肖國軍， 張瑞峰， 楊高偉

(1. 西南交通大學， 四川成都 610031； 2. 中國建筑西南設計研究院， 四川成都 610041)

改革開放以來中國城市化速度舉世矚目，但是也暴露了眾多的問題，城市內(nèi)澇問題尤其突出。以往設計院的管網(wǎng)改造方法過于落后，主要是靠設計者的經(jīng)驗和實地考察的結果去做出優(yōu)化方案。近年來，國內(nèi)開始應用數(shù)字化模型分析研究有了新的進展，其中一種是利用GIS和SWMM建立數(shù)字模型[1、2]，ArcGIS具有強大的地理信息分析處理能力，可以對數(shù)字高程模型(DEM)進行分析處理，而SWMM是一個動態(tài)的降水-徑流模型，主要用于單一降水下水質(zhì)水量的模擬。筆者在這些研究成果的基礎上進行工程實例(簡州新城管網(wǎng)改造)應用。

1 模型建立

模型的建立需要依賴于對模型參數(shù)的收集，SWMM模型的建立所需的參數(shù)信息主要包括：降雨參數(shù)、子匯水區(qū)參數(shù)和管網(wǎng)參數(shù)[3](圖1)。

圖1 建模流程

1.1 降雨數(shù)據(jù)獲取

暴雨的歷時分布形式即雨型，是一個重要因素。研究表明，單峰雨型是主要形式，雨峰多在前中部，相對位置r在0.35～0.45之間，缺乏資料時可取r=0.4[4]。本文采用芝加哥雨型，芝加哥雨型是1957年Keifer和Chu根據(jù)強度-歷時-頻率關系得到一種不均勻的設計雨型，也稱芝加哥雨型。該雨型平均雨強為：

(1)

則降雨過程的峰前雨型為：

(2)

峰后雨型為：

(3)

簡陽市暴雨強度公式[5]為：

(4)

參數(shù)同上，可以得到芝加哥雨型瞬時降雨過程圖和數(shù)據(jù)(圖2)，時間步長取△t=5 min。

圖2 簡州新城芝加哥雨型降雨過程線

1.2 DEM的構建

DEM的構建常用的方法有兩種：(1)采用帶有高程數(shù)據(jù)的CAD地形圖(可以是等高線或者高程點)。(2)可以通過遙感影像獲取大面積的DEM，如美國的ASTER或法國的SPOT等，其采樣距離有多種精度越高越準確。本文采用的是衛(wèi)星遙感影像生成的DEM，因為原CAD地形圖高程點不具備高程屬性值構建DEM比較困難。文章采用8.32 m采樣距離的衛(wèi)星遙感高程數(shù)據(jù)，高斯克呂格投影，西安80坐標系，單位為m?？紤]到路網(wǎng)對雨水的截留作用，要用路網(wǎng)對規(guī)劃區(qū)進行分割，每個子塊獨立構建DEM[6](圖3)。

圖3 匯水區(qū)域DEM

1.3 集水區(qū)劃分和參數(shù)提取

對于集水區(qū)域的對DEM進行流域數(shù)字特征分析的算法有很多如D8、Rho8、Fhro8等[7]，其中對小流域一般是采用的D8算法。但是，其應用前提條件是：DEM中沒有洼地和尖峰。其操作如下：

(1)填補洼地。(2)流向分析。(3)坡度提取。(4)盆域分析。(5)集水點提取。

1.4 集水區(qū)和管網(wǎng)參數(shù)獲取

經(jīng)過處理后的DEM并不能直接反映到參數(shù)值上，需要進一步提取參數(shù)值。其中有些參數(shù)是根據(jù)資料和工程實際確定取值范圍：管道曼寧系數(shù)0.014；滲透性粗糙系數(shù)0.013；不滲透性粗糙系數(shù)0.15；不透水洼蓄深度1.27 mm；透水洼蓄深度2.54 mm；透水曼尼系數(shù)0.1；無洼地蓄水不滲透性采用經(jīng)驗系數(shù)25 %。另一些則是通過GIS空間分析獲得，具體如下：(1) 匯水區(qū)面積：統(tǒng)計出每個匯水區(qū)的面積。(2)平均坡度：通過對DEM進行表面分析，可以得到坡度柵格數(shù)據(jù)。(3)最長漫流路徑：用水文分析工具得到每個匯水區(qū)最長漫流路徑。(4)特征寬度：以匯水區(qū)面積除以最大漫流路徑就得到特征寬度。(5)透水區(qū)和不透水區(qū)面積比：定義道路不透水面積比為92 %，商業(yè)用地不透水面積比為90 %，工業(yè)用地為65 %，綠地為15 %[8]。再用匯水區(qū)圖層與土地利用圖層進行區(qū)域分析可得到匯水區(qū)的平均不透水面積比。數(shù)據(jù)太多，筆者只列出了一部分與文章論述有關的數(shù)據(jù)，如表1所示。為了實現(xiàn)快速建模，筆者使用的是Waterdesk快速提取管網(wǎng)信息(圖4)。

