述

在城市化進(jìn)程中，下墊面的過(guò)度硬化使得雨水無(wú)法自然下滲，地表徑流大量聚集形成積水，尤其是在強(qiáng)降雨情況下，硬化的下墊面無(wú)法滯留雨水，導(dǎo)致雨水徑流的匯集速度加快，洪峰流量增大，出現(xiàn)時(shí)間提前。同時(shí)，排水設(shè)施老化陳舊，排水管網(wǎng)淤塞、設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)偏低，“逢雨必澇”的窘境無(wú)法解決。海綿城市建設(shè)是我國(guó)解決城市水問(wèn)題的新探索和新思路，是雨洪利用理論的創(chuàng)新和發(fā)展，是新時(shí)期治水思路的補(bǔ)充和完善[1]。通過(guò)海綿城市的建設(shè)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)雨洪資源的有效利用，利用生態(tài)的手段解決城市存在的水資源短缺、旱澇災(zāi)害頻繁發(fā)生等問(wèn)題。

降雨徑流過(guò)程模擬可以描述流域?qū)μ囟ń涤赀^(guò)程的動(dòng)力反應(yīng)，即徑流歷時(shí)過(guò)程。本文采用概念性降雨徑流模型分析某市的降雨徑流反應(yīng)。概念性模型概化、量化流域內(nèi)的各種水文機(jī)制，也稱流域水文模擬。

2 SWMM模型介紹

本次分析將應(yīng)用SWMM(Storm Water Management Model)模型進(jìn)行流域水文模擬。SWMM模型是美國(guó)環(huán)保署(US Environmental Protection Agency, US EPA)為設(shè)計(jì)和管理城市雨洪而研制的一個(gè)綜合性分布式水文模型。它可以模擬完整的城市降雨徑流和污染物運(yùn)動(dòng)過(guò)程，包括地表徑流和排水系統(tǒng)中的水流、雨洪等調(diào)蓄處理過(guò)程、水質(zhì)影響評(píng)價(jià)等[2]。模型輸出可以顯示系統(tǒng)內(nèi)各點(diǎn)的水流和水質(zhì)狀況。SWMM模型適用于規(guī)劃、設(shè)計(jì)和實(shí)際操作，是一個(gè)運(yùn)用相當(dāng)廣泛的城市暴雨徑流水量、水質(zhì)模擬和預(yù)報(bào)模型[2]。

SWMM模型將各個(gè)集水區(qū)的地表徑流視為非線性水庫(kù)，聯(lián)合求解連續(xù)方程和曼寧公式。地表徑流被全部導(dǎo)入排水管道系統(tǒng)。如果排水管道系統(tǒng)的通過(guò)能力不足，排水系統(tǒng)的水流模擬機(jī)制則在相應(yīng)井口(檢查井或入流口)體現(xiàn)溢流，即內(nèi)澇。在SWMM模型中，井口溢流時(shí)的井口水位為該井口的頂沿，而溢出的水量將被暫時(shí)“存儲(chǔ)”。當(dāng)排水系統(tǒng)的通過(guò)能力恢復(fù)時(shí)，存儲(chǔ)的溢出水量將被釋放回系統(tǒng)。因此，井口處出現(xiàn)滿水位通常意味著溢流發(fā)生，盡管不排除井口剛好達(dá)到滿水位的偶然情況。該模式計(jì)算高效，廣泛應(yīng)用于城市排水管網(wǎng)運(yùn)行分析及土地利用類型改變前后水文過(guò)程的改變和對(duì)比[3]。

3 模型構(gòu)建

3.1 研究區(qū)域概況

該研究區(qū)域位于山谷低洼帶，四周高中間低，西部臨河，河流由北向南流經(jīng)研究區(qū)域。該區(qū)域面積約64.7hm2，其中，林地、耕地等透水面積約占3/5，房屋和路面等不透水面積約占2/5。該區(qū)域河流屬于山區(qū)雨源型河流，洪水均由暴雨形成。研究區(qū)發(fā)生降雨時(shí)雨水由自然沖溝、街邊明(暗)溝、雨水管直接排入河流。

根據(jù)SWMM模型的應(yīng)用要求，結(jié)合研究區(qū)域現(xiàn)狀管網(wǎng)資料，將研究區(qū)域劃分為11個(gè)子匯水區(qū)，其排水管網(wǎng)概化為16條雨水主干管線、16個(gè)節(jié)點(diǎn)、1個(gè)出水口，見圖1。

