王小旭

（唐山市水利規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，河北 唐山 063000）

1 研究背景

EPA（Environmental Protection Agency，環(huán)境保護(hù)署）SWMM（Storm Water Management Model，暴 雨 洪水管理模型） 是一個(gè)動(dòng)態(tài)降雨-徑流模擬計(jì)算機(jī)程序，該模型為半分布式水文模型，該計(jì)算程序開源，算法透明，方便學(xué)習(xí)交流。主要用于區(qū)域徑流水量和水質(zhì)的單一事件或者長(zhǎng)期（連續(xù)）模擬。 本次模擬計(jì)算由于重點(diǎn)考慮雷剛農(nóng)業(yè)園區(qū)“7·27”降雨過程模擬，故未考慮其水質(zhì)情況。 應(yīng)用SWMM通過暴雨過程推求洪水，相較于傳統(tǒng)方法更具有專對(duì)性，且可以模擬實(shí)際發(fā)生降雨過程而產(chǎn)生的對(duì)應(yīng)洪水。

2021年度， 唐山市平均降雨量達(dá)到1080mm以上， 且降水歷時(shí)較長(zhǎng)， 造成唐山市南部縣區(qū)部分澇災(zāi)。 根據(jù)樂亭縣湯家河雨量站記錄，7月27日—8月1日，降雨量累計(jì)達(dá)到314mm，占樂亭縣全年平均降水量的51%，雷剛農(nóng)業(yè)園區(qū)在此次降水中受災(zāi)較重，園區(qū)內(nèi)部分果樹死亡。 本次采用SWMM軟件，依據(jù)湯家河雨量站7月27日—8月1日降雨過程， 園區(qū)內(nèi)地形、溝渠、涵管等采用實(shí)地考察測(cè)量，建立降雨-徑流模型，分析此次受災(zāi)原因，并為園區(qū)未來(lái)排水規(guī)劃提供建議。

2 研究區(qū)概況

樂亭縣雷剛農(nóng)業(yè)園區(qū)位于樂亭縣胡家坨鎮(zhèn)甘草坨村西南500m，緊鄰西曾線南側(cè)，園區(qū)內(nèi)主要種植果樹，占地面積20.93hm2，園區(qū)內(nèi)依靠路邊開挖土質(zhì)邊溝排水，最后邊溝匯于西曾線公路排水溝，進(jìn)園道路通過在排水溝下埋涵管連接， 澇水最終通過公路排水溝排入大釗渠。

3 模型建立

3.1 子匯水區(qū)劃分及參數(shù)設(shè)置

本次模型計(jì)算范圍為樂亭縣雷剛農(nóng)業(yè)園區(qū)整個(gè)園區(qū)面積，為20.93hm2，根據(jù)實(shí)際踏勘，園區(qū)內(nèi)被進(jìn)園區(qū)內(nèi)道路分成6個(gè)地塊， 各個(gè)地塊之間道路旁邊有人工開挖梯形土質(zhì)排水溝，本次模型建立依據(jù)地形高程測(cè)量情況確定流向并結(jié)合園區(qū)實(shí)際排水情況，對(duì)子匯水區(qū)與排水溝渠進(jìn)行聯(lián)接，使得渠道排水系統(tǒng)流量分配與實(shí)際情況相符。子匯水區(qū)主要屬性：

（1）坡度。 根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)高程測(cè)算結(jié)果，項(xiàng)目區(qū)地勢(shì)總體平緩，東高西低，北高南低，根據(jù)測(cè)算得到子匯水區(qū)域平均坡度為0.02%。

（2）不透水面積及糙率。 研究區(qū)主要為果林園區(qū)，不透水面積主要有園區(qū)搭建建議彩鋼房，及部分硬化道路，不透水面積較小，根據(jù)實(shí)際面積量算，不透水面積按照子透水面積10%計(jì)算， 透水區(qū)域及不透水區(qū)域糙率依據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)及SWMM用戶手冊(cè)確定，透水區(qū)域主要為林地，糙率取值為0.6，不透水區(qū)域?yàn)椴输摲考坝不缆罚诼嗜≈禐?.015。

