萬 堅 （南昌水業(yè)集團有限責任公司，江西 南昌 330000）

近年來，我國多數(shù)地區(qū)的降雨呈現(xiàn)雨期集中，強度加大的特點，并且城市化進程的加快也使得地面下墊面的性質發(fā)生變化[1]，洪澇災害的發(fā)生更是嚴重影響了居民的日常生活[2]。

目前，國內(nèi)排水負荷較重，依賴于傳統(tǒng)的市政排水系統(tǒng)的改造和相近的“灰色措施”，不能從根本上解決城市內(nèi)澇問題。結合國外先進的雨洪管理方面的先進經(jīng)驗和理論成果[3]，LID的理念和技術[4]體系作為一種可持續(xù)城市雨水控制方法，能有效地收集利用雨水資源，顯著降低城市地表徑流，從而減少路面積水。

1 SWMM模型的研究實例

1.1 研究區(qū)概化

研究區(qū)位于南昌市西北部，地勢西北高、南東低，坡度約為1%～2%，歷年平均年降雨量在1600mm左右，主要用地有：村莊、濕地公園、農(nóng)田、部分荒地及水庫組成，占地面積約82.32ha。

利用SWMM模型構建研究區(qū)雨水系統(tǒng)模型，管網(wǎng)尺寸和埋深等通過實際原有的測繪數(shù)據(jù)得到，匯水區(qū)和坡度等參數(shù)通過ArcGIS統(tǒng)計的方法獲取[6]。將研究區(qū)域劃分為54個子匯水面積，雨水管線84根，檢查井51個，排水口3個。研究區(qū)現(xiàn)狀及概化圖分別見下圖1、圖2。

1.2 模型參數(shù)設置

基于SWMM模型原理，參考相關文獻[7]，SWMM用戶操作手冊和實地勘測值確定相關參數(shù)。有無滲透性的粗糙系數(shù)為0.24和0.012，地面坡度為1%～2%，有無滲透性洼蓄深度分別1.5mm和5mm，管道曼寧系數(shù)為0.013；匯流計算采用非線性水庫模型。根據(jù)研究區(qū)域下墊面的實際情況，確定各子匯水區(qū)域的有無洼蓄量不透水地表面積占該區(qū)域總面積的百分比，取值在20%～50%。參考國內(nèi)外研究成果[7]，確定最大、最小入滲率，入滲衰減常數(shù)分別為70mm/h，10mm/h，4h-1；采用動態(tài)波進行演算。

1.3 模型參數(shù)率定

以2017年3月5日的降雨流量的監(jiān)測數(shù)據(jù)對SWMM模型進行參數(shù)率定，根據(jù)降雨監(jiān)測數(shù)據(jù)，降雨徑流結果與測定結果如圖3，模擬的徑流量值接近實測數(shù)據(jù)，流量參數(shù)吻合度較高[8]。參數(shù)率定采用Monte Carlo法，并用Nash-Sutcliffe系數(shù)來評價模擬結果，曲線與監(jiān)測時間序列的吻合程度，見式（1）。

圖1 研究區(qū)現(xiàn)狀圖

圖2 研究區(qū)概化圖

式中RNS為納什系數(shù)；QS為i時刻的實測值；Qm為i時刻的模擬值；QP為觀測數(shù)據(jù)的平均值。

納什系數(shù)越接近于1，說明模擬結果與監(jiān)測曲線吻合程度越高；納什系數(shù)大于0.7，則表示模擬值與實測值較吻合。本試驗中，率定流量的納什系數(shù)為0.948，則率定結果驗證了SWMM模型的可靠性與準確性。

圖3 SWMM模型流量率定結果

2 內(nèi)澇防治設施的優(yōu)化改造

2.1 不同降雨條件的設定

本研究旨在分析內(nèi)澇防治系統(tǒng)的排水能力，故選用南昌地區(qū)2012年8月21日至8月22日的典型特大暴雨，以及根據(jù)南昌的暴雨強度公式，采用芝加哥雨型生成器[9]，降雨歷時為120min，雨峰系數(shù)為 0.35，設計重現(xiàn) 1a、3a、5a、10a、30a、50a。

