陳梓遷，田蕾

（中交第二航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，湖北 武漢 430000）

根據(jù)設(shè)計(jì)地區(qū)的暴雨強(qiáng)度公式與管網(wǎng)恒定流理論進(jìn)行排水管網(wǎng)設(shè)計(jì)計(jì)算已經(jīng)采用多年，而恒定均勻流理論公式假定整個(gè)匯水面積上降雨均勻分布，忽略了降雨的時(shí)空分布特征；對(duì)于地表雨水產(chǎn)匯流路徑等內(nèi)容的假設(shè)較為簡單化，結(jié)果難以反映真實(shí)產(chǎn)匯流具體路徑；理論公式推導(dǎo)計(jì)算洪峰流量適用于較小區(qū)域的設(shè)計(jì)，應(yīng)用于較大匯水流域時(shí)計(jì)算精度偏低。SWMM模型主要包括城市暴雨徑流和水質(zhì)模擬模型，其模擬精度高，適用范圍廣，已在國內(nèi)外廣泛使用。

1 研究區(qū)域雨水管網(wǎng)設(shè)計(jì)

1.1 研究區(qū)域概況

擬建武漢航空企業(yè)總部區(qū)域地處江漢平原東部，沿線場地地勢起伏較大，自然地面標(biāo)高一般在21.30～34.80m之間。區(qū)域擬建設(shè)內(nèi)容涵蓋市政道路、橋梁、給排水、照明等。本次研究范圍為武漢航空企業(yè)總部區(qū)域配套工程（四期）景星路至景云路，慶云西路至任凱湖路圍成的地塊（以下簡稱臨空投），見圖1。

1.2 雨水管網(wǎng)初步設(shè)計(jì)

采用武漢市暴雨強(qiáng)度公式：

式中：q 設(shè)計(jì)暴雨強(qiáng)度（L/s·ha）；P 設(shè)計(jì)暴雨重現(xiàn)期（年）；t 降雨歷時(shí)（min）；F 匯水面積（ha）。

根據(jù)上位資料，設(shè)計(jì)暴雨重現(xiàn)期取為3年，綜合徑流系數(shù)ψ取為0.70，匯流時(shí)間取為10min。采用泰勒多邊形法劃分匯水面積，雨水就近匯入臨近管道為原則進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，對(duì)研究區(qū)域內(nèi)景星路、景云路、任凱湖路等12條市政道路下雨水管網(wǎng)進(jìn)行了初步設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)研究區(qū)域共計(jì)610個(gè)雨水檢查井和10個(gè)排水口；雨水主干管總長約14980m，兩檢查井間距約為30～120m之間，最小管徑為DN600，最大管徑為DN1800；匯水區(qū)域總面積約為163ha。

2 研究區(qū)域模型的建立

2.1 SWMM模型簡介

SWMM可以計(jì)算模擬城市區(qū)域內(nèi)包括地表蒸發(fā)、時(shí)變降雨量、融雪和積雪、洼地產(chǎn)生的降雨截留、降雨對(duì)地下水的補(bǔ)給、地表徑流演算、降雨污染物輸送等水文過程。SWMM模型自開發(fā)以來經(jīng)歷多個(gè)版本的優(yōu)化更新，本文采用2016年9月發(fā)布的SWMM5.1.011。

2.2 研究區(qū)域概化

在滿足真實(shí)管網(wǎng)水力狀況和模擬計(jì)算精度要求下，選取每段管網(wǎng)關(guān)鍵性節(jié)點(diǎn)，略去不必要的地塊內(nèi)支狀管網(wǎng)，保留主要的排水管線，提出以下兩種假設(shè)：（1）降雨在整個(gè)區(qū)域上是均勻的，子匯水區(qū)域內(nèi)降雨強(qiáng)度相等。（2）子匯水區(qū)域內(nèi)雨水就近匯入管網(wǎng)節(jié)點(diǎn)。

根據(jù)臨空投雨水管網(wǎng)初步設(shè)計(jì)，將研究區(qū)域劃分為266個(gè)子匯水區(qū)，雨水管網(wǎng)概化為125個(gè)節(jié)點(diǎn)和125段管道，10個(gè)雨水排放口。研究區(qū)域排水系統(tǒng)概化如圖2所示。

