張琳 史尋剛

【摘要】本文以北方某城市排水（雨水）防澇綜合規(guī)劃為例，討論了SWMM模型在城市排水管網(wǎng)改造中的應用情況，案例以現(xiàn)狀排水管網(wǎng)為基礎，用SWMM模型模擬了不同暴雨強度下，道路積水情況，分析產(chǎn)生積水的主要原因及改造措施，為管網(wǎng)改造提供科學依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】城市排水防澇；SWMM；雨污合流；低影響開發(fā)

城市排水防澇系統(tǒng)是現(xiàn)代城市的重要基礎設施，它對于確保人民生命財產(chǎn)安全、維持城市安全運行和改善水環(huán)境具有重要意義。然而，異常氣候?qū)е露虤v時、強降雨頻發(fā)；下墊面條件的改變使得同頻率暴雨下產(chǎn)流量增大；此外，水流逆坡、下游出口不明確、部分道路豎向規(guī)劃不合理等現(xiàn)場導致部分路面大范圍積水，同時由于缺乏與園林景觀專業(yè)之間的相互協(xié)調(diào)，致使本可作為雨水滯、滲、調(diào)、蓄設施的天然綠地沒能發(fā)揮其應有的作用，造成城市內(nèi)澇積水，影響城市安全運行，對城市排水防澇系統(tǒng)提出了嚴峻挑戰(zhàn)。

本文以北方某城市排水防澇綜合規(guī)劃為例，闡述了SWMM在城市排水管網(wǎng)改造中的具體應用。

1、模型概述

SWMM由美國環(huán)保署（United States Environmental Protection Agency，簡稱USEPA）在20世紀70年代開發(fā)，是最廣泛應用于城市排水系統(tǒng)管理的模型之一。SWMM對雨水管、合流制管道、自然排放系統(tǒng)都可以進行水量、水質(zhì)的模擬，包括地表徑流、排水管網(wǎng)輸送、貯水處理及與受納水體的相互影響等過程，可廣泛應用于各級城市排水系統(tǒng)的模擬。

2、模擬過程

2.1降雨規(guī)律分析與下墊面解析

2.1.1設計雨型選取

目前，雨型主要包括市政雨型和水文雨型。水文雨型最小時間間隔為1小時，雨型一般為24小時，主要用來模擬長系列、大流域的降雨。市政雨水最小時間間隔為5分鐘，雨型一般為2小時，主要用來模擬短歷時暴雨。由于造成城市內(nèi)澇的多為短時強降雨，暴雨時間約為1至2小時，因此選擇市政雨型進行內(nèi)澇風險評估。

（1）雨型選擇

目前國內(nèi)外普遍采用的設計暴雨方法有芝加哥暴雨過程線法、Pilgrim and Cordery和Huff法等。其中，芝加哥法可由暴雨強度公示推求，方法簡單可靠，國內(nèi)外使用較多，且芝加哥法降雨雨型有較高的峰值，有利于檢驗城市排水防澇系統(tǒng)在最不利的短時強降雨下的負荷和風險，而且近年來各地短時強降雨頻發(fā)，因此通過芝加哥暴雨過程線求得設計暴雨的時程分配。

（2）雨峰系數(shù)選擇

雨峰系數(shù)r（0

2.1.2下墊面解析

在模型建立前，需要將研究區(qū)域劃分成若干個子匯水區(qū)，再根據(jù)子匯水區(qū)的地表性質(zhì)概化為透水區(qū)域與不透水區(qū)域，由于匯水區(qū)的劃分受地形及地表覆蓋的影響，因此本文利用Arc GIS軟件按照屋面、植被、道路、水系、公共設施等類型分別對研究區(qū)域內(nèi)地表類型進行解析，解析成果矢量圖見圖1：

2.2模型參數(shù)識別

2.2.1水文參數(shù)識別

水文參數(shù)主要是反應匯水區(qū)特征的參數(shù)，匯水區(qū)利用Arc GIS的水文分析工具，基于DEM數(shù)據(jù)進行劃分，并結(jié)合衛(wèi)星影像圖進行邊界的調(diào)整。

在本次建模過程中，根據(jù)調(diào)研所掌握的大量數(shù)據(jù)信息共概化2128個匯水區(qū)，要參數(shù)包括匯水區(qū)的面積，不透水率、寬度、坡度等，主要利用GIS方法對主要參數(shù)進行初步識別，并利用監(jiān)測數(shù)據(jù)進行參數(shù)校核。參數(shù)識別結(jié)果見圖2a。

2.2.2水力參數(shù)

管道水力數(shù)據(jù)包括管網(wǎng)系統(tǒng)和水系的高程和尺寸，本文主要從現(xiàn)狀排水管網(wǎng)圖（CAD）獲取相關(guān)信息，同時對關(guān)鍵位置進行現(xiàn)場測量、校核，保障主干管網(wǎng)流向和高程與實際相符。其它包括地表洼地蓄量、Horton滲透量、管道粗糙度等參數(shù)均參照SWWM幫助手冊進行設置。

