王 敏，魏鉑佳，趙應(yīng)鳳

（1.中水北方勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司，天津 300222；2.天津市水務(wù)工程建設(shè)事務(wù)中心，天津 300204）

1 研究背景

隨著中國地區(qū)城鎮(zhèn)化進程加快，城市人口快速增加，不透水建筑物表面積大大增加，導(dǎo)致透水面積降低，極大改變了城市地區(qū)的水文特征。近些年，城市內(nèi)澇問題時有發(fā)生且日益嚴重，城市防洪排澇已成為社會的一個重要研究領(lǐng)域。城市排澇泵站運行方式的優(yōu)化調(diào)度，對緩解城市內(nèi)澇起到了重要作用[1]。

針對城市排澇泵站等調(diào)蓄設(shè)施的優(yōu)化設(shè)計及調(diào)度，國內(nèi)學(xué)者做了大量研究并取得了豐富的成果。付瀟然等以城市蓄水池為研究對象，綜合水文水動力模型及推理公式，開展了蓄水池容量的優(yōu)化設(shè)計模擬研究，結(jié)果表明，優(yōu)化方案可有效減輕區(qū)域排水的峰值流量，緩解城市內(nèi)澇。羅佳杭等[2-3]基于 SWMM 模型構(gòu)建機場排水模型，通過模擬調(diào)蓄設(shè)施的不同運行方案，指出優(yōu)化調(diào)蓄設(shè)施的優(yōu)化調(diào)度對緩解機場內(nèi)澇效果顯著。薛英文等[4]通過分析調(diào)蓄池對雨水的截留效果，優(yōu)化了調(diào)蓄池的容積，提高了泵站效率；曹萬春等[5]提出了海綿城市優(yōu)化布設(shè)方案，通過優(yōu)化布設(shè)調(diào)蓄池等設(shè)施，實現(xiàn)了校園徑流總量的有效控制等。

據(jù)統(tǒng)計，國內(nèi)外目前主流的城市內(nèi)澇模擬模型有MIKE FIOOD、STORM 和 SWMM[6-7]。在分析研究短歷時暴雨過程的應(yīng)用中，SWMM 具有模擬效果好、計算成果所需的數(shù)據(jù)資料相對較少等優(yōu)勢，被國內(nèi)外學(xué)者廣泛關(guān)注和應(yīng)用[8]。上述研究過程中，針對排澇泵站現(xiàn)狀調(diào)度方案及優(yōu)化調(diào)度方案對比分析的研究仍不多見。因此本文擬采用 SWMM 模型，對廣州番禺區(qū)現(xiàn)有排水管網(wǎng)及泵站，在各設(shè)計暴雨情景及不同調(diào)度方案下的運行效果開展數(shù)值模擬研究。

文章主要針對現(xiàn)有泵站的運行方案進行優(yōu)化調(diào)度設(shè)計，通過模擬在現(xiàn)有調(diào)度方案及優(yōu)化調(diào)度方案下泵站的運行狀態(tài)，對比不同方案下泵站蓄水池的水位過程、泵站運行時間及周邊溢流井點數(shù)量的變化，從而分析泵站在不同調(diào)度方案下應(yīng)對暴雨的能力，以期為泵站的高效運行提供科學(xué)的指導(dǎo)方案。

2 研究區(qū)和數(shù)據(jù)資料

2.1 研究區(qū)概況

選取泵站位于廣州中南部番禺區(qū)。番禺區(qū)東臨獅子洋；西與佛山市南海區(qū)、順德區(qū)相鄰；南鄰沙灣水道，與南沙區(qū)接壤；北隔瀝滘水道與珠江干流，與海珠區(qū)和黃埔區(qū)相接。番禺區(qū)總面積530km2。番禺區(qū)境內(nèi)地勢平坦，地勢由北、西北向東南傾斜，北部主要是50m以下的低矮丘陵，南部是連綿不斷的三角洲平原。區(qū)域內(nèi)城市內(nèi)澇現(xiàn)象時有發(fā)生，因此開展番禺區(qū)內(nèi)泵站的優(yōu)化調(diào)度，對緩解區(qū)域內(nèi)澇十分必要。

2.2 數(shù)據(jù)資料

管網(wǎng)數(shù)據(jù)主要包括研究區(qū)內(nèi)檢查井、管道、出水口等的基本參數(shù)信息?；贏rcgis軟件進行數(shù)據(jù)預(yù)處理，開展管網(wǎng)相關(guān)數(shù)據(jù)的合理性分析及修正。泵站數(shù)據(jù)包括泵站、蓄水池等的結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)及泵站的現(xiàn)狀運行方案等信息，相關(guān)數(shù)據(jù)均來自泵站運行管理單位。地表數(shù)據(jù)主要包括土地利用類型和高程數(shù)據(jù)。土地利用類型數(shù)據(jù)通過下載高分辨率影像來解譯獲取。從圖新地球軟件獲取分辨率相對較高的研究區(qū)域衛(wèi)星影像資料，通過 ArcGIS 軟件進行預(yù)處理，在軟件中將所用影像資料按其功能和定位分為房屋、道路、水體和植物。通過上述數(shù)據(jù)處理，獲得本文研究內(nèi)容所需要的主要土地利用類型數(shù)據(jù)。此外，高程數(shù)據(jù)來源于當(dāng)?shù)貥I(yè)務(wù)主管部門，精度為5m×5m，進一步通過 ArcGIS 軟件的坡度分析工具獲取研究區(qū)域的坡度數(shù)據(jù)參數(shù)。

