沈 衛(wèi)

(大連市水務(wù)事務(wù)服務(wù)中心，遼寧大連116021)

0 引言

防洪安全不僅關(guān)系著城市農(nóng)村的建設(shè)，更關(guān)系著人們的生命財(cái)產(chǎn)安全。暴雨洪水計(jì)算可為防洪安全提供科學(xué)的設(shè)計(jì)管理依據(jù)，因而備受人們的重視。隨著計(jì)算機(jī)時(shí)代的到來(lái)，國(guó)內(nèi)外關(guān)于雨洪模型軟件的研究也相繼展開(kāi)，目前已經(jīng)開(kāi)發(fā)出十幾類(lèi)針對(duì)不同需求的計(jì)算機(jī)模擬軟件，其中具有代表性的有SWMM模型、TRRL模型、STORM模型等。

SWMM模型也稱作暴雨洪水管理模型，是1971年由美國(guó)開(kāi)發(fā)而成。該模型可以對(duì)降水過(guò)程中的污染物累積、沖刷過(guò)程及徑流過(guò)程進(jìn)行動(dòng)態(tài)的模擬。SWMM可以充分考慮蒸發(fā)、低洼處需水量、滲入水穿透地下的含水層等因素，較為真實(shí)的模擬產(chǎn)流、匯流過(guò)程，從而得出更精確的結(jié)果，本文以琿春河水系連通工程實(shí)例為研究對(duì)象，構(gòu)建基于城市排水管網(wǎng)、路網(wǎng)等信息參數(shù)的SWMM模型。并利用該模型對(duì)區(qū)域暴雨洪水進(jìn)行計(jì)算，對(duì)工程設(shè)計(jì)施工提供了有力的數(shù)據(jù)支撐，希望對(duì)類(lèi)似工程與研究提供有益借鑒。

1 工程簡(jiǎn)介

琿春河水系地處中國(guó)北方地區(qū)，河流經(jīng)常處于干枯狀態(tài)?，q春市依河而建，然后干涸的河道卻使河道內(nèi)的生態(tài)環(huán)境持續(xù)惡化。為了整治河道環(huán)境、提高城市環(huán)境和品位，欲修建內(nèi)河水系連通工程，從琿春河主河道引水，同時(shí)與老城區(qū)庫(kù)克納河相連通，實(shí)現(xiàn)新建內(nèi)河水系、琿春河、庫(kù)克納河等水系的聯(lián)合調(diào)度，在滿足城市內(nèi)河河網(wǎng)防洪排澇的要求前提下，增加城市枯水期生態(tài)用水，實(shí)現(xiàn)庫(kù)克納河的清水補(bǔ)給，提升老城區(qū)庫(kù)克納河水環(huán)境條件。

內(nèi)河水系連通工程包括內(nèi)河、內(nèi)河北支、內(nèi)河南支三條河道，全長(zhǎng)11.22 km。工程主要從琿春河河道引水，經(jīng)擬建內(nèi)河水網(wǎng)及庫(kù)克納河，再匯入琿春河。琿春河城區(qū)段堤防防御能力達(dá)到50 a一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)要求，庫(kù)克納河堤防防御能力達(dá)到30 a一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)要求，根據(jù)防洪排澇規(guī)劃，規(guī)劃區(qū)排水體制采用雨污分流制，城市暴雨內(nèi)澇災(zāi)害防治重現(xiàn)期為20 a，市區(qū)雨水管道采用暗管、暗渠相結(jié)合的方式。雨水管本著利用地形坡度就近排放的原則，規(guī)劃最小管徑DN600。

內(nèi)河水系連通工程同樣兼顧生態(tài)、景觀等功能。擬建內(nèi)河、內(nèi)河北支及內(nèi)河南支河道生態(tài)需水量按照維系河湖生態(tài)環(huán)境功能需求分析計(jì)算進(jìn)行調(diào)度，包括維持河湖生物棲息地、自凈、景觀及其他生態(tài)環(huán)境功能。

2 相關(guān)原理

2.1 設(shè)計(jì)暴雨及雨強(qiáng)計(jì)算

設(shè)計(jì)暴雨計(jì)算采用吉林省水文水資源局2014年出版的《吉林省水文計(jì)算手冊(cè)》中各時(shí)段暴雨參數(shù)等值線圖。由于河道各控制斷面流域面積均小于200 km2，故查算的點(diǎn)雨量即為面雨量，設(shè)計(jì)暴雨計(jì)算公式如下：

Hip=KpHi

(1)

式中：Hip為設(shè)計(jì)暴雨，mm；Kp為模比系數(shù)；Hi為時(shí)段平均降水量，mm；P為設(shè)計(jì)頻率；i為時(shí)段。

