林利森 熊子鷹 趙少遠

〔摘 要〕為了有效調(diào)度城市雨水系統(tǒng)中的灰色管渠部分，使之能與綠色基礎(chǔ)設(shè)施聯(lián)動作用，最大限度地控制城市雨水，對S縣城雨水系統(tǒng)進行優(yōu)化模擬并建立SWMM模型。結(jié)果表明，通過改造S縣雨水系統(tǒng)，當(dāng)?shù)卦诘湫徒涤晗碌膹搅鞣逯的苎舆t約9 min出現(xiàn)，5 a重現(xiàn)期以下超載管道和超載節(jié)點數(shù)比改造前降低了90%以上，排放口流量明顯降低。

〔關(guān)鍵詞〕 SWMM;雨水系統(tǒng);優(yōu)化模擬

中圖分類號：TU992? ? 文獻標(biāo)志碼：B? 文章編號：1004-4345（2024）03-0051-04

Optimization Simulation of Rainwater System in County S Based on SWMM Analysis Model

LIN Lisen1， XIONG Ziying2， ZHAO Shaoyuan2

（1. Jiangxi Water Investment Construction Group Co.， Ltd.， Nanchang， Jiangxi 330029， China;

2. Jiangxi Water Group Co.， Ltd.， Nanchang， Jiangxi 330029， China）

Abstract? In order to effectively regulate the gray pipe culverts of the urban rainwater system， enabling them to interact with green infrastructure and control urban rainwater to the maximum extent， this study is made on the optimization simulation of the rainwater system in County S， and a SWMM model is developed. The results by renovating the rainwater system in County S show that the local peak runoff under typical rainfall condition can be delayed by about 9 minutes， and the number of overloaded pipelines and nodes below the 5 a recurrence period has decreased by more than 90% compared to the number before the renovation， and the flow rate of discharge outlet has also been significantly reduced.

Keywords? SWMM; rainwater system; optimization simulation

收稿日期：2023-11-20

作者簡介：林利森（1975—），男，高級工程師，主要從事工程建設(shè)與管理工作。

1?? 研究背景

近年來，我國學(xué)者將低影響開發(fā)理念引入城市雨水系統(tǒng)設(shè)計當(dāng)中，利用建模技術(shù)在城市雨水控制利用與雨水資源化回收領(lǐng)域取得了一系列成果。為解決控制目標(biāo)的適用性問題，劉建彪[1]提出了一套適用于LID雨水系統(tǒng)的水文分析方法，以徑流總量為主要指征，科學(xué)地評價LID雨水系統(tǒng)對于地表雨水的削減效果。蒲政衡[2]在青島市李滄區(qū)海綿城市試點區(qū)內(nèi)構(gòu)建了降雨徑流模型，證實了LID設(shè)施可以增加雨水的滲透，降低雨洪發(fā)生風(fēng)險，尤其在低重現(xiàn)期對雨水徑流總量和峰值具有顯著控制效果。然而，隨著研究的深入，國內(nèi)學(xué)者也發(fā)現(xiàn)了一些問題，例如LID理念的核心內(nèi)容“低影響”，過于強調(diào)新型雨水調(diào)蓄設(shè)施，而未將長期以來占主導(dǎo)作用的傳統(tǒng)雨水管道、溝渠等灰色基礎(chǔ)設(shè)施統(tǒng)籌考慮。在LID系統(tǒng)設(shè)定中，灰色設(shè)施僅作為雨水轉(zhuǎn)運的空間通道，卻未能與綠色設(shè)施產(chǎn)生聯(lián)動效果。為了更好地達成城市排澇的目的[4]，本文在以S縣城為例研究構(gòu)建其雨水系統(tǒng)時，綜合考慮了灰色和綠色基礎(chǔ)設(shè)施的協(xié)調(diào)聯(lián)用，以期最大限度地控制城市雨水，為我國內(nèi)澇防治和雨水控制利用提供參考。

2?? 雨水系統(tǒng)組成

本次模擬構(gòu)建的雨水系統(tǒng)組成如圖1所示，包括入滲系統(tǒng)、轉(zhuǎn)輸系統(tǒng)、調(diào)蓄系統(tǒng)和排放系統(tǒng)。其中調(diào)蓄系統(tǒng)作為控制超常規(guī)降水量的輔助措施，應(yīng)在有條件的情況下敷設(shè)。