3 研究方法

文章采用SWMM模型模擬城市暴雨徑流過程。建模過程中，首先對檢查井及管網(wǎng)數(shù)據(jù)進行概化，并基于概化井點進行子匯水區(qū)劃分，從而建立研究區(qū) SWMM 模型。

SWMM模型主要包含水文模擬及水力模擬兩部分。水文模擬的核心思想是對城市地表產(chǎn)匯流過程進行模擬，具體包括地表徑流計算和地表入滲計算。地表徑流計算部分選取非線性水庫方法計算所有子匯水區(qū)的徑流量；地表入滲計算則主要模擬雨水穿過具有滲透性土層過程?；纛D入滲模型、格林-安普特入滲模型和徑流曲線數(shù)值入滲模型[15]是常用的三種入滲模型。文章擬采用霍頓入滲模型，其數(shù)學(xué)原理如公式（1）所示，即假定雨水在土層中的最大下滲率隨時間呈現(xiàn)指數(shù)關(guān)系下降至最小值。

式(1)中：f為下滲率，mm/s；fe為穩(wěn)定入滲率，mm/s；f0為初始土壤含水量相對應(yīng)的下滲率，mm/s；ft為穩(wěn)定下滲率，mm/s；k為下滲能力隨時間的遞減系數(shù)；t為下滲歷時，s。

水力模擬主要模擬地表產(chǎn)流通過檢查井進入排水管網(wǎng)系統(tǒng)后的流動過程，管渠匯流演算原理采用水力學(xué)方法進行求解。恒定流演算、運動波演算和動態(tài)波演算[16-18]是當(dāng)前水力模擬過程中常用的三種計算方式。上述三種計算方式中，動態(tài)波法采用求解完整的一維圣維南流量方程組進行管網(wǎng)中水流流量計算，其計算結(jié)果較恒定流演算及運動波演算更為精確，因此文章采用動態(tài)波演算。具體求解方程組如公式（2）和公式（3）所示。

圣維南方程動量方程為：

式(2)、(3)中：Q為斷面流量，m3/s；A為垂直于 軸的橫斷面，m2；x為水流方向；S0為地面坡度；Sf為水流坡度；Vx為水流方向的橫斷面平均流速，m/s。

4 模型構(gòu)建與情景設(shè)置

4.1 排水模型構(gòu)建

文章的排水模型首先通過ArcGIS軟件對研究區(qū)域管道、排放口、檢查井及泵站等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進行概化處理，并結(jié)合泵站所在區(qū)域的地形等因素合理選擇研究區(qū)域的邊界范圍；其次根據(jù)泰森多邊形法進行了子匯水區(qū)的劃分；然后基于ArcGIS平臺對坡度、不透水率等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進行計算，完成模型基礎(chǔ)參數(shù)設(shè)置；最后模型概化為179個子匯水區(qū)、179個檢查井、泵站1座及出水口1個。集成上述基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，通過SWMM軟件模擬泵站在不同降雨重現(xiàn)期下，現(xiàn)狀調(diào)度及優(yōu)化調(diào)度兩種運行方案下的蓄水池的水位過程、泵站的運行時間及研究區(qū)域溢流井點個數(shù)的變化，從而定量揭示泵站運行方式對城市排水的調(diào)節(jié)作用。

4.2 設(shè)計暴雨情景

為深入表征泵站不同調(diào)度方案下的排水及減澇效果，文章基于廣州暴雨強度公式，如公式（4）所示，構(gòu)建了P=1、P=2、P=3、P=5、P=10、P=20、P=30、P=50共計8種重現(xiàn)期下2h的芝加哥雨型作為研究區(qū)域的降雨輸入。其中，降雨的雨峰系數(shù)為 0.4，計算時間步長為 1min，設(shè)計暴雨強度的計算公式為：

式中，q為設(shè)計暴雨強度，L/(s·hm2)；p為設(shè)計重現(xiàn)期，a ；t為降雨歷時，h。

5 模擬結(jié)果分析

5.1 泵站現(xiàn)狀運行方案模擬結(jié)果分析

泵站現(xiàn)狀運行方案為：啟動水位為6m，停泵水位為1m。下面就該方案下的上游管網(wǎng)溢流井點位置及泵站蓄水池水位過程進行計算結(jié)果分析。

5.1.1 上游管網(wǎng)溢流井點位置分析

通過提取SWMM模擬結(jié)果，并且結(jié)合ArcGIS軟件分析，得到了不同重現(xiàn)期下檢查井淹沒情況。研究區(qū)域遭遇重現(xiàn)期為1a一遇的暴雨時，部分區(qū)域的檢查井就會出現(xiàn)溢流現(xiàn)象，并且呈中間多兩端少的趨勢。隨著降雨強度的增大，研究區(qū)左右兩側(cè)被淹沒的檢查井會隨之增多。

