王 麗 娟，江 卜 濤，李 曉 寧，王 瑩

(河北工業(yè)大學 土木與交通學院，天津 300401)

大暴雨或持續(xù)強降雨天氣下，雨水不能及時進入排水管網或其從雨水井溢流出，沿道路轉移至地勢低處，導致低洼區(qū)內澇災害嚴重。高速公路服務區(qū)發(fā)生內澇會出現員工通道積水、出入匝道損毀、停水停電等災情，給服務區(qū)正常工作帶來影響，甚至可能會導致服務區(qū)的圍墻、護坡及臨近山體塌方,車輛失控引發(fā)交通事故等問題，給人們生命與財產安全帶來隱患。SWMM模型用于已廣泛應用于城市內澇的預測和研究，通用性較好。然而傳統(tǒng)的SWMM模型無法同時模擬地下管網滿流與地表漫流的積水高度問題，缺乏地表徑流和雨水管網的數據交換[1]。為解決傳統(tǒng)一維模型無法處理地表漫流的問題，邵銀霞等[2]提出了包含街道和管道的雙層排水結構計算模型，用來模擬街面積水和過流過程，但當區(qū)域較大時，計算量會比較大。SWMM模型中也有類似的雙排水系統(tǒng)理論，雙排水系統(tǒng)是一種既考慮地下管網排水又考慮地表漫流的排水系統(tǒng)，在暴雨時期路面徑流系統(tǒng)與地下排水管道系統(tǒng)中的雨水進行不斷交換，形成“豎向環(huán)狀”的排水系統(tǒng)。王兆斌等[3]和路雨等[4]就雙排水系統(tǒng)理論分別對城市下穿隧道和某核設施廠址進行雨水內澇模擬分析，模擬結果與觀測值和計算值較吻合,但是這兩個案例應用情況比較特殊且缺乏具體的建模過程和內澇積水解決方案。

本文以服務區(qū)為例，探索如何建立SWMM雙排水系統(tǒng)理論模型，分析小型排水系統(tǒng)(雨水管網)和大型排水系統(tǒng)(路面)[5]的排水情況，并進行低影響開發(fā)(LID)設計，為排水系統(tǒng)的優(yōu)化設計提供技術支撐。

1 研究區(qū)域概況

某高速公路服務區(qū)總占地面積約6 hm2，分別建設在高速公路兩邊，地勢比高速公路低，三面環(huán)山，不利排水。1970～2009年平均年降水量893 mm，最大年降水量1 409 mm(1983年)，最小年降水量575 mm(1997年)，相差2.5倍。該服務區(qū)整體西高東低，最大坡度0.089，最小坡度0.005。因兩邊對稱建設，取一側分析，排水區(qū)域總面積為約30 000 m2。

圖1 匯水區(qū)域劃分及管道分布Fig.1 Catchment area division and pipeline distribution

2 研究區(qū)域模型構建

2.1 SWWM模型

SWMM全稱是暴雨管理模型，是一個基于水動力學的綜合性城市徑流模擬系統(tǒng)。目前已更新至SWMM5.1(V5.1.010)版本，模型具有非常好的操作界面和完善的處理功能，并且結果可以用多種形式進行直觀的表達[6]。

(1) 地表產流計算。SWMM模型一般將研究區(qū)域劃分為若干個子匯水區(qū)域，每個子匯水區(qū)域根據地表滲透性可分為有洼蓄量不透水區(qū)、無洼蓄量不透水區(qū)、透水區(qū)，將這3個區(qū)域的徑流流量相加即得該子匯水區(qū)域徑流流量[7]。在入滲計算過程中，SWMM提供了經典霍頓方程、修正霍頓方程、格林安普特方程、徑流曲線數值方法4種入滲模型。

(2) 地表匯流計算。地表匯流演算是指各個子匯水區(qū)域將雨水匯集到子匯水區(qū)域出口的演進過程。在SWMM模型中，將各個子匯水區(qū)域近似為一個水深很淺的非線性水庫進行模擬處理。非線性水庫模型是由連續(xù)方程跟曼寧公式耦合進行求解的。

(3) 排水管網匯流計算。SWMM中，管網的匯流過程采用圣維南方程組求解，即聯立連續(xù)方程和動量方程來求解模擬漸變非恒定流[8]，模型中提供了運動波法和動態(tài)波法。

此次研究中采用了動態(tài)波法方程進行模擬，動態(tài)波演算可以考慮渠道蓄水、回水、進口/出口損失、流向逆轉和壓力流；可以使模型對實際管網中存在的洪流、超載流進行模擬；對于復雜多變的水流計算，動態(tài)波的計算能力更穩(wěn)定。