圖1? 雨水系統(tǒng)優(yōu)化形式

雨水排放最前端是入滲系統(tǒng)，通過對城市地表、屋面等結(jié)構(gòu)采取相應(yīng)的改造措施，如鋪設(shè)綠色屋頂、下墊面透水鋪裝等，可以提升區(qū)域內(nèi)的入滲量，從總量上控制住了徑流量的增長幅度。轉(zhuǎn)輸系統(tǒng)通過雨水控制單元對地表徑流的匯流過程產(chǎn)生影響，其中灰色基礎(chǔ)設(shè)施將流入管渠系統(tǒng)的徑流向下游輸送，綠色基礎(chǔ)設(shè)施將匯集于自然地面上的地表徑流沿城市綠色下墊面向下游輸送。轉(zhuǎn)輸過程中，雨水會在壓力水頭的作用下，在灰色—綠色界面上向低壓方向做豎向流動，形成雙排水的效果。排放系統(tǒng)位于雨水系統(tǒng)的最下游，借助灰色管渠系統(tǒng)或綠色自然地面，最終將雨水排入水體。

3?? 研究區(qū)域雨水系統(tǒng)優(yōu)化與建模

3.1? 研究區(qū)域概況

S縣位于江西中東部，地處贛、閩交流的主要通道，倚靠武夷山脈，其有據(jù)可考的建城歷史長達

1 762年。S縣自然生態(tài)資源豐富，風(fēng)景優(yōu)美，全縣森林覆蓋率73.29 %，是國家認證的國家級生態(tài)示范區(qū)、國家重點生態(tài)功能區(qū)，地貌特征是山多平地少。S縣四季分明，氣候較溫和，屬亞熱帶濕潤性山區(qū)氣候，年平均氣溫18.0 ℃，年平均降水量1 800.8 mm，最大年降雨量為2 462.6 mm;最小年降雨量為

1 135.6 mm。當(dāng)?shù)?～6月的降雨量占全年降雨總量的48 %。歷年24 h最大降雨量為178.2 mm。

3.2? 降雨情景規(guī)劃及產(chǎn)匯流過程模擬

3.2.1? 降雨情景規(guī)劃

本文采用芝加哥雨型[5]模擬生成的降雨情景作為模型背景，是因為考慮到芝加哥雨型的降雨模型較實際常規(guī)降雨峰值更明顯，對雨水系統(tǒng)的要求更高。結(jié)合S縣住建及氣象部門的指導(dǎo)建議，得出S縣的暴雨強度公式為：

q=。

式中：q為設(shè)計暴雨強度，L/（hm2·s）;p為設(shè)計重現(xiàn)期，年;t為降雨歷時，min;公式中常數(shù)根據(jù)S縣統(tǒng)計數(shù)據(jù)進行計算確定。

3.2.2? 雨水產(chǎn)匯流模擬

本文采用非線性水庫模型[6]模擬徑流匯流，模型基本設(shè)定為將任意子匯水面積均視作非線性水庫，其一般形式方程如下：

=。

式中：ic（t）為對應(yīng)單位時間內(nèi)的凈雨強度，mm/min;Q（t）為對應(yīng)單位時間內(nèi)的系統(tǒng)排放量，m3/s;K為庫容系數(shù);n為無量綱指數(shù)，取值范圍為0～1。

以Horton曲線[7]模擬下滲過程，其計算公式如下：

式中：f0為徑流剛形成時單位時間內(nèi)的下滲量，mm/h;f∞為徑流在土壤飽和時刻，單位時間的下滲量，mm/h;

fp，t為t時刻對應(yīng)的徑流單位時間下滲量，mm/h;kd為下滲量的衰減速率，h-1;F（tp）表示tp時刻內(nèi)達到的總下滲量，mm。

3.3? 模型參數(shù)設(shè)置

根據(jù)雨水系統(tǒng)模型指導(dǎo)書和當(dāng)?shù)氐膶崪y的氣象水文資料，對模型進行了初始設(shè)定的調(diào)試。之后運用大量真實數(shù)據(jù)對模型進行擬合度調(diào)教，不斷反饋到參數(shù)值的調(diào)整上，最終保證模型計算出的預(yù)測值和真實值在可靠范圍內(nèi)。本文將這部分計算參數(shù)選定如表1。