圖1 研究區(qū)域范圍示意圖

圖2 臨空投區(qū)域排水系統(tǒng)SWMM概化圖

2.3 模型參數(shù)的設(shè)定

與研究區(qū)域匹配是模型參數(shù)是保證模型科學(xué)準(zhǔn)確的前提條件。本文將SWMM模型參數(shù)分為可確定性參數(shù)和待校準(zhǔn)參數(shù)。對(duì)可確定性參數(shù)可通過初步設(shè)計(jì)資料獲取，其中管道采用鋼筋混凝土管，曼寧系數(shù)取0.013。根據(jù)區(qū)域用地和路網(wǎng)高程規(guī)劃，平均坡度計(jì)算約為1%。地表漫流寬度選用公式：Witdth=Area/Flow Length。根據(jù)相關(guān)研究成果，針對(duì)不同的土地使用類型確定不透水面積百分比，如表1所示。通過計(jì)算可得本研究范圍內(nèi)平均不滲透面積率為60.61。

對(duì)擬建工程項(xiàng)目進(jìn)行模擬，雖無管網(wǎng)運(yùn)行實(shí)測數(shù)據(jù)作為驗(yàn)證，但采用現(xiàn)有的同城市同建設(shè)條件區(qū)域的經(jīng)校正的模型參數(shù)進(jìn)行模擬，結(jié)果還是基本可靠的。參考SWMM模型手冊(cè)中典型取值范圍、不同地表類型徑流和武漢市排水建模的相關(guān)文獻(xiàn)，對(duì)模型待校準(zhǔn)參數(shù)進(jìn)行設(shè)定。（1）土壤入滲模型。土壤入滲采用Horton模型，最大入滲速率為50.8mm，最小入滲速率為6.6mm，衰減系數(shù)為4h-1。（2）產(chǎn)匯流模型。透水區(qū)曼寧系數(shù)為0.13，不透水區(qū)曼寧系數(shù)為0.015；透水區(qū)洼蓄量5mm，不透水區(qū)洼蓄量1.52mm。匯流模型采用非線性水庫模型。（3）水力模型采用動(dòng)力波模型。

表1 不同土地利用類型不滲透面積百分比

根據(jù)河湖規(guī)劃資料，低于最高調(diào)蓄水位的排水口有3處，該3處排放口設(shè)置拍門，采用固定階段排放模式，其余排放口設(shè)置為自由出流模式。

3 排水管網(wǎng)水力模擬

3.1 設(shè)計(jì)雨型及雨量

采用式（1）暴雨強(qiáng)度公式，雨型采用芝加哥雨型，降雨重現(xiàn)期為P=2年、3年、5年，降雨歷時(shí)為120min。根據(jù)武漢市排水防澇系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，雨峰系數(shù)r取值如下：P=2年時(shí)，r=0.40；P=3年時(shí)，r=0.40；P=5年時(shí)，r=0.45。設(shè)計(jì)雨型如圖3所示。

圖3 設(shè)計(jì)降雨雨型

3.2 模擬結(jié)果分析

采用暴雨重現(xiàn)期分別為2年、3年、5年，降雨2h作為初始條件，模擬該研究區(qū)域節(jié)點(diǎn)積水情況。不同暴雨重現(xiàn)期節(jié)點(diǎn)溢流情況如表2所示。

表2 不同重現(xiàn)期下節(jié)點(diǎn)溢流情況

模擬結(jié)果表明，依據(jù)初步設(shè)計(jì)建立的管網(wǎng)模型，總體上基本滿足3年重現(xiàn)期降雨要求，重現(xiàn)期為5年時(shí)積水點(diǎn)增多。在實(shí)際情況下，如果節(jié)點(diǎn)溢流時(shí)間達(dá)到1h以上，很有可能在雨水口附近道路處產(chǎn)生路面積水，造成城市內(nèi)澇。因此在2～5年重現(xiàn)期暴雨強(qiáng)度下，本研究區(qū)域無內(nèi)澇發(fā)生。節(jié)點(diǎn)有積水產(chǎn)生說明管道超負(fù)荷運(yùn)行，排水能力達(dá)不到規(guī)范設(shè)計(jì)文件要求的臨界滿流狀態(tài)。在該設(shè)計(jì)條件下，節(jié)點(diǎn)積水時(shí)間較小，通過局部管線優(yōu)化，可達(dá)到P=5年的設(shè)計(jì)降雨負(fù)荷。

4 管線優(yōu)化方案

4.1 調(diào)整管道坡度

坡度可以增大管內(nèi)水流速度，增大管道過流能力。以初步設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)的模型上，調(diào)整管道坡度會(huì)改變下游管道埋深，為保證調(diào)整最少管道坡度的原則下，忽略管道變徑處非管頂平接帶來的不利水力條件影響，對(duì)調(diào)整管道坡度后再次進(jìn)行模擬，模擬結(jié)果如表3所示。

