李延亮

（甘肅省華亭縣城市設(shè)施管理所，甘肅 平?jīng)?744100）

基于SWMM的某城區(qū)現(xiàn)狀排水能力分析

李延亮

（甘肅省華亭縣城市設(shè)施管理所，甘肅 平?jīng)?744100）

為得到某城區(qū)現(xiàn)狀管網(wǎng)的排水能力，采用SWMM模型，通過(guò)收集研究區(qū)排水管網(wǎng)資料并進(jìn)行簡(jiǎn)化，建立模型，劃分子匯區(qū)；采用徑流系數(shù)來(lái)率定模型參數(shù)，并對(duì)率定參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證。接著，對(duì)研究區(qū)在不同降雨條件下的現(xiàn)狀管網(wǎng)排水能力進(jìn)行模擬分析，找到發(fā)生內(nèi)澇的關(guān)鍵因素。從而，為有的放矢地治理該城區(qū)內(nèi)澇提供了科學(xué)的依據(jù)。

地下綜合管廊；天然氣管道；設(shè)計(jì)

0 引言

隨著近年來(lái)我國(guó)城鎮(zhèn)化速度的加快，城鎮(zhèn)的規(guī)模迅速擴(kuò)張，改變了城鎮(zhèn)原有的下墊面類型，雨、污水管網(wǎng)等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)跟不上城鎮(zhèn)發(fā)展的需要，防洪標(biāo)準(zhǔn)偏低，管網(wǎng)排水、排污能力嚴(yán)重不足，加之全球變暖、極端天氣頻發(fā)，導(dǎo)致城市內(nèi)澇問(wèn)題在短時(shí)強(qiáng)降雨等天氣發(fā)生時(shí)頻繁出現(xiàn)[1、2]。城鎮(zhèn)內(nèi)澇首先會(huì)造成了大面積的交通癱瘓，對(duì)地鐵、地下室、地下商場(chǎng)，以及低洼地段等處的各種建筑和設(shè)施帶來(lái)嚴(yán)重的影響，幾乎每年均有城市內(nèi)澇引發(fā)人員傷亡事件發(fā)生[3、4]。因此，為了減輕和消除城鎮(zhèn)內(nèi)澇問(wèn)題，對(duì)城鎮(zhèn)現(xiàn)有排水管網(wǎng)的排水能力進(jìn)行科學(xué)的計(jì)算是十分必要的?，F(xiàn)以某城區(qū)為例，通過(guò)收集研究區(qū)排水管網(wǎng)資料并進(jìn)行簡(jiǎn)化，建立研究區(qū)的SWMM模型，劃分了子匯區(qū)；采用徑流系數(shù)來(lái)率定模型參數(shù)，并對(duì)率定參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證。接著，對(duì)研究區(qū)在不同降雨條件下的現(xiàn)狀管網(wǎng)排水能力進(jìn)行模擬分析，找到發(fā)生內(nèi)澇的關(guān)鍵因素。從而，為有的放矢地治理該城區(qū)的內(nèi)澇問(wèn)題提供科學(xué)的依據(jù)。

1 SWMM模型

暴雨雨洪管理模型（Storm Water Management Model，簡(jiǎn)稱為SWMM）是模擬城市暴雨動(dòng)態(tài)降水徑流的模型。它可以模擬降雨、蒸發(fā)、積雪、融雪、洼地截留、下滲、地下水交互、坡面匯流，以及低開(kāi)發(fā)效果等水文現(xiàn)象；還可以模擬降雨或其他水流在管道、渠道、蓄分水建筑物管網(wǎng)、渠系中的回水、溢流、逆流、地面積水等流態(tài)。在SWMM中將每個(gè)子匯區(qū)域作為蓄水池，降雨和上游子匯區(qū)流出是流入項(xiàng)，入滲、蒸發(fā)、地標(biāo)產(chǎn)流是流出項(xiàng)，積水、地表濕潤(rùn)和截留水量是蓄水量。當(dāng)流入大于蓄水量時(shí)，地表產(chǎn)生徑流，通過(guò)下式計(jì)算：

式中：W為流域固有寬度，S為地表坡度，d為子匯區(qū)水深，dp為子匯區(qū)最大蓄水深度，n為曼寧粗糙系數(shù)。

在 SWMM模型中，采用 Horton方程、Green-Ampt入滲模型和曲線數(shù)等三種方法來(lái)模擬降雨入滲。Horton方程通過(guò)設(shè)定最大和最小滲入速率，來(lái)描述在長(zhǎng)期降雨過(guò)程中，速率的變化規(guī)律和飽和土壤被排干的歷時(shí)；Green-Ampt入滲模型通過(guò)土壤初始含水量、導(dǎo)水率和濕潤(rùn)峰吸入水頭等參數(shù)來(lái)模擬降雨垂直入滲的過(guò)程；曲線數(shù)法通過(guò)輸入曲線數(shù)和飽和土壤被排干歷時(shí)等參數(shù)并根據(jù)累計(jì)降雨和剩余能力函數(shù)來(lái)表示土壤的下滲能力。