（3）下滲。 SWMM軟件對(duì)于子匯水區(qū)下滲具有CN模型、Green-Ampt模型和Horton模型3種模型，綜合比選以上3種模型， 本次由于地塊地類面積較小且土壤類型單一， 確定選取參數(shù)設(shè)定較為簡(jiǎn)單的Horton模型，根據(jù)實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)探勘，研究區(qū)域內(nèi)主要土壤類型為潮土，最大入滲速率確定為75mm/h，最小入滲速率確定為18mm/h，衰減常數(shù)確定為3.5h-1，模型區(qū)子匯水區(qū)域概化情況詳如圖1， 相關(guān)計(jì)算參數(shù)如表1。

圖1 模型區(qū)子匯水區(qū)域概化情況

表1 模型區(qū)子匯水區(qū)域?qū)傩?/p>

3.2 排水管渠概化及參數(shù)選擇

根據(jù)實(shí)際勘察結(jié)果， 園區(qū)內(nèi)主要通過路邊人工開挖土質(zhì)邊溝排水， 部分進(jìn)園道路下設(shè)涵管跨越土質(zhì)邊溝，材質(zhì)為混凝土管，故排水管渠主要為梯形土質(zhì)邊溝及圓形混凝土管， 相關(guān)設(shè)計(jì)尺寸根據(jù)實(shí)際測(cè)量結(jié)果。 糙率依據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)及SWMM用戶手冊(cè)確定，其中土質(zhì)排水溝糙率選取為0.03， 混凝土管涵糙率選取為0.012。 排水管渠設(shè)計(jì)參數(shù)如表2。

表2 模型區(qū)排水管渠設(shè)計(jì)參數(shù)統(tǒng)計(jì)

SWMM軟件對(duì)于管道匯流采用3種水力計(jì)算方式，分別為恒定流、運(yùn)動(dòng)波和動(dòng)態(tài)波，本次研究區(qū)內(nèi)土質(zhì)排水溝及涵管雖然型式較為單一， 但由于人為開挖搭建，存在逆坡、漫流、悶孔等現(xiàn)象，恒定流及運(yùn)動(dòng)波無(wú)法滿足上述現(xiàn)象的描述， 只有采用動(dòng)態(tài)波可模擬上述情況下水流流動(dòng)， 故本次管道匯流水動(dòng)力條件選用動(dòng)態(tài)波方程。

3.3 暴雨序列選擇

本次模擬時(shí)段為2021年7月27日5：00至2021年8月2日0：00， 采用樂亭縣湯家河雨量站實(shí)測(cè)降雨成果，降雨量累計(jì)達(dá)314mm，占樂亭縣全年平均降水量的51%，降雨時(shí)間間隔為1h，湯家河雨量站實(shí)測(cè)降雨過程如圖2。

圖2 湯家河雨量站實(shí)測(cè)降雨過程

4 結(jié)果分析

4.1 一般項(xiàng)設(shè)置

上述條件設(shè)定完畢后，在SWMM軟件中，一般項(xiàng)選擇中，過程模型選擇降雨、徑流及流量演算，下滲模型選擇Horton模型，演算模型選擇動(dòng)態(tài)波，模擬日期設(shè)定為本次模擬時(shí)段為2021年7月27日5：00至2021年8月2日0：00，演算時(shí)間步長(zhǎng)為30sec，動(dòng)態(tài)波設(shè)定中，慣性項(xiàng)選擇阻尼，正常流動(dòng)原則坡度和傅汝德數(shù)兩者均選， 壓力干管公式選擇Hazen-Williams，然后進(jìn)行運(yùn)行模擬。

