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        基于SWMM模型模擬的現(xiàn)狀城市排水管網(wǎng)評估

        2022-11-10 06:44:08劉加強汪思穎
        凈水技術(shù) 2022年11期
        關(guān)鍵詞:匯水區(qū)雨型積水

        李 昂,劉加強,汪思穎

        (徐州工程學院環(huán)境工程學院,江蘇徐州 221111)

        作為城市重要基礎設施,城市雨水管網(wǎng)擔負著收集雨水、及時排除市區(qū)和流經(jīng)市區(qū)雨水的任務。城市化的快速發(fā)展,不透水面面積的急劇增加,城市雨水管網(wǎng)設施建設的相對滯后,使得一些城市面臨內(nèi)澇問題,嚴重影響市民的生活和城市的正常運轉(zhuǎn)。因此,各地加快了對老舊管網(wǎng)改造的步伐,而防洪排澇工作在城市規(guī)劃建設中也占據(jù)著越來越重要的地位[1-2]。開展城市管網(wǎng)數(shù)字化研究,利用模型模擬分析城市雨水管網(wǎng)運行現(xiàn)狀,并應用于排水管網(wǎng)的優(yōu)化與改擴建中是十分必要的。

        自20世紀70年代起,許多國家已開始利用數(shù)學模型模擬城市地表徑流對降雨事件的響應過程,用于城市防洪規(guī)劃和管網(wǎng)的優(yōu)化[3]。暴雨洪水管理模型(storm water management model,SWMM)是一個以水動力學為基礎的降水-徑流模擬模型[4-5],主要用于城市某單一降水事件或長期水量和水質(zhì)的模擬。該模型最早開發(fā)于1971年,是國內(nèi)外工程人員規(guī)劃涉及城市雨水管網(wǎng)、污水管網(wǎng)以及混合排水管網(wǎng)的常用工具。Pomeroy等[6]以美國53年的降雨資料為基礎,利用SWMM模型進行水文和水動力學模擬。李彥偉等[3]利用SWMM模型對所選區(qū)域排水系統(tǒng)的運行現(xiàn)狀進行模擬,并有針對性地提出管網(wǎng)改造方案,為城市排水管網(wǎng)優(yōu)化設計、管網(wǎng)改擴建和管道養(yǎng)護提供了技術(shù)支持。邵朋昊[7]在城市排水管網(wǎng)模擬研究中,將SWMM模型與ArcGIS集成,實現(xiàn)了大量城市排水管網(wǎng)數(shù)據(jù)的有效管理,也可方便甄別出排水壓力較大的地區(qū)或管段。宋耘等[8]基于SWMM構(gòu)建一維雨洪模型,利用南京市2011年“7·18”暴雨資料,模擬暴雨期間南京市易澇區(qū)——鼓樓區(qū)廣州路段的內(nèi)澇情況,通過地表積水量與最大積水深度函數(shù)關(guān)系的擬合,分析得出易澇區(qū)積水開始時間、積水持續(xù)時間、最大積水深度,為及時有效支撐防洪除澇應急決策提供參考依據(jù)。冉小青等[9]以某市區(qū)道路為研究對象,通過概化、率定及驗證后,運用SWMM模型模擬2、10、100年一遇設計降雨條件下道路出口的徑流過程,并對下凹式綠地、透水磚和透水路面3種典型海綿措施組合方案的雨洪控制效果進行分析。嚴一鳴等[10]以某市規(guī)劃改造小區(qū)為研究對象,通過SWMM和鴻業(yè)海綿軟件分別對傳統(tǒng)和新型種植屋面兩種改造方案進行模型構(gòu)建,并進行徑流控制及污染物削減能力模擬評估。由此可知,基于SWMM模型模擬分析排水管網(wǎng)運行現(xiàn)狀,對提升管網(wǎng)系統(tǒng)排水能力、提出管網(wǎng)優(yōu)化設計方案、緩解內(nèi)澇風險具有指導意義。黃棚蘭等[11]利用SWMM模型對某小區(qū)污水管網(wǎng)在動態(tài)條件下的水力狀態(tài)進行模擬,按照24 h用水統(tǒng)計規(guī)律分配居民用水平均日用水量,并在污水管網(wǎng)模擬過程中加入因降雨徑流而入流污水管網(wǎng)造成的影響,結(jié)果表明,SWMM模型可評價雨水入流對污水管網(wǎng)運行的影響。王兆禮等[12]基于SWMM和TELEMAC-2D模型構(gòu)建出新的耦合模型TSWM,并以廣州長湴地區(qū)為例,對不同重現(xiàn)期暴雨開展數(shù)值模擬,較準確地模擬了研究區(qū)的內(nèi)澇情況,并可實現(xiàn)城市內(nèi)澇精細化模擬。姚煥玫等[13]將研究區(qū)劃分為若干150 m×150 m的子匯水面積作為模擬單元,采用SWMM模型和ArcGIS系統(tǒng),構(gòu)建南寧市區(qū)地表徑流及非點源污染精細化雨水徑流模型,并利用SWMM低影響開發(fā)模塊,結(jié)合不同改造目標對南寧某高強度海綿城市模式示范區(qū)進行情景改造模擬,并提出將單位成本投資作為工程效益評估指標,能更客觀、真實地指導南寧海綿城市建設改造。