圖4 匯水區(qū)域和集水點置

1.5 下滲模型選用

Horton入滲曲線和Green-Ampt入滲曲線是常用的徑流計算方法[9]，但是參數(shù)很難獲取。美國農(nóng)業(yè)部土壤保持局研制的徑流曲線模型——SCS-CN[10]得到了國際公認，SCS模型所需參數(shù)較少，數(shù)據(jù)獲取相對容易，適用于缺乏資料的地區(qū)。其影響參數(shù)為徑流曲線數(shù)(CN)，是一個綜合考量參數(shù)，土地利用、水土保持、植被覆蓋度和前期土壤濕度對徑流曲線數(shù)有顯著影響[11]。改參數(shù)依賴一定的主觀性和經(jīng)驗，但是，就該工程而言，能夠滿足精度要求，因為該地區(qū)主要為商工業(yè)區(qū)，其CN值波動不大。經(jīng)過比對查找，確定商業(yè)區(qū)CN值為81，工業(yè)區(qū)為75， 居民區(qū)為65，水泥路面為94，草地41。

表1 SWMM匯水區(qū)參數(shù)

2 模型分析

簡州新城是規(guī)劃的現(xiàn)代裝備產(chǎn)業(yè)園，規(guī)劃面積223 km2，年平均降雨量927 mm。選取簡州新城一個商業(yè)核心區(qū)管網(wǎng)系統(tǒng)進行分析，該排水管網(wǎng)系統(tǒng)的排水口為P24，該管網(wǎng)體系位于商業(yè)核心區(qū)，體系比較復雜，有上下兩處分流，分流節(jié)點按實際情況選擇分模式(圖5)。分別以2年、5年、10年暴雨重現(xiàn)期模擬分析，模型分析顯示結果如表2所示，隨著暴雨重現(xiàn)期的增大，發(fā)生溢流的井數(shù)目增多，入滲量與降雨量的比值逐漸降低，溢流量逐漸增高，徑流系數(shù)也增大。

圖5 管網(wǎng)概化

3 管網(wǎng)優(yōu)化改造

本次管網(wǎng)改造不改變出水口高程，只改變坡度和管徑分配方式。重現(xiàn)期選擇10年，改造的基本步驟：(1)查看管道路徑剖面圖，觀察管道和井負荷情況，找出負荷嚴重的管段。(2)針對管網(wǎng)系統(tǒng)重新做出合理規(guī)劃，主要是對坡度進行合理的分配，負荷較大的管段給予較大的坡降，在溢流嚴重的的井下游給予高于平均坡降的值，溢流不嚴重的井給予低于平均坡降的數(shù)值。(3)調(diào)整上下游管徑，負荷較大的管段給予更大的管徑。改造效果通過管網(wǎng)排水口P24的排水量和管網(wǎng)體系的溢流情況對比說明。從圖6中可以看出，改造之后的效果很明顯，有效減少了管網(wǎng)的溢流總量和平均溢流量，出水口的排水能力也反映了整個管網(wǎng)體系的排水能力的提高，約為原來的4倍。可以看出管網(wǎng)排水能力的提高很明顯，特別是應對洪峰流量時的能力(表3)。

表2 改造前管網(wǎng)系統(tǒng)模擬結果

圖6 排水口P24流量對比

表3 優(yōu)化改造后管網(wǎng)系統(tǒng)模擬結果

4 結束語

(1)ArcGIS對地形和水文特征的處理結果可以很好的耦合于SWMM，能夠快速地建立起管網(wǎng)模型，能有效地服務于規(guī)劃、設計和管網(wǎng)改造，具有高效性和可預見性等優(yōu)點。但是，SWMM無法模擬地表徑流情況，也沒有考慮雨水滲漏的情況。

(2)從實踐可以看出，我國的管網(wǎng)體系不合理，管網(wǎng)過于龐大，轉(zhuǎn)輸流量和管網(wǎng)服務面積過大，合理的管網(wǎng)規(guī)劃優(yōu)于盲目的增大管徑增加坡度。

(3)我國城市不透水面積比過高，雨水滲透太難，使得徑流系數(shù)比較大。這是每個城市的通病，從側(cè)面反映出海綿城市建設的必要性。

(4)管道的坡降分配不太合理，設計不合理的管段容易造成雨水溢流。做排水規(guī)劃時，應該充分考慮排水坡降的合理分配，在低凹地帶和轉(zhuǎn)輸流量大的地帶應該給予比較大的坡降。

(5)大管徑接小管徑。新老管段最容易出現(xiàn)這種情況，另外管網(wǎng)的設計最好由一家設計單位統(tǒng)一設計施工。