在SWMM模型中，采用穩(wěn)定波、運(yùn)動(dòng)波和動(dòng)力波來(lái)計(jì)算排水管網(wǎng)中的水體流態(tài)。其中，動(dòng)力波法可以計(jì)算超封閉管道負(fù)荷的有壓流，超節(jié)點(diǎn)水深時(shí)的水流運(yùn)動(dòng)問(wèn)題，能模擬管網(wǎng)蓄水量變化、回水、進(jìn)出口損失、逆流和有壓流等，適用環(huán)狀閉合管網(wǎng)及有轉(zhuǎn)向器的情況。

2 研究區(qū)SWMM模型的建立

2.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于丘陵區(qū)，地勢(shì)高低起伏，無(wú)外排河流，總面積156 hm2，其中建筑物面積52 hm2，約占研究區(qū)面積的1/3，道路23.2 hm2，約占研究區(qū)面積的 14.87%，綠化 3.5 hm2，約占研究區(qū)面積的2.24%，其他77.3 hm2，約占研究區(qū)面積的49.55%。研究區(qū)屬溫帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū)，夏季高溫多雨，冬季寒冷干燥，多年平均降雨量700～1 000 mm，年平均降雨37 d，歷史最大降雨量1 570 mm。研究區(qū)建筑物密集，硬化鋪裝路面多，綠化面積偏低，下墊面鋪裝比例高，徑流大?，F(xiàn)有排水管網(wǎng)按2 a一遇設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)超標(biāo)準(zhǔn)洪水只能依賴泵站排水，泵站排澇能力不足，山水沖擊管網(wǎng)、高低水混排，雨水系統(tǒng)管徑小，部分管道淤塞嚴(yán)重。

2.2 模型及參數(shù)

通過(guò)收集研究區(qū)排水管網(wǎng)的坐標(biāo)、高程、管徑等資料，對(duì)管道長(zhǎng)度、管徑、水流方向和高程等信息提取。由于排水管網(wǎng)較為復(fù)雜，加之少量管網(wǎng)資料的缺失，且其主要研究的系現(xiàn)狀排水能力，故對(duì)管網(wǎng)中管徑小于0.2 m的管線不予考慮，僅將管徑超過(guò)0.4 m，長(zhǎng)度小于20 m的管道設(shè)為節(jié)點(diǎn)，道路兩側(cè)管線單獨(dú)計(jì)算。管網(wǎng)概化為136個(gè)節(jié)點(diǎn)，135段管道，排放口1個(gè)。根據(jù)研究區(qū)內(nèi)排水流域的實(shí)際匯流情況，節(jié)點(diǎn)的分布情況，將研究區(qū)分為135個(gè)子匯區(qū)（見(jiàn)圖1），并根據(jù)管網(wǎng)概化情況建立各子匯區(qū)的關(guān)系。運(yùn)用地理信息技術(shù)，根據(jù)匯水區(qū)的面積、坡度、不透水面積比例等，采用泰森多邊形法對(duì)子匯區(qū)進(jìn)行劃分和邊界修正。模型的參數(shù)取值如表1所列。

圖1 研究區(qū)子匯區(qū)劃分及管段、節(jié)點(diǎn)圖

表1 模型計(jì)算參數(shù)取值一覽表

2.3 參數(shù)率定

參數(shù)的率定方法采用芝加哥降雨過(guò)程線合成短中長(zhǎng)期重現(xiàn)期降雨，利用中期重現(xiàn)期降雨對(duì)參數(shù)進(jìn)行校準(zhǔn)，參數(shù)若滿足綜合徑流系數(shù)的范圍即是合理的。因?yàn)檠芯繀^(qū)缺少出口的實(shí)測(cè)流量數(shù)據(jù)，無(wú)法進(jìn)行模擬與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比率定，對(duì)此采用徑流系數(shù)來(lái)率定模型參數(shù)，并根據(jù)研究區(qū)實(shí)測(cè)降雨和內(nèi)澇點(diǎn)的情況對(duì)率定參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證。研究區(qū)的平均不滲透系數(shù)為77.5%，平均坡度為2.4%。根據(jù)《城市排水手冊(cè)》不同匯水區(qū)的綜合徑流系數(shù)按表2進(jìn)行區(qū)分。

表2 不同匯水區(qū)的綜合徑流系數(shù)一覽表

根據(jù)表2可知研究區(qū)屬建筑稠密地中心區(qū)，參考SWMM管理手冊(cè)和研究資料，將表1的參數(shù)作為初始值帶入模型中，通過(guò)參數(shù)調(diào)整使研究區(qū)的綜合徑流系數(shù)在0.6～0.8之間，得到率定參數(shù)如表3所列。