        本文主要根據(jù)徐州市南部某匯水區(qū)雨水管網(wǎng)現(xiàn)狀,利用SWMM模型對該區(qū)進行暴雨模擬,分析不同降雨重現(xiàn)期下雨水管網(wǎng)的排水情況以及匯水區(qū)內(nèi)的積水情況,從而為完善現(xiàn)狀雨水管網(wǎng)、減少城市內(nèi)澇提供依據(jù)。

        1 研究區(qū)概況及模型構(gòu)建

        1.1 研究區(qū)概況

        研究區(qū)位于徐州市南部,匯水區(qū)總面積約為15.36 km2,現(xiàn)狀用地主要為建設用地、綠地和林業(yè)用地。其中,建設用地面積約為9.86 km2,約占總用地面積的64.2%;綠地面積約為0.77 km2,約占總用地面積的5.0%;林業(yè)用地面積約為3.75 km2,約占總用地面積的24.4%;其他用地面積約為0.98 km2,占總用地面積的6.4%。如圖1(a)所示,研究區(qū)地勢整體表現(xiàn)為西高東低的特點,高程在29~198 m,地勢高差較大,如圖1(b)所示。

        圖1 研究區(qū)區(qū)域Fig.1 Research Area

        研究區(qū)屬于雨污分流排水體制,雨水管道管材多采用鋼筋混凝土管,管徑為d600~d2000,部分為排水管渠,斷面尺寸為B×H=2.5 m×1 m,管線全長約為5.88 km。區(qū)域內(nèi)有河流1條,全長約為5.1 km,自西向東接入其他河流。

        1.2 降雨數(shù)據(jù)

        降雨過程線是指一個時間段內(nèi)的降雨量在單位時間上的變化過程,可通過直線圖或者曲線圖來表示,通常把用來表示降雨過程線的全過程稱為降雨模擬。有多年完整降雨資料的地區(qū),可以采用實測資料進行模擬;當降雨資料匱乏時,可根據(jù)理論或者經(jīng)驗公式合成降雨曲線后輸入模型進行模擬。常見雨型有均勻雨型、模式雨型、芝加哥雨型、P&C雨型、Huff雨型、CSC雨型、Yen & Chow雨型(三角形雨型)。

        降雨數(shù)據(jù)采用國內(nèi)常用的芝加哥雨型及徐州市暴雨強度公式合成暴雨數(shù)據(jù)[14]。慕瑞琪等[15]對52場較為完整降雨的研究結(jié)果表明:暴雨雨型基本呈單峰形,60、120 min雨型雨峰位置均處于前部,120 min雨峰系數(shù)r=0.29,雨峰時段雨量占總雨量的16.78%;60 min雨峰系數(shù)r=0.41,占總雨量的23.13%[16]。本研究中雨峰系數(shù)取0.4,降雨歷時取120 min,分別模擬1、2、3、5 a這4個不同重現(xiàn)期的降雨,降雨過程線如圖2所示。徐州市暴雨強度計算[17]如式(1)。

        (1)

        其中:i——降雨強度,mm/min;

        t——暴雨歷時,min;

        P——暴雨重現(xiàn)期,a。

        圖2 2 h歷時雨量數(shù)據(jù)Fig.2 2 h Rainfall Duration Data

        1.3 徑流系數(shù)

        利用泰森多邊形對研究區(qū)劃分子匯水區(qū),根據(jù)現(xiàn)狀雨水管道及排水方向進行手動調(diào)整。不滲透系數(shù)對于SWMM模型的精度具有重要影響,其值是根據(jù)子匯水區(qū)內(nèi)不同的用地性質(zhì)進行加權(quán)平均計算得出。不同下墊面對應徑流系數(shù)如表1所示。

        表1 各下墊面對應徑流系數(shù)[18]Tab.1 Runoff Coefficient Corresponding to Each Underlying Surface[18]

        1.4 水文模型參數(shù)設置

        水文模塊包括地表產(chǎn)流模型和地表匯流模型。SWMM提供了3種地表產(chǎn)流模型,分別是Horton模型、Green-Ampt模型以及Curve-Number模型。其中,Horton模型適用范圍較廣,可應用不同土壤類型試驗所得參數(shù),且模擬結(jié)果較好[19]。本研究中選用Horton產(chǎn)流模型,最大入滲速率為76 mm/h、最小入滲速率為3.3 mm/h、衰減系數(shù)為4 h-1;匯流模型采用非線性水庫模型。不滲透地表、滲透地表和雨水管道的曼寧n值分別為0.015、0.24和0.013[20],不滲透、滲透洼地的蓄水量分別為1.5、7.6 mm,地表坡度根據(jù)研究區(qū)地面標高計算可得,流量演算利用動態(tài)波進行模擬。