設(shè)計(jì)雨強(qiáng)分別采用琿春市暴雨強(qiáng)度公式及吉林省建筑設(shè)計(jì)院研發(fā)的延吉市雨強(qiáng)計(jì)算公式，并對(duì)兩種方法計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行比較分析，取相對(duì)合理的結(jié)果。其中琿春市暴雨強(qiáng)度公式如下：

q=4004×(1+0.819 lgP)/(t+16.5)

(2)

式中：q為設(shè)計(jì)暴雨強(qiáng)度；P為設(shè)計(jì)暴雨重現(xiàn)期；t為降雨歷時(shí)。

吉林省建筑設(shè)計(jì)院研發(fā)的延吉市雨強(qiáng)計(jì)算公式如下：

(3)

式中：q為設(shè)計(jì)暴雨強(qiáng)度；P為設(shè)計(jì)暴雨重現(xiàn)期；t為降雨歷時(shí)。

2.2 SWMM計(jì)算模型

采用SWMM計(jì)算模型來(lái)進(jìn)行匯流計(jì)算時(shí)，一大特點(diǎn)就是采用非線形水庫(kù)模型[1]。該模型進(jìn)行匯流計(jì)算的過(guò)程為將子流域進(jìn)行概化處理并近似看成非線形水庫(kù)，然后通過(guò)對(duì)每一個(gè)子流域聯(lián)立連續(xù)方程和曼寧方程進(jìn)行求解，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)每個(gè)子流域的凈雨過(guò)程轉(zhuǎn)換成出流過(guò)程。非線形水庫(kù)模型示意圖見(jiàn)圖1。

圖1 非線形水庫(kù)模型示意圖

曼寧方程如下：

(4)

式中：h為水深；S為子匯水區(qū)的坡度；L為子匯水區(qū)寬度；n為糙率系數(shù)；hp為地表蓄水的深度。

連續(xù)方程如下：

(5)

式中：Q為出流量；A為子匯水區(qū)面積；V為地表積水量；t為時(shí)間；i為降雨強(qiáng)度。

利用有限差分法對(duì)公式(4)和公式(5)進(jìn)行聯(lián)立求解，用h1表示某一時(shí)間段內(nèi)Δt水深初值，用h2表示某一時(shí)間段內(nèi)Δt水深終值，上述公式(4)和公式(5)可以寫(xiě)成：

(6)

式中：Δt為時(shí)間段；h1為水深初值；h2為水深終值。

利用Newton-Raphson迭代法對(duì)上述公式(6)求解，最終得到水深終值h2，進(jìn)而時(shí)間段末Δt的瞬時(shí)流量便可求解得到。

本文中利用霍頓公式進(jìn)行地表產(chǎn)流計(jì)算，其基本方程[2]為：

fp=fc+(f0-fc)e-kt

(7)

式中：fc為穩(wěn)定入滲率；f為入滲率；f0為初始入滲率；t為時(shí)間；k為與土壤有關(guān)的衰減系數(shù)。

3 計(jì)算結(jié)果

3.1 設(shè)計(jì)暴雨及雨強(qiáng)

查閱相關(guān)參數(shù)，并按照公式(1)進(jìn)行計(jì)算，得到不同頻率的設(shè)計(jì)暴雨值，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 設(shè)計(jì)暴雨參數(shù)與計(jì)算結(jié)果表

本文分別應(yīng)用琿春市暴雨強(qiáng)度公式及吉林省建筑設(shè)計(jì)院研發(fā)的延吉市雨強(qiáng)計(jì)算公式進(jìn)行雨強(qiáng)計(jì)算，兩種公式計(jì)算出的不同頻率下設(shè)計(jì)雨強(qiáng)結(jié)果差別不大，延吉市設(shè)計(jì)雨強(qiáng)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算結(jié)果略大于琿春市防洪排澇規(guī)劃中建議的傳統(tǒng)計(jì)算公式，本計(jì)算采用較大值即延吉市經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算結(jié)果。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 設(shè)計(jì)雨強(qiáng)計(jì)算結(jié)果表

根據(jù)20 a一遇24 h降雨量，采用芝加哥雨型對(duì)設(shè)計(jì)降雨進(jìn)行降雨過(guò)程分配。芝加哥雨型是根據(jù)強(qiáng)度、歷時(shí)、頻率關(guān)系得到的一種設(shè)計(jì)雨型，是以暴雨強(qiáng)度公式為基礎(chǔ)，引入暴雨雨峰位置參數(shù)，通過(guò)數(shù)學(xué)推導(dǎo)轉(zhuǎn)換為瞬時(shí)雨強(qiáng)過(guò)程線，可以用數(shù)學(xué)公式來(lái)表達(dá)，適用于城市短歷時(shí)設(shè)計(jì)暴雨的時(shí)間分配。分配步長(zhǎng)采用5 min，總時(shí)長(zhǎng)1440 min，分配后的雨型見(jiàn)圖2。