圖1 研究區(qū)域示意圖

3.2 模型參數(shù)設(shè)置

本文分析考慮以下主要水文機(jī)制：降雨、降雨損失、地表匯流、排水系統(tǒng)(溝渠、管道等)水流，參數(shù)主要結(jié)合研究區(qū)域?qū)嶋H狀況和SWMM用戶手冊(cè)進(jìn)行取值。根據(jù)填洼量的建議取值范圍，不透水地表的填洼量采用5mm，透水地表的填洼量采用10mm?？紤]到常規(guī)情況，模擬中考慮日均蒸發(fā)量，假設(shè)其為均勻量，取2.5mm。本文分析采用格林—安普特(Green-Ampt)模型計(jì)算雨水下滲，設(shè)置初始虧損、吸入水頭和導(dǎo)水率三個(gè)參數(shù)。降雨損失考慮地表填洼、蒸發(fā)、下滲。由于動(dòng)力波方法能夠體現(xiàn)溝、管內(nèi)的回水效果，本文分析采用動(dòng)力波方法模擬排水溝、管內(nèi)的水流。為簡(jiǎn)化起見，所有降雨—徑流模擬均忽略前期降雨的影響。

3.3 模擬情景設(shè)定

3.3.1 不同重現(xiàn)期的設(shè)計(jì)降雨過(guò)程

利用暴雨強(qiáng)度公式[4]和芝加哥雨型公式[5]可以建立步長(zhǎng)為5min的短歷時(shí)(2h)設(shè)計(jì)降雨。為了研究不同重現(xiàn)期暴雨的雨洪過(guò)程差別，利用暴雨強(qiáng)度公式求出重現(xiàn)期分別為1年、5年、10年，歷時(shí)為2h的降雨量，采用芝加哥雨型公式合成降雨情景，降雨的時(shí)間間隔為5min。降雨過(guò)程線如圖2所示。

圖2 不同重現(xiàn)期2h設(shè)計(jì)降雨

3.3.2 不同的下墊面條件

為了研究改善下墊面條件對(duì)城市暴雨洪水過(guò)程的影響，分別模擬研究區(qū)域在現(xiàn)狀下墊面條件下的雨洪過(guò)程，以及在現(xiàn)狀條件基礎(chǔ)上分別增加10%、20%透水面積后的雨洪過(guò)程。

4 結(jié)果分析

利用所建立的SWMM模型模擬計(jì)算不同下墊面條件在重現(xiàn)期為1年、5年、10年，降雨歷時(shí)為2h的設(shè)計(jì)降雨條件下的城市雨洪過(guò)程。模擬總時(shí)長(zhǎng)為5h，結(jié)果時(shí)間步長(zhǎng)取5min。圖3展示了不同重現(xiàn)期降雨、

圖3 不同重現(xiàn)期降雨條件下出水口流量過(guò)程

重現(xiàn)期淹沒(méi)節(jié)點(diǎn)數(shù)/個(gè)出水口最大流量/(m3/s)節(jié)點(diǎn)J5淹沒(méi)時(shí)長(zhǎng)/hⅠⅡⅢⅠⅡⅢⅠⅡⅢ1年6630836082608060480400315年87608530845084209007906410年876086508530845113104092

注 Ⅰ為現(xiàn)狀下墊面條件；Ⅱ?yàn)樵黾?0%透水面積的下墊面條件；Ⅲ為增加20%透水面積的下墊面條件。

現(xiàn)狀下墊面條件下出水口的流量過(guò)程，圖4展示了各重現(xiàn)期降雨時(shí)不同下墊面條件下出水口的流量過(guò)程。其余模擬結(jié)果見上表。

由圖3和上表可知，隨著降雨重現(xiàn)期的增大，出水口流量有了明顯增加，各重現(xiàn)期相較前一個(gè)重現(xiàn)期的峰值流量分別增加了2%、1.4%。這種情況不僅體現(xiàn)在峰值流量上，也體現(xiàn)在整個(gè)雨洪過(guò)程中。研究區(qū)域內(nèi)淹沒(méi)的節(jié)點(diǎn)數(shù)增加以及節(jié)點(diǎn)淹沒(méi)持續(xù)時(shí)間的延長(zhǎng)，說(shuō)明降雨的增大使得城市的內(nèi)澇加重，現(xiàn)有的排水系統(tǒng)顯然在強(qiáng)降雨時(shí)無(wú)法滿足城市排水需求。