表3 模型計(jì)算參數(shù)率定后取值一覽表

將率定后的參數(shù)按照重現(xiàn)期5 a和10 a進(jìn)行降雨模擬得到綜合徑流系數(shù)分別為0.6和0.63，屬于上面得出的研究區(qū)為建筑稠密地中心區(qū)的綜合徑流系數(shù)范圍。另外根據(jù)研究區(qū)在2013年6月28日6時(shí)至8時(shí)發(fā)生降雨量為90.7 mm的暴雨情況，研究區(qū)多處橋洞發(fā)生內(nèi)澇，積水嚴(yán)重。將這次暴雨資料輸入到率定參數(shù)后的模型中，得到模型的計(jì)算出的主要內(nèi)澇點(diǎn)的水深與該區(qū)在這次暴雨中內(nèi)澇點(diǎn)的實(shí)際水深對(duì)比結(jié)果（見(jiàn)表4），模型計(jì)算的結(jié)果與實(shí)際情況基本一致。

表4 模擬計(jì)算結(jié)果與實(shí)際對(duì)比一覽表

3 模擬結(jié)果分析

根據(jù)上面構(gòu)建的模型分別進(jìn)行2 a一遇、5 a一遇和10 a一遇，2 h降雨時(shí)研究區(qū)的管網(wǎng)的現(xiàn)狀排水能力模擬，結(jié)果如圖2（a）～（c）所示。

圖2 研究區(qū)排水管網(wǎng)不同降雨條件下的模擬結(jié)果示意圖

圖2（指原彩圖）中的紅色管道和節(jié)點(diǎn)是表示其所處的子匯區(qū)發(fā)生了節(jié)點(diǎn)超載，即節(jié)點(diǎn)的水位超過(guò)了渠道頂部，表明該子匯區(qū)出現(xiàn)了內(nèi)澇現(xiàn)象。根據(jù)圖2（指原彩圖）中紅色管道和節(jié)點(diǎn)所在的子匯區(qū)的統(tǒng)計(jì)，在不同降雨條件下均發(fā)生超載的子匯區(qū)見(jiàn)表5所列。

表5 易澇子匯區(qū)屬性表

研究區(qū)的平均不滲透系數(shù)為77.5%，平均坡度為2.4%。表5中的各子匯區(qū)在不同降雨條件下均屬易澇區(qū)，其不滲透系數(shù)均大于研究區(qū)的平均不滲透系數(shù)，且平均坡度均小于研究區(qū)的平均坡度?？梢?jiàn)子匯區(qū)的不滲透系數(shù)和平均坡度是決定該子匯區(qū)是否發(fā)生內(nèi)澇的關(guān)鍵因素。

4 結(jié)論

通過(guò)收集研究區(qū)排水管網(wǎng)的坐標(biāo)、高程、管徑等資料，對(duì)管道長(zhǎng)度、管徑、水流方向和高程等信息提取并進(jìn)行簡(jiǎn)化，建立了研究區(qū)的SWMM模型，采用泰森多邊形法對(duì)子匯區(qū)進(jìn)行劃分和邊界修正；采用徑流系數(shù)來(lái)率定模型參數(shù)，根據(jù)研究區(qū)實(shí)測(cè)降雨和內(nèi)澇點(diǎn)的情況對(duì)率定參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證。并對(duì)研究區(qū)在不同降雨條件下的現(xiàn)狀管網(wǎng)排水能力進(jìn)行了模擬分析，找到了易發(fā)生內(nèi)澇的子匯區(qū)，發(fā)現(xiàn)不滲透系數(shù)和平均坡度是決定該子匯區(qū)是否發(fā)生內(nèi)澇的關(guān)鍵因素。

[1]梁小光,王盼,呂永鵬,等.內(nèi)河水位對(duì)管網(wǎng)系統(tǒng)排水能力的影響模擬[J]．城市道橋與防洪，2014,(11):11-14．

[2]鐘力云.基于SWMM的上海市某城市小區(qū)排除地面積水能力校核[J].城市道橋與防洪，2014,(1):78-80，84．

[3]董磊.南方某特大城市主城區(qū)排水防洪能力評(píng)估研究[J].城市道橋與防洪，2016,(3):79-81，92．

[4]潘忠秀.新排水標(biāo)準(zhǔn)下現(xiàn)狀排水系統(tǒng)的改造與提升—以淄博市中心城區(qū)為例[J].城市道橋與防洪，2014,(10):109-111，128.

TU992

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1009-7716（2017）08-0116-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.08.036

2017-03-15

李延亮（1981-），男，甘肅平?jīng)鋈?，從事市政管理防汛工作?/p>