圖2 芝加哥雨型降雨過(guò)程分配圖

3.2 基于SWMM模型的匯流計(jì)算

本文采用SWMM模型單一模擬降雨徑流過(guò)程水量進(jìn)行模擬，不涉及水質(zhì)的研究。本次模擬匯流區(qū)匯水面積為13.94 km2,匯水分區(qū)及方向根據(jù)現(xiàn)有地形及相關(guān)雨水排除規(guī)劃，管網(wǎng)布置采用規(guī)劃中管網(wǎng)布置，共劃分子流域53個(gè)，節(jié)點(diǎn)116個(gè)，管段116段，排放出口2個(gè)。24小時(shí)共計(jì)降雨172 mm，形成徑流115 mm，綜合徑流系數(shù)0.67。

表3 曼寧系數(shù)表

根據(jù)實(shí)驗(yàn)率定和算例區(qū)土壤特性，取最大入滲速率為30 mm/h。根據(jù)相關(guān)研究，霍頓曲線中最小入滲率其值等于飽和土壤中的水力傳導(dǎo)度，因此確定算例區(qū)最小入滲速率為3.5 mm/h。計(jì)算模型圖見(jiàn)圖3。

圖3 內(nèi)河及內(nèi)河北支、南支匯水模擬計(jì)算模型圖

經(jīng)計(jì)算，內(nèi)河北支入庫(kù)克納河出口流量66.1 m3/s，內(nèi)河南支入琿春河出口流量14.7 m3/s，各段河道洪峰流量見(jiàn)表4，出水口排放流量過(guò)程線見(jiàn)圖4。

表4 河段設(shè)計(jì)流量計(jì)算值匯總表

圖4 內(nèi)河排放口出流過(guò)程圖

3.3 模型率定與設(shè)計(jì)洪量

參照《室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范》[4]，對(duì)于城區(qū)的綜合徑流系數(shù)，按照地面種類(lèi)加權(quán)計(jì)算，徑流系數(shù)ψ農(nóng)田區(qū)取值0.9，城區(qū)取值0.55～0.65，當(dāng)設(shè)計(jì)頻率高時(shí)取大值。根據(jù)模型計(jì)算結(jié)果，本次降雨總量172 mm，徑流總量112 mm，可得流域綜合徑流系數(shù)0.65，基本與上述規(guī)范建議值相一致，認(rèn)為模型計(jì)算結(jié)果合理，模型計(jì)算結(jié)果報(bào)告見(jiàn)圖5。

圖5 模型計(jì)算結(jié)果報(bào)告

根據(jù)模型統(tǒng)計(jì)結(jié)果，系統(tǒng)總徑流量157.3萬(wàn)m3，總徑流與出流過(guò)程見(jiàn)圖6。

圖6 系統(tǒng)總徑流與出流過(guò)程圖

4 結(jié)論

1)本次計(jì)算平原區(qū)控制流域面積13.94 km2，20 a一遇洪峰流量為80 m3/s(內(nèi)河南支與內(nèi)河北支合計(jì))，考慮到平原區(qū)為待建城區(qū)，地面硬化及不透水面增加，地面綜合徑流系數(shù)在0.65左右，因此SWMM模型設(shè)計(jì)是合理的，模擬計(jì)算結(jié)果是可靠的。

2)目前，對(duì)于SWMM模型的應(yīng)用大多采用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)去率定及驗(yàn)證后采用，卻缺少結(jié)合流域特點(diǎn)如產(chǎn)流匯流模塊等進(jìn)行改進(jìn)和修定，從而增加模型計(jì)算的精確性和可靠性。如果前期基本資料較少時(shí)，并且只存在一處出水口的狀況下，利用較少的管網(wǎng)及子匯水區(qū)去概化處理流域基本情況，是比較理想的建模處理途徑[5]。因此，構(gòu)件合理的模型是設(shè)計(jì)計(jì)算的前提和基礎(chǔ)。

3)本文基于SWMM模型模擬計(jì)算了琿春河水系連通工程的暴雨洪水過(guò)程，可以為流域區(qū)內(nèi)的水量調(diào)度和雨洪預(yù)測(cè)提供有力的數(shù)據(jù)支撐。同時(shí)，在搜集相關(guān)資料的情況下，亦可對(duì)污染物的排放及未來(lái)氣候變化情況下暴雨洪水過(guò)程進(jìn)行模擬，為工程后期的運(yùn)行管理及相關(guān)城市治理提供科學(xué)借鑒。