表1? 模型計算參數(shù)

3.4? 模型參數(shù)率定

選取跟蹤監(jiān)測S縣3場不同發(fā)生時間、不同降雨強度的降雨情境，獲取其降雨過程數(shù)據(jù)，據(jù)此進行模型的參數(shù)率定。

以納什效率系數(shù)（NSE）作為模型質(zhì)量驗證標(biāo)準(zhǔn)[8]，可以反映其擬合精準(zhǔn)度。若NSE>0.7，則表明模型的質(zhì)量較好，可靠度較高，模型推導(dǎo)出的模擬值和實測值擬合程度較高。NSE越是趨近于1，則模型的質(zhì)量越好，模型置信度越高。

對上述降雨過程數(shù)據(jù)匯總形成校驗數(shù)據(jù)源，輸入模型對其可靠性進行驗證，3場降雨輸出的納什效率系數(shù)NSE分別為0.86、0.91、0.83，均處于0.7～1.0之間。圖2顯示的是在2018年9月22日的降雨情境下實測過程和模擬過程的對比情況?？梢钥闯觯瑑?yōu)化后的模型參數(shù)表現(xiàn)出良好的擬合可靠性，所以該模型用于模擬降雨情境是符合準(zhǔn)確度要求的。

3.5? 雨水系統(tǒng)優(yōu)化

研究區(qū)下墊面的滲透性、蓄容量等指標(biāo)有差異，因此需要規(guī)劃每一小塊子匯水區(qū)的雨洪控制單元敷設(shè)占比。考慮到研究區(qū)為S縣城，短時間內(nèi)不具備設(shè)置超標(biāo)調(diào)蓄系統(tǒng)的條件，故本次雨水系統(tǒng)優(yōu)化不考慮該部分內(nèi)容。

為了使模型的研究條件更精準(zhǔn)，首先需要做好資料準(zhǔn)備工作（包括當(dāng)?shù)厮臍庀笙嚓P(guān)資料、SWMM應(yīng)用的相關(guān)文獻和手冊等），通過這些資料確定在雨水排除過程中各項設(shè)施參數(shù)的一般設(shè)定，隨后對照當(dāng)?shù)氐牡乩硇l(wèi)星圖文資料，獲得各子匯水區(qū)的坡度i，最后參考S縣規(guī)劃，確定研究區(qū)域的劃分等級。本文通過上述程序?qū)縣研究區(qū)劃分為5個等級，如圖3所示。

4?? 結(jié)果與分析

4.1? 徑流情況模擬分析

以徑流量為研究變量，利用模型計算出雨水系統(tǒng)改造前后的徑流過程進行數(shù)據(jù)化呈現(xiàn)，同時研究了不同降雨重現(xiàn)期對徑流情況產(chǎn)生的影響。囿于篇幅限制，本文僅以降雨重現(xiàn)期P =2 a和P =5 a兩種降雨情境的徑流過程進行分析，結(jié)果如圖4所示。

根據(jù)圖4所示的數(shù)據(jù)結(jié)果可知，降雨重現(xiàn)期P=

2 a與P =5 a時，徑流量—時間曲線變化節(jié)點與降雨強度—時間曲線變化節(jié)點并非同步，這種結(jié)果符合現(xiàn)實情境。徑流量峰值與降雨強度峰值存在時間差，其主要原因是研究區(qū)域下墊面始終存在非徑流水文過程，如下滲、蓄滯、截留等，在這部分水文過程的影響下，降雨初始時刻不會形成徑流?？傮w而言，徑流量—時間曲線與降雨強度—時間曲線的變化趨勢總是高度相似的，這種相似性所依賴的基礎(chǔ)是降雨為城市徑流出現(xiàn)之根源。

在以上論述的基礎(chǔ)上，對不同降雨重現(xiàn)期下的徑流曲線變化情況差異加以深入分析。在降雨重現(xiàn)期P= 2 a時，研究區(qū)雨水系統(tǒng)改造前后的徑流量—時間曲線變化趨勢基本一致，但是曲線兩處拐點出現(xiàn)時間均有差異。降雨強度峰值出現(xiàn)時刻為45 min，改造前后雨水系統(tǒng)徑流量峰值出現(xiàn)時間分別為