南昌市降雨強度公式：

其中q為設計暴雨強度（mm/min），P為重現(xiàn)期（a），t為降雨歷時（min）。

2.2 改造措施的選擇

內(nèi)澇防治設施未優(yōu)化前，研究區(qū)域的透水性地表僅占總面積的22.5%，雨水管徑分別為 DN400，DN600，DN800，未設置雨水調蓄池及相應的大型管渠和泵站設施。

根據(jù)《室外排水規(guī)范》內(nèi)澇防治設施的組成[10]，優(yōu)化改造分為三個層面，進行單一優(yōu)化比較。雨水系統(tǒng)優(yōu)化改造措施如下：措施A（源頭控制層面）。通過海綿城市建設，與LID雨水系統(tǒng)的構建，綜合采取“滲”、“滯”、“蓄”、“凈”、“用”、“排”等措施，最大限度地減少城市開發(fā)建設對生態(tài)環(huán)境的影響。由此，對研究區(qū)設置LID設施，根據(jù)現(xiàn)有的地形條件，對研究區(qū)合理敷設雨水花園、綠色屋頂、透水鋪裝、滲渠等LID設施。措施B(雨水管渠層面），研究區(qū)屬于老城區(qū)，即將參與城中村的改造，并且人口密度不大，也便于雨水管網(wǎng)的改造。將原有管徑DN400，DN600，DN800分別加大至 DN600，DN800和DN1000，同時依據(jù)現(xiàn)有條件改變管渠埋深。措施C（排澇除險層面），將極易發(fā)生溢流的檢查井J17和J51就地建造成雨水池SU2、SU3，連接的相應管段管徑不發(fā)生變化。并且將子匯水S51，即現(xiàn)有水庫，利用現(xiàn)有地勢條件改造成一個大型調蓄池，并用大管渠相連接。

2.3 模擬結果

針對不同設計重現(xiàn)期下的優(yōu)化改造措施，研究區(qū)域雨水系統(tǒng)的溢流特征情況如表1、表2。

未改造前不同重現(xiàn)期下排水能力情況表 表1

不同重現(xiàn)期下雨水口溢流情況分析表 表2

相對于未優(yōu)化改造前，對比表1數(shù)據(jù)得表2知，單項優(yōu)化措施A、B、C均在不同程度上降低了溢流的產(chǎn)生，從而都能在不同程度上緩解城市內(nèi)澇的發(fā)生。分析表2數(shù)據(jù)，對于措施A、B，在重現(xiàn)期1a、3a、5a 下，溢流節(jié)點，溢流時間和溢流總量的削減率均相差0%～6.7%，并且在P=1a、3a時，削減率均為100%，都能保證管段不發(fā)生溢流；在P=5a時，溢流節(jié)點，溢流時間和溢流總量的削減率分別相差6.7%、0%和3%；在大重現(xiàn)期下，對于溢流的削減率也極其相似，相差都控制在0.8%～7.1%，對于P=10a、30a和50a，對比溢流時間、溢流總量及一六點個數(shù)，兩者溢流削減率均保持在50%以上，仍然可以小程度上控制溢流情況，減緩路面積水情況。而對于措施C，僅在重現(xiàn)期為1年一遇時，沒有檢查井節(jié)點發(fā)生溢流；在P=3a下，相較于措施A、B，溢流的減少相差1.9%～58.8%；而在高重現(xiàn)期下（10a以上），措施C的溢流減少大部分大于措施A、B，削減率高于1.1%～15%，尤其在P=50a時，措施C相比A、B的溢流節(jié)點、溢流總量和溢流時間的減少相差較大。由此可見，措施C雖然對各個重現(xiàn)期的雨水溢流也都有減少，但是更適用于大重現(xiàn)期下。當強降雨時，雨水通過大型管渠流向雨水調蓄池中，并滯留在調蓄池中，從而減少路面積水，當需要時，又可將調蓄池中的水調用；但是小重現(xiàn)期，調蓄池對排水系統(tǒng)影響不大，因此溢流情況和改造前相似。所以，對于措施C而言，更適用于大重現(xiàn)期。

