SWMM在某市雨洪分析中的應用

龍?zhí)飕| 李 怡 徐 煒

(1.重慶交通大學 國家內河航道整治工程技術研究中心水利水運工程教育部重點實驗室， 重慶 400074；2.重慶交通大學 河海學院， 重慶 400074)

SWMM在某市雨洪分析中的應用

龍?zhí)飕|1,2李 怡1,2徐 煒1,2

(1.重慶交通大學 國家內河航道整治工程技術研究中心水利水運工程教育部重點實驗室， 重慶 400074；2.重慶交通大學 河海學院， 重慶 400074)

本文利用SWMM模型，通過資料收集、劃分匯水區(qū)、概化排水管網、模型參數(shù)設置等步驟建立了研究區(qū)域的降雨-徑流模型，模擬了重現(xiàn)期為1年、5年、10年以及研究區(qū)域下墊面不同透水面積情況下的雨洪過程。模擬結果表明：提高城市下墊面透水率對于改善城市雨洪過程有一定的效果，可以減少溢流節(jié)點個數(shù)、降低溢流節(jié)點淹沒時長以及出水口的峰值流量，這種作用在低重現(xiàn)期降雨時更為顯著。

SWMM模型； 雨洪分析； 水文模擬； 海綿城市

1 概 述

在城市化進程中，下墊面的過度硬化使得雨水無法自然下滲，地表徑流大量聚集形成積水，尤其是在強降雨情況下，硬化的下墊面無法滯留雨水，導致雨水徑流的匯集速度加快，洪峰流量增大，出現(xiàn)時間提前。同時，排水設施老化陳舊，排水管網淤塞、設計標準偏低，“逢雨必澇”的窘境無法解決。海綿城市建設是我國解決城市水問題的新探索和新思路，是雨洪利用理論的創(chuàng)新和發(fā)展，是新時期治水思路的補充和完善[1]。通過海綿城市的建設，可實現(xiàn)對雨洪資源的有效利用，利用生態(tài)的手段解決城市存在的水資源短缺、旱澇災害頻繁發(fā)生等問題。

降雨徑流過程模擬可以描述流域對特定降雨過程的動力反應，即徑流歷時過程。本文采用概念性降雨徑流模型分析某市的降雨徑流反應。概念性模型概化、量化流域內的各種水文機制，也稱流域水文模擬。

2 SWMM模型介紹

本次分析將應用SWMM(Storm Water Management Model)模型進行流域水文模擬。SWMM模型是美國環(huán)保署(US Environmental Protection Agency, US EPA)為設計和管理城市雨洪而研制的一個綜合性分布式水文模型。它可以模擬完整的城市降雨徑流和污染物運動過程，包括地表徑流和排水系統(tǒng)中的水流、雨洪等調蓄處理過程、水質影響評價等[2]。模型輸出可以顯示系統(tǒng)內各點的水流和水質狀況。SWMM模型適用于規(guī)劃、設計和實際操作，是一個運用相當廣泛的城市暴雨徑流水量、水質模擬和預報模型[2]。

SWMM模型將各個集水區(qū)的地表徑流視為非線性水庫，聯(lián)合求解連續(xù)方程和曼寧公式。地表徑流被全部導入排水管道系統(tǒng)。如果排水管道系統(tǒng)的通過能力不足，排水系統(tǒng)的水流模擬機制則在相應井口(檢查井或入流口)體現(xiàn)溢流，即內澇。在SWMM模型中，井口溢流時的井口水位為該井口的頂沿，而溢出的水量將被暫時“存儲”。當排水系統(tǒng)的通過能力恢復時，存儲的溢出水量將被釋放回系統(tǒng)。因此，井口處出現(xiàn)滿水位通常意味著溢流發(fā)生，盡管不排除井口剛好達到滿水位的偶然情況。該模式計算高效，廣泛應用于城市排水管網運行分析及土地利用類型改變前后水文過程的改變和對比[3]。