表3 管道坡度調(diào)整與節(jié)點(diǎn)積水時(shí)間

根據(jù)模擬結(jié)果分析可知，通過調(diào)整管道坡度增大管道過水能力的方法，對(duì)減小短時(shí)間積水的節(jié)點(diǎn)效果頗為明顯，對(duì)長時(shí)間積水的節(jié)點(diǎn)效果有限。由管網(wǎng)系統(tǒng)可知，J25、J100和J118節(jié)點(diǎn)位于其排水系統(tǒng)前端，J99、J41、J63和J113位于其排水系統(tǒng)末端，因下游管網(wǎng)過水能力的限制和水位頂托作用，調(diào)整位于排水系統(tǒng)前端管網(wǎng)的坡度對(duì)降低其積水時(shí)間影響較小，而下游管線管徑一般較大，調(diào)節(jié)能力強(qiáng)，調(diào)整坡度可以形成“快排”的效果，對(duì)位于排水系統(tǒng)末端的管網(wǎng)效果顯著。

4.2 改變管道管徑

增大管徑可以擴(kuò)大過水?dāng)嗝?，增大管道過流能力。以初步設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)的模型上，為保證調(diào)整最少管道管徑的原則下，分別就擴(kuò)大一級(jí)管徑進(jìn)行研究，管道原則上采用管頂平接。對(duì)調(diào)整管道管徑后再次進(jìn)行模擬。由表5可知，擴(kuò)大下游管道的管徑可顯著減小積水時(shí)間，防止城市內(nèi)澇的發(fā)生。

4.3 優(yōu)化措施及效果

節(jié)點(diǎn)積水時(shí)間受周邊用地屬性、管徑、坡度和管道粗糙系數(shù)等因素的影響。研究區(qū)域用地性質(zhì)已確定，下墊面參數(shù)基本固定。通過調(diào)整管道材料，改變管道粗糙系數(shù)以增加水流速度縮短節(jié)點(diǎn)積水時(shí)間的效果不是很明顯。本研究區(qū)域調(diào)整管道管徑和管道坡度是解決節(jié)點(diǎn)積水的主要方法。根據(jù)以上分析結(jié)果，將管網(wǎng)系統(tǒng)中位于末端的大口徑管段調(diào)整坡度，靠近前端小口徑管道擴(kuò)大管徑，這樣不僅經(jīng)濟(jì)合理且水流順暢。具體措施如下：J25、J100和J118節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的下游管道G79、G80、G81、 G111由初設(shè)設(shè)計(jì)的D600擴(kuò)大為D800，J99對(duì)應(yīng)的下游管道G78由1.0‰調(diào)整為1.5‰，J41和 J63對(duì)應(yīng)的下游管道G102 和G31由3.0‰調(diào)整為3.5‰，J113對(duì)應(yīng)的下游管道G101由1.5‰調(diào)整為2.0‰。將調(diào)整模型再次運(yùn)行，所有節(jié)點(diǎn)均無積水產(chǎn)生。

表5 管道管徑調(diào)整與節(jié)點(diǎn)積水時(shí)間

5 結(jié)語

采用傳統(tǒng)恒定均勻流理論和泰勒多邊形法劃分匯水面積設(shè)計(jì)計(jì)算雨水管網(wǎng)基本可以滿足城市排澇要求。利用傳統(tǒng)計(jì)算手段和同地區(qū)的SWMM參數(shù)構(gòu)建雨水管網(wǎng)模型，可用作對(duì)管網(wǎng)設(shè)計(jì)的校核和優(yōu)化。

在對(duì)雨水管網(wǎng)的模擬中，分別研究調(diào)整管道坡度和管徑對(duì)節(jié)點(diǎn)積水時(shí)間的影響，得出調(diào)整管徑對(duì)降低節(jié)點(diǎn)積水時(shí)間更為明顯。通過對(duì)節(jié)點(diǎn)上下游管網(wǎng)關(guān)系進(jìn)行分析，得出位于管網(wǎng)前端的節(jié)點(diǎn)積水主要是因?yàn)橄掠喂艿拦軓狡。?jié)點(diǎn)水流不暢所致；位于管網(wǎng)末端的節(jié)點(diǎn)積水主要是因?yàn)楣艿浪ζ露绕?，管道雍水所致。通過優(yōu)化前端和末端管網(wǎng)的管徑以及坡度，設(shè)計(jì)重現(xiàn)期為3年的雨水管網(wǎng)系統(tǒng)，可以滿足設(shè)計(jì)暴雨重現(xiàn)期P=5年的排水要求。