由圖4和上表得知，下墊面條件的改變對(duì)于降雨徑流過(guò)程也有很大的影響。在重現(xiàn)期為1年的降雨條件下，透水面積的增加可以有效減少淹沒(méi)節(jié)點(diǎn)數(shù)，縮短節(jié)點(diǎn)淹沒(méi)持續(xù)時(shí)間，降低出水口的峰值流量。隨著重現(xiàn)期增大，這種改善效果不再明顯，但不能忽略。

圖4 不同重現(xiàn)期不同下墊面的出水口流量過(guò)程

5 結(jié) 語(yǔ)

海綿城市的建設(shè)是將雨洪資源作為水資源進(jìn)行管理和利用，推翻了傳統(tǒng)的將雨洪排出、避免災(zāi)害的城市防洪排澇思維。利用SWMM模型模擬了不同情景下的城市雨洪過(guò)程，發(fā)現(xiàn)不同的下墊面透水面積在不同降雨重現(xiàn)期下對(duì)于出水口的峰值流量、城市的內(nèi)澇情況都有著一定程度的影響。對(duì)于暴雨頻發(fā)、內(nèi)澇嚴(yán)重、排水系統(tǒng)改造困難的城區(qū)，應(yīng)該積極采用措施改善地表透水率，比如有選擇性地增設(shè)綠地、鋪設(shè)透水路面等。同時(shí)，降雨重現(xiàn)期越小，透水率改變帶來(lái)的效果越明顯，但被淹沒(méi)節(jié)點(diǎn)仍然存在。海綿城市的建設(shè)能夠在中小型降雨過(guò)程中，減輕城市防洪排澇的壓力，加快城市地表排水速度，緩解“逢雨必澇”的現(xiàn)象。因此，應(yīng)該在增加透水率的同時(shí)采用更多的方法，比如增設(shè)濕地、雨水調(diào)蓄池等蓄水設(shè)施，多管齊下，真正改善城市內(nèi)澇頻發(fā)的局面。

[1] 張旺，龐靖鵬. 海綿城市建設(shè)應(yīng)作為新時(shí)期城市治水的重要內(nèi)容[J]. 水利發(fā)展研究，2014(9)：5-9.

[2] 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)，2012，48(3)：276-280.

[3] 周思斯，杜鵬飛，逄勇.城市暴雨管理模型應(yīng)用研究進(jìn)展[J].水利水電科技進(jìn)展，2014，34(6)：89-97.

[4] 北京市市政工程設(shè)計(jì)研究院.給水排水設(shè)計(jì)手冊(cè)：第5冊(cè).城鎮(zhèn)排水[M].2版.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2004.

[5] 張大偉，趙冬泉，陳吉寧，等.芝加哥降雨過(guò)程線模型在排水系統(tǒng)模擬中的應(yīng)用[J].給水排水，2008，34(Z2)：354-357.

Application of SWMM in rain flood analysis of one city

LONG Tianwei1,2, LI Yi1,2, XU Wei1, 2

(1. Chongqing Jiaotong University National Inland Waterway Regulation Engineering Technology Research CenterWaterResourcesWaterwayEngineeringMinistryofEducationKeyLaboratory,Chongqing400074,China;2.ChongqingJiaotongUniversityHehaiCollege,Chongqing400074,China)

In the paper, SWMM model is utilized. Rainfall-runoff model is established in the studied area through data collection, catchment area division, generalization of drainage pipe network, model parameter setup and other steps. Rain and flood process of underlying surfaces under different permeable area conditions with return period of 1 year, 5 years and 10 years as well as study area are simulated. The simulation results show that the improvement of city underlying surface permeable rate has certain effect for improving urban rain-flood process. The number of flood overflow node can be reduced; overflow node flooding duration and the peak value flow capacity of water outlet can be shortened. The function is more prominent during rainfall at low return period.

SWMM model; rain flood analysis; hydrological simulation; sponge city

10.16616/j.cnki.10-1326/TV.2016.06.001

TV213.9

A

2096- 0131(2016)06- 0001- 04