3 模型構建

3.1 研究區(qū)域概況

該研究區(qū)域位于山谷低洼帶，四周高中間低，西部臨河，河流由北向南流經研究區(qū)域。該區(qū)域面積約64.7hm2，其中，林地、耕地等透水面積約占3/5，房屋和路面等不透水面積約占2/5。該區(qū)域河流屬于山區(qū)雨源型河流，洪水均由暴雨形成。研究區(qū)發(fā)生降雨時雨水由自然沖溝、街邊明(暗)溝、雨水管直接排入河流。

根據(jù)SWMM模型的應用要求，結合研究區(qū)域現(xiàn)狀管網資料，將研究區(qū)域劃分為11個子匯水區(qū)，其排水管網概化為16條雨水主干管線、16個節(jié)點、1個出水口，見圖1。

圖1 研究區(qū)域示意圖

3.2 模型參數(shù)設置

本文分析考慮以下主要水文機制：降雨、降雨損失、地表匯流、排水系統(tǒng)(溝渠、管道等)水流，參數(shù)主要結合研究區(qū)域實際狀況和SWMM用戶手冊進行取值。根據(jù)填洼量的建議取值范圍，不透水地表的填洼量采用5mm，透水地表的填洼量采用10mm?？紤]到常規(guī)情況，模擬中考慮日均蒸發(fā)量，假設其為均勻量，取2.5mm。本文分析采用格林—安普特(Green-Ampt)模型計算雨水下滲，設置初始虧損、吸入水頭和導水率三個參數(shù)。降雨損失考慮地表填洼、蒸發(fā)、下滲。由于動力波方法能夠體現(xiàn)溝、管內的回水效果，本文分析采用動力波方法模擬排水溝、管內的水流。為簡化起見，所有降雨—徑流模擬均忽略前期降雨的影響。

3.3 模擬情景設定

3.3.1 不同重現(xiàn)期的設計降雨過程

利用暴雨強度公式[4]和芝加哥雨型公式[5]可以建立步長為5min的短歷時(2h)設計降雨。為了研究不同重現(xiàn)期暴雨的雨洪過程差別，利用暴雨強度公式求出重現(xiàn)期分別為1年、5年、10年，歷時為2h的降雨量，采用芝加哥雨型公式合成降雨情景，降雨的時間間隔為5min。降雨過程線如圖2所示。

圖2 不同重現(xiàn)期2h設計降雨

3.3.2 不同的下墊面條件

為了研究改善下墊面條件對城市暴雨洪水過程的影響，分別模擬研究區(qū)域在現(xiàn)狀下墊面條件下的雨洪過程，以及在現(xiàn)狀條件基礎上分別增加10%、20%透水面積后的雨洪過程。

4 結果分析

利用所建立的SWMM模型模擬計算不同下墊面條件在重現(xiàn)期為1年、5年、10年，降雨歷時為2h的設計降雨條件下的城市雨洪過程。模擬總時長為5h，結果時間步長取5min。圖3展示了不同重現(xiàn)期降雨、

圖3 不同重現(xiàn)期降雨條件下出水口流量過程

重現(xiàn)期淹沒節(jié)點數(shù)/個出水口最大流量/(m3/s)節(jié)點J5淹沒時長/hⅠⅡⅢⅠⅡⅢⅠⅡⅢ1年6630836082608060480400315年87608530845084209007906410年876086508530845113104092

注 Ⅰ為現(xiàn)狀下墊面條件；Ⅱ為增加10%透水面積的下墊面條件；Ⅲ為增加20%透水面積的下墊面條件。

現(xiàn)狀下墊面條件下出水口的流量過程，圖4展示了各重現(xiàn)期降雨時不同下墊面條件下出水口的流量過程。其余模擬結果見上表。

由圖3和上表可知，隨著降雨重現(xiàn)期的增大，出水口流量有了明顯增加，各重現(xiàn)期相較前一個重現(xiàn)期的峰值流量分別增加了2%、1.4%。這種情況不僅體現(xiàn)在峰值流量上，也體現(xiàn)在整個雨洪過程中。研究區(qū)域內淹沒的節(jié)點數(shù)增加以及節(jié)點淹沒持續(xù)時間的延長，說明降雨的增大使得城市的內澇加重，現(xiàn)有的排水系統(tǒng)顯然在強降雨時無法滿足城市排水需求。