48 min和57 min，灰—綠聯(lián)合雨水系統(tǒng)將徑流峰值出現(xiàn)時刻推遲了12 min，且大幅降低了徑流峰值;在雨水系統(tǒng)徑流量迎來峰值之后，短時間內(nèi)快速削減至低水平狀態(tài)，隨后平緩下降。這種現(xiàn)象表明，此階段雨水系統(tǒng)綠色基礎(chǔ)設(shè)施部分已經(jīng)處于滿負荷狀態(tài)，主要是灰色基礎(chǔ)設(shè)施在起排凈雨水的作用。徑流曲線在120 min出現(xiàn)第2個轉(zhuǎn)折點，徑流量以更加平緩的下降速度趨向于零，與現(xiàn)實情況相符。當(dāng)P=5 a時，徑流曲線相較于短降雨重現(xiàn)期情境下變化確實基本一致，徑流量峰值出現(xiàn)時刻接近，改造前后雨水系統(tǒng)徑流量峰值出現(xiàn)時間分別為48 min和54 min，延時效果不顯著，在降雨停止之后，轉(zhuǎn)折點出現(xiàn)的時間與前一重現(xiàn)期相差不大，但徑流曲線在折點后以更陡峭的下降速度趨向于零，說明此時的灰—綠聯(lián)合系統(tǒng)受到更大的沖擊，但是仍在系統(tǒng)的承受范圍之內(nèi)。

4.2? 溢流及過載情況模擬分析

以研究區(qū)雨水系統(tǒng)管道過載情況為對象進行數(shù)據(jù)化分析，結(jié)果如圖5所示。

在降雨重現(xiàn)期P =0.5 a的降雨情境下，研究區(qū)原始系統(tǒng)與改造后的雨水系統(tǒng)管道過載情況差異很小，分別為1根管道過載和沒有過載;當(dāng)降雨重現(xiàn)期增加到P =2 a時，兩種雨水系統(tǒng)管道過載情況出現(xiàn)明顯差異，原始系統(tǒng)過載管道的數(shù)量已經(jīng)大幅增加到82根，整體占比32.90%，而改造后的雨水系統(tǒng)只在最不利管道出現(xiàn)2處過載情況，僅為原始系統(tǒng)過載管道數(shù)量的2.44%;當(dāng)降雨重現(xiàn)期進一步提高到P = 5 a時，改造前后的雨水系統(tǒng)過載情況差異仍然明顯，過載管道數(shù)量分別為136根和8根，原始系統(tǒng)過載管道數(shù)量整體占比已經(jīng)過半，上升到到54.62%，優(yōu)化系統(tǒng)過載管道數(shù)量相對占比5.88%;當(dāng)降雨重現(xiàn)期P=10 a時，改造前后雨水系統(tǒng)過載情況的差異在縮小，改造前后雨水系統(tǒng)過載管道數(shù)量分別為157根和20根，原始系統(tǒng)過載管道數(shù)量整體占比63.05%，優(yōu)化系統(tǒng)過載管道數(shù)量相對占比上升至12.74%。

以研究區(qū)雨水系統(tǒng)節(jié)點積水情況為對象進行數(shù)據(jù)化分析，結(jié)果如圖6所示。

在降雨重現(xiàn)期P =0.5 a的降雨情境下，研究區(qū)改造前后的雨水系統(tǒng)積水節(jié)點數(shù)量均為0;當(dāng)降雨重現(xiàn)期增加到P =2 a時，改造前后雨水系統(tǒng)節(jié)點積水情況出現(xiàn)明顯差異，積水節(jié)點數(shù)量分別為64、0，原始系統(tǒng)積水節(jié)點數(shù)量整體占比25.70%;當(dāng)降雨重現(xiàn)期進一步提高到P= 5 a時，改造前后的雨水系統(tǒng)節(jié)點積水情況依然存在明顯差異，積水節(jié)點數(shù)量分別為102、2，原始系統(tǒng)積水節(jié)點數(shù)量整體占比40.96%，優(yōu)化系統(tǒng)積水節(jié)點數(shù)量相對占比1.96%;當(dāng)降雨重現(xiàn)期P =10 a時，改造前后雨水系統(tǒng)積水節(jié)點數(shù)量差距仍然顯著，分別為131、8，原始系統(tǒng)積水節(jié)點數(shù)量整體占比52.61%，優(yōu)化系統(tǒng)積水節(jié)點數(shù)量相對占比上升，僅為6.10%，隨著降雨重現(xiàn)期的增加，改造后的雨水系統(tǒng)展現(xiàn)出了良好的穩(wěn)定性。