5.1.2 蓄水池水位過程

通過對比泵站現(xiàn)狀運行方案下，20a及30a一遇降雨條件下泵站蓄水池水位過程的模擬結(jié)果可知，不同重現(xiàn)期蓄水池水位過程，見圖1。每個時段所對應(yīng)的蓄水池的實時水位在30a一遇暴雨情境下蓄水池的水位＞6m且有溢流產(chǎn)生，證明蓄水池?zé)o法承受該時段降雨強度；20a一遇暴雨情景下，蓄水池的水位≤6m且并無溢流；以上結(jié)果表明該泵站在現(xiàn)狀調(diào)度方案下，實際的排水防澇能力僅能夠抵御20a一遇的降雨。

圖1 不同重現(xiàn)期蓄水池水位過程

5.2 泵站優(yōu)化調(diào)度方案

5.2.1 優(yōu)化方案設(shè)計

基于泵站現(xiàn)狀調(diào)度方案的計算結(jié)果分析，為提高泵站抵御降雨的能力，可考慮通過調(diào)整泵站的啟閉水位，從而改善蓄水池在30a一遇暴雨條件下的溢流現(xiàn)狀。文章擬采用降低排澇泵的起泵水位方案，具體的啟停水位設(shè)置如下：泵站中兩臺排澇泵泵的啟泵和停泵水位均分別設(shè)置為1m、0.5m?；趦?yōu)化后的調(diào)度方案，采用swmm模型進行數(shù)值模擬，通過對比分析優(yōu)化前后蓄水池的水位過程、泵站的運行時間及上游溢流井點的個數(shù)，來分析優(yōu)化方案的科學(xué)性及優(yōu)勢性。

5.2.2 不同方案模擬結(jié)果對比分析

泵站現(xiàn)狀調(diào)度方案及優(yōu)化調(diào)度方案后的溢流井點個數(shù)的變化，溢流井點個數(shù)變化對比表，見表1。通過表1可知，在各降雨情景下，泵站的優(yōu)化調(diào)度方案較現(xiàn)狀調(diào)度方案溢流井點個數(shù)均有不同程度的降低，減少個數(shù)在2～6個之間，優(yōu)化效果明顯。

表1 溢流井點個數(shù)變化對比表

泵站現(xiàn)狀調(diào)度方案及優(yōu)化調(diào)度方案后排澇泵啟動時間的對比，結(jié)果顯示排澇泵在優(yōu)化調(diào)度方案較現(xiàn)狀調(diào)度方案的工作時間提前了約4min，泵站啟動時刻對比表，見表2。

表2 泵站啟動時刻對比表

泵站現(xiàn)狀調(diào)度方案及優(yōu)化調(diào)度方案后在30a一遇暴雨情景下蓄水池平均水位的變化過程，30a一遇蓄水池不同調(diào)度方案下蓄水池水位對比表，見圖2。由圖2可知，泵站在優(yōu)化調(diào)度方案下較現(xiàn)狀調(diào)度方案蓄水池水位顯著降低，且未發(fā)生溢流。

進一步表明，優(yōu)化調(diào)度方案實施后，能夠?qū)⒈谜粳F(xiàn)狀抵御20a一遇降雨的能力提高到抵御30a一遇降雨的能力，說明優(yōu)化調(diào)度方案排澇效果明顯。

圖2 30a一遇蓄水池不同調(diào)度方案下蓄水池水位對比表

6 結(jié) 論

文章以廣州市番禺區(qū)某泵站周邊為研究區(qū)域，通過建立SWMM模型模擬了不同降雨重現(xiàn)期下泵站在現(xiàn)狀調(diào)度方案及優(yōu)化調(diào)度方案下泵站的排水狀況。通過對比不同方案下泵站周邊溢流井點分布情況、蓄水池的水位過程變化及排澇泵站的運行時間得到以下結(jié)論：

1）泵站的優(yōu)化調(diào)度方案較現(xiàn)狀調(diào)度方案下檢查井的溢流井點個數(shù)均有減少，減少個數(shù)在2～6個之間。

2）泵站在優(yōu)化調(diào)度方案下較現(xiàn)狀調(diào)度方案蓄水池水位顯著降低。

3）優(yōu)化調(diào)度方案實施后，泵站運行時間有較小程度增加，能夠?qū)⒈谜粳F(xiàn)狀抵御20a一遇降雨的能力提高到抵御30a一遇降雨的能力，優(yōu)化效果顯著。

4）通過優(yōu)化城市排澇泵站的調(diào)度方案，能為緩解城市內(nèi)澇問題提供有效手段。