        1.5 模型率定

        模型在應用之前,應進行校核和驗證。選用2019年9月研究區(qū)監(jiān)測的一場實測24 h降雨量數(shù)據(jù),結(jié)合片區(qū)實際積水深度對模型進行驗證,積水點位置如圖1(a)所示。模型率定結(jié)果如圖3所示。積水深度模擬數(shù)據(jù)與實際觀測數(shù)據(jù)擬合較好,表明模型的模擬結(jié)果是基本可靠的。

        圖3 降雨量分布與模型率定結(jié)果Fig.3 Rainfall Distribution and Model Calibration

        2 模擬結(jié)果及分析

        2.1 雨水管網(wǎng)排水能力分析

        分別將重現(xiàn)期為1、2、3、5 a的2 h歷時降雨數(shù)據(jù)輸入模型,分析匯水區(qū)內(nèi)雨水管網(wǎng)的排水能力,統(tǒng)計結(jié)果如圖4所示。

        圖4 匯水區(qū)管網(wǎng)評級Fig.4 Drainage Network Classification

        從分析結(jié)果來看, 小于1年一遇排水量的約有48%,滿足1~2年一遇排水量的約有47%,滿足2~3年一遇排水量的約有2%,滿足3~5年一遇排水量的約有3%,大于5年一遇排水量的管涵約有0。

        2.2 積水情況分析

        分別將重現(xiàn)期1、2、3、5 a的2 h歷時降雨數(shù)據(jù)輸入模型,統(tǒng)計分析匯水區(qū)積水面積和積水深度,以評價匯水區(qū)的內(nèi)澇程度,結(jié)果如圖5所示。

        圖5 不同重現(xiàn)期匯水區(qū)淹沒區(qū)域模擬分析圖Fig.5 Simulation Analysis of Waterlogging Region of Rainoff Areas in Different Recurrence Periods

        從分析結(jié)果可以看出,隨著降雨重現(xiàn)期的增大,匯水區(qū)積水面積和積水深度也隨著增加。重現(xiàn)期為1 a時,未淹沒區(qū)約占總匯水面積的95.88%,淹沒區(qū)約占總匯水面積的4.12%;積水深度在0~0.2 m的約占3.41%,0.2~0.4 m的約占0.46%,0.4~0.6 m約占0.18%,0.6~0.8 m的約占0.05%,大于0.8 m的約占0.02%。重現(xiàn)期為2 a時,未淹沒區(qū)約占總匯水面積的94.49%,淹沒區(qū)約占總匯水面積的5.51%;積水深度在0~0.2 m的約占4.57%,0.2~0.4 m的約占0.54%,0.4~0.6 m的約占0.25%,0.6~0.8 m的約占0.09%,大于0.8 m的約占0.06%。重現(xiàn)期為3 a時,未淹沒區(qū)約占總匯水面積的92.98%,淹沒區(qū)約占總匯水面積的7.02%;積水深度為0~0.2 m的約占5.94%,0.2~0.4 m的約占0.59%,0.4~0.6 m的約占0.28%,0.6~0.8 m的約占0.11%,大于0.8 m的約占0.10%。重現(xiàn)期為5 a時,未淹沒區(qū)約占總匯水面積的91.55%,淹沒區(qū)約占總匯水面積的8.45%,淹沒區(qū)面積最多,為1.30 km2;積水深度0~0.2 m的約為1.10 km2,約占7.17%,0.2~0.4 m的約占0.69%,0.4~0.6 m的約占0.32%,0.6~0.8 m的約占0.14%,大于0.8 m的約占0.13%。

        3 結(jié)論與建議

        (1)2 h歷時降雨情況下,匯水區(qū)內(nèi)雨水管網(wǎng)排水能力小于1年一遇排水量的約有48%,1~2年一遇排水量的約有47%,2~3年一遇排水量的約有2%,3~5年一遇排水標準的約有3%,大于5年一遇排水量的管涵約有0。

        (2)2 h歷時降雨情況下,重現(xiàn)期為5 a時的淹沒區(qū)面積最多,為1.30 km2,占匯水區(qū)總面積的8.45%,其中積水深度多小于0.2 m,約為1.10 km2,約占總面積的7.17%。

        (3)匯水區(qū)域在降雨時發(fā)生不同程度積水的原因主要在于城鎮(zhèn)化高速低質(zhì)發(fā)展、短時集中降雨天氣增多、排水管網(wǎng)設計標準偏低以及城市排水系統(tǒng)日常維護管理相對滯后等。在今后的城市建設中,可利用模擬分析結(jié)果有針對性地提出改造方案,以提高城市排水防澇設施規(guī)劃、建設、管理和應急水平。

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