以降雨重現(xiàn)期P=10 a時的雨水系統(tǒng)最不利管道和節(jié)點為對象進行改造前后的過程分析。改造前的雨水系統(tǒng)最不利管道為G192，達到滿流狀態(tài)歷時1.2 h，而改造之后因為聯(lián)合了局部區(qū)域內(nèi)綠色基礎(chǔ)設(shè)施的排蓄能力，對G192的運行過程產(chǎn)生了非常有利的變化，在運行過程中沒有出現(xiàn)滿流狀態(tài)，滿管時長為0。原始雨水系統(tǒng)的最不利節(jié)點為J100，改造前后積水累計時長分別為2.50 h、1.03 h，改造后系統(tǒng)最不利節(jié)點積水累計時長僅為改造前的41.20%，積水總量分別為89.70 L、78.86 L，改造后相對占比89.71%，積水總量小幅下降。

4.3? 雨水排放口情況分析

以系統(tǒng)出流量作為系統(tǒng)改造效果的評判指標(biāo)，分析兩種系統(tǒng)出流量的差異，結(jié)果如圖7。

由數(shù)據(jù)可知，兩系統(tǒng)排放口累計流量均與重現(xiàn)期呈現(xiàn)近似正相關(guān)，且原始系統(tǒng)的排放口累計流量比改造后系統(tǒng)的排放口累計流量高出42%～77%，兩相對比，改造措施。在降雨重現(xiàn)期依次為P=2 a、P=5 a和P=10 a的情境下，原始系統(tǒng)總出水容積依次遞增17.80萬m3、12.15萬m3、8.80萬m3，對應(yīng)的增長率呈現(xiàn)下降趨勢，分別為73.70%、29.00%和16.30%。隨著重現(xiàn)期增加，兩系統(tǒng)總排放容積均相應(yīng)增長，但是增量放緩、環(huán)比增長率下降。實際上，灰色基礎(chǔ)設(shè)施排水能力相較更容易達到滿負荷甚至超負荷狀態(tài)，因此降雨重現(xiàn)期的增加肯定會引起系統(tǒng)內(nèi)的積水量大幅上升，溢出水量在在總排放容積這個指標(biāo)中沒有體現(xiàn)。

以典型排放口峰值流量為分析對象，在降雨重現(xiàn)期分別為P =2 a、P=5 a和P=10 a的3種降雨情境下，雙排水系統(tǒng)總出水容積相對于前一研究重現(xiàn)期的增長率分別為96.50%、37.54%和20.35%，這是因為聯(lián)合了綠色基礎(chǔ)設(shè)施的雨水調(diào)蓄效果之后，雨水系統(tǒng)在中低重現(xiàn)期情況下排放口總排放容積有顯著下降，當(dāng)P=0.5 a、P=2 a、P =5 a、P=10 a時，相比原始系統(tǒng)總排放容積分別下降了57.49%、52.57%、45.02%、42.37%，削減量增長幅度放緩，結(jié)果如圖8所示。

5?? 結(jié)論與展望

1）構(gòu)建雨水系統(tǒng)時綜合考慮灰色基礎(chǔ)設(shè)施和綠色基礎(chǔ)設(shè)施，并依據(jù)現(xiàn)場情況合理選定優(yōu)化設(shè)施，能夠有效解決城市雨水問題。

2）綜合考察徑流削減率、管道超載數(shù)、節(jié)點溢流數(shù)等各項指標(biāo)，可以從局部蓄滯水到系統(tǒng)末端出流全過程，更整體地評估雨水系統(tǒng)效果。

3）未來應(yīng)當(dāng)真正將綠色和灰色基礎(chǔ)設(shè)施看作一個整體系統(tǒng)，對雨水在灰色和綠色基礎(chǔ)設(shè)施中的流動狀態(tài)和變化情況展開研究。

4）為使灰—綠色基礎(chǔ)設(shè)施聯(lián)合作用排除內(nèi)澇的效能充分釋放，需要在實際項目建設(shè)中輔以一定的配套工程設(shè)施。但是如何從技術(shù)經(jīng)濟角度更易建設(shè)該部分構(gòu)筑物，還需要在后續(xù)的研究中做更多深入探索。

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