4.2 演算結(jié)果

通過執(zhí)行模擬， 軟件在計(jì)算完成之后可得到相關(guān)計(jì)算成果，本次將部分成果展示如下，主要為各主要節(jié)點(diǎn)在模擬范圍內(nèi)隨降雨過程流量變化如圖3，水深變化如圖4，及西曾線公路排水溝模擬段內(nèi)最大水深統(tǒng)計(jì)如圖5。

圖3 主要節(jié)點(diǎn)流量過程線

圖4 主要節(jié)點(diǎn)水深過程線

圖5 西曾線公路排水溝最大水位剖面線

通過結(jié)果分析，可見灌渠排水流量、水深與降雨量對(duì)應(yīng)關(guān)系較好，且略微滯后于降水量過程線，與實(shí)際情況較為符合， 排放口流量及水位低于其他重要節(jié)點(diǎn)，主要原因?yàn)榕欧趴谠O(shè)置了直徑0.4m管涵，管內(nèi)水流為有壓流， 排放流量流量小于農(nóng)業(yè)園區(qū)自產(chǎn)流量，根據(jù)統(tǒng)計(jì)成果，這段時(shí)間范圍為2021年7月27日8：30至2021年7月28日14：30，歷時(shí)33.5h，對(duì)應(yīng)于本次模擬降水的主要過程。

通過分析西曾線公路排水溝模擬段內(nèi)最大水位，排水溝由于認(rèn)為搭建道路下設(shè)涵管過水，涵管底高程較高，使渠道部分渠底存在逆坡，且排放口管涵直徑較小，排水溝排水受阻，園區(qū)內(nèi)積水不能順利排出。

5 結(jié)語(yǔ)

（1）通過上述計(jì)算分析、結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)勘查及當(dāng)?shù)厝罕妴栐?，雷剛農(nóng)業(yè)園區(qū)受災(zāi)的主要原因：①本次降水持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，且雨量較大，園區(qū)地塊果樹根系土壤含水一直處于飽和狀態(tài)。 ②園區(qū)西曾線公路排水溝排入大釗渠排放口直徑較小，排水受阻，致使園區(qū)內(nèi)產(chǎn)生澇水未能及時(shí)排出。 ③園區(qū)西曾線公路排水溝中間修建進(jìn)園道路，下設(shè)涵管，涵管底高程較高，溝底存在較大逆坡，排水不暢。 ④根據(jù)實(shí)地勘查，園區(qū)內(nèi)均為土質(zhì)邊溝，均系人工自行開挖， 溝底未形成一致坡比， 且部分地段存在逆坡，園區(qū)內(nèi)部分生活雜物阻塞排水邊溝。 ⑤農(nóng)業(yè)園區(qū)地處沿海平原地區(qū)，地勢(shì)較為平坦，園區(qū)子地塊坡度較緩，自身排水亦較慢。

（2）通過SWMM軟件分析，可定量得到子區(qū)域產(chǎn)流量及過程線、整個(gè)園區(qū)最大排水流量及排水時(shí)長(zhǎng)，匯入邊溝過流能力等，可有效查找出受災(zāi)原因，為問題分析解決提供參考。

（3） 建議園區(qū)應(yīng)委托專業(yè)咨詢?cè)O(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計(jì)，依功能進(jìn)行合理規(guī)劃布局。改造園區(qū)西曾線公路排水溝入大釗渠管渠， 園區(qū)內(nèi)排水管渠應(yīng)科學(xué)布設(shè)， 排水管徑及溝渠尺寸不應(yīng)小于子流域產(chǎn)生最大澇水流量，統(tǒng)籌園區(qū)內(nèi)排水溝底寬及坡比設(shè)計(jì)?？蓪⑴潘疁蠑嗝嬖O(shè)置為磚混結(jié)構(gòu)， 園區(qū)進(jìn)場(chǎng)道路跨越排水溝建議設(shè)置為箱涵。 園區(qū)排水溝渠末端設(shè)置集雨池，充分利用雨洪資源。 園區(qū)配備相關(guān)排水設(shè)備，可采用機(jī)排方式，防止園區(qū)受災(zāi)。