由圖4和上表得知，下墊面條件的改變對于降雨徑流過程也有很大的影響。在重現(xiàn)期為1年的降雨條件下，透水面積的增加可以有效減少淹沒節(jié)點數(shù)，縮短節(jié)點淹沒持續(xù)時間，降低出水口的峰值流量。隨著重現(xiàn)期增大，這種改善效果不再明顯，但不能忽略。

圖4 不同重現(xiàn)期不同下墊面的出水口流量過程

5 結 語

海綿城市的建設是將雨洪資源作為水資源進行管理和利用，推翻了傳統(tǒng)的將雨洪排出、避免災害的城市防洪排澇思維。利用SWMM模型模擬了不同情景下的城市雨洪過程，發(fā)現(xiàn)不同的下墊面透水面積在不同降雨重現(xiàn)期下對于出水口的峰值流量、城市的內澇情況都有著一定程度的影響。對于暴雨頻發(fā)、內澇嚴重、排水系統(tǒng)改造困難的城區(qū)，應該積極采用措施改善地表透水率，比如有選擇性地增設綠地、鋪設透水路面等。同時，降雨重現(xiàn)期越小，透水率改變帶來的效果越明顯，但被淹沒節(jié)點仍然存在。海綿城市的建設能夠在中小型降雨過程中，減輕城市防洪排澇的壓力，加快城市地表排水速度，緩解“逢雨必澇”的現(xiàn)象。因此，應該在增加透水率的同時采用更多的方法，比如增設濕地、雨水調蓄池等蓄水設施，多管齊下，真正改善城市內澇頻發(fā)的局面。

[1] 張旺，龐靖鵬. 海綿城市建設應作為新時期城市治水的重要內容[J]. 水利發(fā)展研究，2014(9)：5-9.

[2] 張倩，蘇保林，袁軍營.城市居民小區(qū)SWMM降雨徑流過程模擬——以營口市貴都花園小區(qū)為例[J].北京師范大學學報(自然科學版)，2012，48(3)：276-280.

[3] 周思斯，杜鵬飛，逄勇.城市暴雨管理模型應用研究進展[J].水利水電科技進展，2014，34(6)：89-97.

[4] 北京市市政工程設計研究院.給水排水設計手冊：第5冊.城鎮(zhèn)排水[M].2版.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2004.

[5] 張大偉，趙冬泉，陳吉寧，等.芝加哥降雨過程線模型在排水系統(tǒng)模擬中的應用[J].給水排水，2008，34(Z2)：354-357.

Application of SWMM in rain flood analysis of one city

LONG Tianwei1,2, LI Yi1,2, XU Wei1, 2

(1. Chongqing Jiaotong University National Inland Waterway Regulation Engineering Technology Research CenterWaterResourcesWaterwayEngineeringMinistryofEducationKeyLaboratory,Chongqing400074,China;2.ChongqingJiaotongUniversityHehaiCollege,Chongqing400074,China)

In the paper, SWMM model is utilized. Rainfall-runoff model is established in the studied area through data collection, catchment area division, generalization of drainage pipe network, model parameter setup and other steps. Rain and flood process of underlying surfaces under different permeable area conditions with return period of 1 year, 5 years and 10 years as well as study area are simulated. The simulation results show that the improvement of city underlying surface permeable rate has certain effect for improving urban rain-flood process. The number of flood overflow node can be reduced; overflow node flooding duration and the peak value flow capacity of water outlet can be shortened. The function is more prominent during rainfall at low return period.

SWMM model; rain flood analysis; hydrological simulation; sponge city

10.16616/j.cnki.10-1326/TV.2016.06.001

TV213.9

A

2096- 0131(2016)06- 0001- 04