相對于不同重現(xiàn)期，措施A、B減緩溢流情況的途徑也不相同。對于LID技術而言，從源頭上做到“滲”、“滯”、“蓄”，從而減少水的徑流，減緩雨量的洪峰時刻，降低徑流系數(shù)，從而減少路面積水，防治內(nèi)澇；對于雨水管渠設施，仍然以“快排”的方式為主，顧名思義，當降雨發(fā)生時，雨水以最快的速度通過管渠設施排走，也正是因為這樣，容易使雨水管渠發(fā)生淤泥現(xiàn)象，并且維護管理都多有不便。見圖4、圖5徑流過程圖。

圖4 P=1a下措施A、B和C的徑流

圖5 P=50a下措施A、B和C的徑流

結合上圖5分析，措施A和B雖然能在相近程度上減少溢流，改善城市內(nèi)澇情況。但是相比較于措施B，分別在小重現(xiàn)期（P=1a）和大重現(xiàn)期（P=50a）下，措施A對于徑流量的減少為7.35m3和10.1m3，徑流峰值的延遲分別為7min和33min。對于加大管徑和改變節(jié)點高程來說，徑流和系統(tǒng)出流相比較未優(yōu)化改造前而言并沒有很大改變。因此，措施A的改造方案總體優(yōu)于措施B，并更有持久性和穩(wěn)定性。

基于以上分析，提出一種更優(yōu)化的改造措施——組合措施，將措施A與措施C相結合，對研究區(qū)進行就地LID設施增設，并將S51改建成調蓄池，同時增設管渠連接，由于J17點比J51點更易發(fā)生溢流，并且J17點在排放口O2附近，所以仍保持J17點的改造。將2012年8月21日至22日的典型暴雨進行連續(xù)模擬，對比分析措施A、C組合方案。

顯然，由表3得，組合措施能保證重現(xiàn)期在3年內(nèi)各節(jié)點均不發(fā)生溢流。在重現(xiàn)期P=5a降雨條件下，組合措施相比于單項優(yōu)化措施A、C，比較溢流節(jié)點、溢流總量、溢流時間削減率，說明在低重現(xiàn)期下，組合優(yōu)化的效果與單項措施A相似，并優(yōu)于措施C。由連續(xù)降雨模擬知，對比措施A、C，組合措施在一方面對徑流峰值的減少為2.3m3，1.1m3，同時延緩雨峰時間和措施A、C相比，分別相差6min和11min；另一方面，它也能有效緩解溢流，相較于未改造情況下，削減率分別為41%、85%和76%，減少管渠溢流，防止路面積水，有效防治內(nèi)澇的發(fā)生。由此可知，對于組合優(yōu)化，不論是在徑流的削減還是溢流情況，兩方面的作用效果都明顯優(yōu)于措施A、B、C，在各降雨條件下均能有效地防治內(nèi)澇。

3 結語

①通過單項措施的對比分析，LID技術在加大區(qū)域綠化的同時大幅度削減徑流量，顯著起到“滲”和“蓄”；而對于管網(wǎng)“快排”的方式，雖然能大幅度減少溢流情況，但在小雨情形下用途不大，管網(wǎng)也易于淤泥；而對于雨水池和調蓄池，在較大重現(xiàn)期下，對雨水溢流的削減可高達70%以上，對雨水能很好“滯、蓄、用”。LID技術與調蓄池，雨水池及管渠設施的聯(lián)用，能充分體現(xiàn)海綿城市建設中“滲、滯、蓄、凈、用、排”的六字方針，結合六位一體，完善內(nèi)澇防治設施，對城市內(nèi)澇的治理發(fā)揮重要作用。

組合措施溢流情況分析表 表3

②文章模擬了各個層面單項優(yōu)化改造和一個組合優(yōu)化，還可以將其進行排列組合，進行另外兩項及以上的優(yōu)化組合進行模擬，并且也可以計算每一個單項優(yōu)化的成本和效益，為以后的發(fā)展開拓更好前景。