2.2.3 模型參數(shù)率定

參數(shù)的可靠性是模型應用的關(guān)鍵，本文分別以研究區(qū)域污水處理廠入口流量、主要泵站流量以及易積水點等相關(guān)信息進行參數(shù)率定與驗證。

（1）污水處理廠進口流量驗證結(jié)果

通過對旱天污水排放過程的實時模擬，并利用最近年份污水處理廠日平均水量對管網(wǎng)模型進行旱天模擬評估計算，結(jié)果顯示：污水處理廠旱天入口流量為0.89m3/s，計算得日流量為76896噸，實際統(tǒng)計平均值為76751噸，百分標準偏差為0.19%，模擬結(jié)果可靠。

（2）泵站流量驗證結(jié)果

選取現(xiàn)有15座雨（污）水泵站中排水量較大的7座泵站進行模型的驗證，由模型率定驗證結(jié)果（表1）可以看出：研究區(qū)域現(xiàn)狀管網(wǎng)模型除2號環(huán)泵站2013年8月7日（百分標準偏差34.3%）、5號泵站2013年6月24日（百分標準偏差-41.7%）數(shù)據(jù)外，其余泵站誤差均在模型驗證要求的0.7%-23.3%范圍內(nèi)，滿足模型精度要求，模擬結(jié)果可靠。

（3）易積水點驗證結(jié)果

利用現(xiàn)狀管網(wǎng)模型分析1年一遇降雨強度下，積水深度>15cm，積水歷時超過2小時的路段，并與歷史調(diào)查情況進行比較，結(jié)果顯示：歷史調(diào)查發(fā)現(xiàn)22條易積水路段，管網(wǎng)模型模擬發(fā)現(xiàn)22條易積水路段，其中重合18條，結(jié)果證明模擬結(jié)果可靠。

總之，通過旱天污水廠進水量、主要泵站不同降雨情境下的排水量以及與歷史易積水點的比較，均證明模擬結(jié)果可靠，可用于城市甲現(xiàn)狀排水能力、內(nèi)澇風險的評估和規(guī)劃情景分析。

3、現(xiàn)狀排水系統(tǒng)評估

參照《城市排水（雨水）防澇綜合規(guī)劃編制大綱》要求：即發(fā)生城市雨水管網(wǎng)設計標準以內(nèi)的降雨時，每條道路至少有一條車道的積水深度不超過15cm，積水時間不超過0.5h，因此，模型分別對1-5年不同重現(xiàn)期下積水時間大于0.5h的積水點進行統(tǒng)計，分析各管段在現(xiàn)狀管網(wǎng)及泵站條件下的排水能力。

根據(jù)管網(wǎng)模型現(xiàn)狀排水能力評估，設計重現(xiàn)期小于等于1年的管長達74.85km，積水概率高達52.6%，因此設計標準偏低是城市內(nèi)澇的首要原因；其次，通過內(nèi)澇風險與徑流系數(shù)分布，可以看出，城市化進程加快導致徑流系數(shù)增加是城市內(nèi)澇的重要因素之一；此外，部分高風險積水點處在較低徑流系數(shù)區(qū)域或周邊，說明不透水率并不是造成城區(qū)內(nèi)澇的唯一原因，匯水區(qū)域面積過大、下游主干管網(wǎng)高負荷運行是造成內(nèi)澇的另一主要原因。

小結(jié)：

通過對現(xiàn)狀排水管網(wǎng)系統(tǒng)的模擬評估，得出以下結(jié)論：

（1）在現(xiàn)有管網(wǎng)系統(tǒng)和泵站控制條件下，有44%的管道重現(xiàn)期小于1年一遇，部分截污干管設計重現(xiàn)期偏低是造成下游雨水難以及時排出的原因，因此在后期管網(wǎng)改造或規(guī)劃建設過程中，建議對管網(wǎng)系統(tǒng)進行系統(tǒng)分析、科學改造；

（2）大部易澇點或內(nèi)澇高風險區(qū)徑流系數(shù)在0.6以上，建議對附近城市公園、廣場和道路綠地等進行低影響開發(fā)改造，減少徑流排放量；對于涉及綠地率指標要求的建設工程，如公共建筑周邊綠地與小區(qū)綠地、廣場綠地等至少應有25%作為用于滯留雨水的下凹式綠地；配合景觀設計，綠地面積的5%作為雨水花園；

（3）徑流系數(shù)的主要影響因素為覆蓋種類的透水性，除此之外，還和降雨歷時、暴雨強度、暴雨雨型有關(guān)，后三者人為無法人為控制，可見覆蓋種類的透水性是進行源頭控制的主要切入點，因此建議，在建設用地的規(guī)劃審批方面應嚴格把控。

總之，城市地表、排水管網(wǎng)、泵站和水系組成了完整的城市排水防澇系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)復雜，各種因素相互作用，無論是管網(wǎng)的設計、改造都可以應用模型對排水系統(tǒng)進行全過程的模擬，為城市排水系統(tǒng)規(guī)劃、改造進行提供技術(shù)支持。

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作者簡介：

張琳，陜西地建土地綜合開發(fā)有限責任公司；

史尋剛，陜西地建土地綜合開發(fā)有限責任公司。