2.2 研究區(qū)域排水系統(tǒng)概化

基于SWMM模型，根據建筑、停車場地和路面分布，并結合路面坡度及管網布置進行劃分；其中停車場地因為地面中間略高兩邊略低劃分了4個子匯水區(qū)域，4個主要建筑劃分了4個子匯水區(qū)域，公路路面左右各劃分了2個，并根據服務區(qū)規(guī)劃圖將剩下區(qū)域分了5個子匯水區(qū)域。最終研究區(qū)區(qū)域被劃分成子匯水區(qū)域15個(ZMJ1-ZMJ15)，雨水管段15條(GQ1～GQ15)，節(jié)點15個(1～15)，排水口兩個(PFK1和PFK2)。

整個研究區(qū)域概化的SWMM模型如圖1所示。

2.3 單排水系統(tǒng)模擬

2.3.1 研究參數設置

管道埋深、管道入口和出口偏移量、管道直徑、坡度及節(jié)點參數由雨水管網規(guī)劃圖及借助GIS獲得。匯水面積、管道長度等參數在SWMM中繪制時自動生成。結合服務區(qū)的實際情況及參考《SWMM模型用戶手冊》[6]中列出的推薦值，霍頓模型中的最大入滲率、最小滲透率和衰減速率常數分別取為80 mm/h、4 mm/h和6.5 h-1；透水區(qū)和不透水區(qū)洼蓄量分別為12 mm和2 mm[9]；透水區(qū)和不透水區(qū)的曼寧系數取0.24[10]和0.015；混凝土管道粗糙系數為0.014。服務區(qū)排水系統(tǒng)根據地形特點被劃分為2條排水干道，2個排水出口，選用在我國排水管渠設計中常用的芝加哥雨型，查閱相關資料得到暴雨強度公式：

(1)

式中，q為設計暴雨強度，L/(s·hm2)；t為降雨歷時，min；P為設計重現期，a。

本次研究P取2,5,20 a；模擬時間t取120 min，降雨峰值比例r取0.40。

2.3.2 模擬結果分析

對于重現期為2 a一遇的暴雨不發(fā)生管道超載，重現期為5 a和20 a一遇的暴雨均出現部分管道超載，見表1。通過傳統(tǒng)的SWMM水力模擬無法分析超負荷排水形成的雨水地表漫流問題。為了分析地表積水狀況，我們還需要對服務區(qū)完善建模分析，即采用SWMM中的雙排水系統(tǒng)理論模型。

2.4 雙排水系統(tǒng)模擬

2.4.1 研究參數設置

根據道路的橫截面數據進行建模，將部分路面和路邊側邊石概化成地面雨水漫流的渠道，如圖2所示，在接有雨水口的雨水井處設置連接管作為連接街道地表徑流系統(tǒng)和地下排水系統(tǒng)的連通通道，用于模擬兩個排水系統(tǒng)之間的水量交換。將服務區(qū)概化為9條地表漫流渠道(C1～C9)，分別設置在地下管道GQ14，GQ3，GQ5，GQ6，GQ10，GQ8，GQ9，GQ11，GQ15上，地下管道和地表漫流渠道通過地下管道兩端節(jié)點進行連接，以便地表漫流渠道和地下管道之間的水量交換(如節(jié)點1和節(jié)點8作為地表漫流渠道C1和地下管道GQ14連通通道起水量交換的作用)，地表漫流渠道偏移高度依據地表標高及坡度進行設置。SWMM模型中的橫截面編輯器可用來定義路面渠道的斷面，橫截面是描述底部高程如何隨著天然渠道或形狀不規(guī)則管道橫截面上的水平距離改變而變化的幾何圖形數據。本文選擇不規(guī)則橫截面用于模擬表漫流排水，路面寬度、路面橫坡(Sx)坡度和路邊高度根據實際地表路面斷面情況進行設定，具體見表2，邊溝坡度依據地形坡度調整設置。

表1 不同暴雨重現期下管道超載情況Tab.1 Pipeline overload under different rainstorm recurrences

圖2 地表系統(tǒng)Fig.2 Surface system

2.4.2 模擬結果分析

對于重現期為2 a和5 a一遇的暴雨不發(fā)生節(jié)點超載和地表渠道積水；而對于重現期為20 a一遇的暴雨，節(jié)點3,4,5,10出現節(jié)點超載，最大超載深度分別為11,22,5,25 cm。地表漫流渠道C2(ZMJ1、ZMJ4和ZMJ6之間)、C3(ZMJ7內)、C7(ZMJ3和ZMJ10之間)處將發(fā)生地表積水，最大積水深度分別為22,10,30 cm。最大積水深度發(fā)生在服務區(qū)東北方向C7處(ZMJ3和ZMJ10之間)為30 cm，主要原因是該處的地勢較低，周邊雨水通過地表漫流由地勢較高的地方匯集到這。此時若遇大量人員停車，積水深度將進一步增加。

表2 地表渠道概化Tab.2 Generalization of the surface channels

3 排水系統(tǒng)優(yōu)化

通過傳統(tǒng)建模分析可知，對于5 a和20 a一遇的暴雨，服務區(qū)出現部分管道超載；通過雙排水系統(tǒng)建模分析可知，對于20 a一遇的暴雨服務區(qū)出現部分節(jié)點超載和地表積水。為保證暴雨時服務區(qū)的正常工作，有必要對服務區(qū)的排水系統(tǒng)進行優(yōu)化。低影響開發(fā)(LID)是一種采用源頭控制理念實現雨水控制與利用的雨水管理方法，具有降低雨水匯集速度，延緩洪峰出現時間，降低排水強度，緩解降雨時的排水壓力的作用?；诘陀绊戦_發(fā)(LID)理念，對服務區(qū)進行低影響開發(fā)(LID)設計以緩解服務區(qū)雨水排放問題，除了低影響開發(fā)(LID)外，還有管徑修改等傳統(tǒng)方法也可用于服務區(qū)排水系統(tǒng)優(yōu)化。

3.1 LID模型構建

SWMM 5.1版本中提供了生物滯留池、透水鋪裝(瀝青)、綠色屋頂、滲渠、雨水花園、雨水桶、草洼7種LID設施。這些LID設施可通過參數來表示，并結合SWMM 模型中的調蓄、滲透及蒸發(fā)等水文過程，實現 LID 技術措施對場地徑流量、峰值流量的效果評估。本例依據服務區(qū)的特點，通過綠色屋頂，透水鋪裝(非行車路面)，透水瀝青(停車場地及降溫車道)和下凹式綠地這4類措施進行改造[11-15]。綠色屋頂賦予匯水區(qū)ZMJ1,ZMJ2,ZMJ3和ZMJ7，滲透鋪裝賦予ZMJ1,ZMJ2,ZMJ3和ZMJ6,ZMJ7，透水瀝青賦予ZMJ4,ZMJ5,ZMJ8和ZMJ9內的停車場地內，除ZMJ11-ZMJ15外，對于非行駛路面均設置適當的下凹式綠地。為保證安全，行車路面不進行LID改造。將這些LID設施通過SWMM模型來評估預期效果，輸入各LID運行參數[16]，綠色屋頂土壤層厚度取80 mm，滯蓄深度取50 mm；透水鋪裝的表面層厚度為100 mm，表面粗糙度為0.014，路面層厚度為150 mm，空隙比為0.21，蓄水層厚度取250 mm；透水瀝青的表面坡度為1.5%，表面粗糙度為0.013，透水層厚度為40 mm，空隙比為0.20；下凹式綠地的表面蓄水深度為150 mm，土壤層厚度為800 mm，孔隙率0.18，蓄水層高度700 mm，空隙比為0.3，導水率0.1；運行模擬。

3.2 LID結果分析

經過LID改造后，服務區(qū)峰值流量和徑流流量明顯減少，見圖3；地表徑流流量的減少導致進入管道的流量減少，緩解了地下管網排水壓力。再結合模擬結果，可以分析得出以下結論：對于重現期為5 a一遇的暴雨，地下管道已無超載現象；對于重現期為20 a一遇的暴雨，節(jié)點超載情況已消除，地表積水也未出現，但GQ1,GQ3,GQ14,GQ15仍出現超載情況。主要是由于這四塊區(qū)域大部分為車行路面，LID比例低。

圖3 5、20 a一遇暴雨LID前后徑流流量Fig.3 Runoff flow before and after LID for a rainstorm of 5 year and 20 year

通過低影響開發(fā)措施(LID)設計，該服務區(qū)基本已經解決了雨水排放的問題。對于排水要求較高或者LID改造困難的地方，也可以通過管徑優(yōu)化使得區(qū)域排水更加安全可靠[17]。

表3 管道尺寸修改Tab.3 Modification of pipe size m

3.3 管徑優(yōu)化

通過迭代法修改管道的管徑，模擬運行，直到SWMM結果報告中管渠超載總結說明沒有管渠超載，而且對于所有管道，管段流量總結中最大/完全水深比的數值接近0.85(考慮安全因子為15%，為了減少超載的風險)。修改后的管徑及最大/完全深度，見表3。

通過設置低影響開發(fā)措施LID措施及管道尺寸修改，可保證該服務區(qū)對20 a一遇的暴雨，不發(fā)生管道超載和地表積水，服務區(qū)的排水和內澇問題能得到有效解決。

4 結 論

(1) 利用雙排水系統(tǒng)理論，可分析模擬出服務區(qū)地下和地表系統(tǒng)的排水情形；并且可準確快速地分析地下管網和地表系統(tǒng)的積水狀況，同時可以找出積水點及最大積水深度。

(2) 通過對服務區(qū)建設透水瀝青路面、透水鋪裝、下凹式綠地等LID設施，可有效緩解服務區(qū)積水問題。但是對于排水要求較高或者LID改造困難的地方，可以通過管徑優(yōu)化使得區(qū)域排水更加安全可靠。

(3) 采用雙排水理論進行積水深度分析，對新老服務區(qū)排水系統(tǒng)優(yōu)化設計具有一定的理論指導意義，對于其它類似區(qū)域也有借鑒作用。