SWMM模型在城市排水防澇規劃中的應用

曹萬春

【摘要】采用SWMM模型對研究區內雨水管網進行系統概化研究，分別在現狀和規劃下墊面條件下，模擬了不同暴雨重現期下城市排水系統的運行狀況，對模擬結果中低于設計標準的雨水管道進行重新規劃設計，反復模擬校核，確保所有雨水管網滿足設計重現期要求。結合城市地形，利用不同暴雨重現期長歷時雨型對城市內澇風險進行模擬分析，提出超標暴雨的應對措施，為合理制定排水防澇方案提供科學依據，同時可供其他城市排水防澇系統規劃參考。

【關鍵詞】SWMM模型；城市排水防澇規劃；內澇評估

【中圖分類號】TU992

【文獻標志碼】A

1、引言

隨著我國城市化進程的加快，城市下墊面硬質化越來越嚴重，加上極端氣候的出現，城市內澇災害事件頻頻發生，發生的范圍越來越廣，造成的危害也越來越嚴重。城市內澇很大部分原因在于在城市快速發展過程中，對城市排水防澇工作不夠重視，排水管道建設標準過低，防治城市內澇的措施簡單化，城市排水防澇規劃不夠科學合理。在排水管網規劃設計中，一般仍采用傳統的雨水設計流量計算公式，該計算方法在計算管道非壓力均勻流存在一定的缺點，一方面難以根據降雨過程線計算管道流量過程，另一方面當管道處于超載狀態（即壓力流）或受水體水位頂托時，不能應用于管道流量計算。目前，很多發達國家已采用數學模型模擬降雨過程，把排水管渠作為一個系統考慮，并用數學模型對雨水管網進行系統規劃管理。因此，利用模型對城市暴雨徑流進行模擬研究，為城市排水防澇規劃提供科學依據，是未來城市排水防澇規劃的主要研究方向之一。

本文基于暴雨洪水管理模型（SWMM），對研究區內排水管網排水能力進行模擬評估，在不同暴雨重現期下對城市排水防澇系統進行能力評估，模擬分析研究區內兩條主要排水河道連通的必要性，旨在為研究區制定排水防澇規劃方案提供技術參考。

2、SWMM模型簡介

暴雨洪水管理模型（SWMM）是由美國環境保護局（EPA）開發，免費向公眾發布的一個動態降雨一徑流水文水力模型，主要用于城市區域降雨徑流水量和水質的單一事件或連續事件模擬。SWMM模型由水力、水質等不同計算模塊組成，通過對城市雨水管網、河道、泵站等概化，根據城市特征合理選擇相關參數，可以模擬不同時段任意時刻每個子匯流區域所產生的水量和水質，同時可模擬備管道和河道中流量、水深與污染物濃度等情況，用于指導城市排水系統的規劃設計與校核，對城市不同條件的雨洪進行模擬和評價。SWMM模型近年來被廣泛應用于指導城市排水防澇規劃中。

在模型中，為反應不同類型的下墊面對降雨產匯流的影響，每個子匯水區域由透水區、有洼量的不透水區和無洼量的不透水區組成。對無洼量不透水區，降雨量即為凈雨量；有洼量不透水區，凈雨量為降雨量扣除填洼量。對透水面積除了填洼量的損失外，還有下滲損失，模型中提供了霍頓方程、格林一安普特方程和徑流曲線數三種方法計算下滲量。管網中的水流模擬采用連續方程和動量方程模擬漸變非恒定流，模型中提供了穩定波、運動波和動力波三種演算方法。

3、規劃區概況

3.1項目概況

規劃區位于長江三角洲地區，東臨長江，西接老山山丘，屬于山丘平原緩沖交界地帶。規劃區域總面積34.5平方千米，是國家級新區的核心區域，區域內整體地勢西高東低，高程在3.53-61.4米之間，珠西河以西地面高程多在10米以上且坡度變化明顯。規劃區域西側受山洪影響，東側面臨長江洪水威脅，除西側山丘區外，整體地勢低于長江洪水位，排澇形勢嚴峻。根據研究區地形特點、水系分布、水利工程布局、洪水特性將研究區分為三個排澇分區（詳見圖1）。西部山丘區地勢自西向東遞減，地形高差較大。雨水以自排為主；南部區和北部區地勢平坦，屬于沿江平原圩區，雨水主要由管網收集排入內河后，經雨水泵站抽排至七里河和城南河，而后排入長江。

3.2下墊面條件分析

研究區內現狀建成面積約為38.2%，現狀水面率約為7.6%，現狀綜合徑流系數約為0.5。研究區未來將被打造成為國家級新區的核心區，是集歷史文化休閑、國際健康服務、商務社交、科研設計和居住為一體的核心區域。城市他快速發導致區域下墊面的不透水性比例上升，導致雨水匯流時間變短，暴雨期間河道水位上升更快。同時，作為城市化核心區，河網間距過大導致排水路徑過長，管道排水會受到河道高水位的頂托與倒灌，城市易形成內澇；汛期長江潮位、外河水位和山丘區泄洪的影響加大了該地區防洪排澇壓力。為此，采用SWMM模型對該區域防洪排澇問題進行研究。

4、模型構建

4.1.1排水管網概化及子匯水區劃分

采用GIS軟件導入雨水主干管（包括管網節點）、河道，檢查模型中管網的拓撲關系，設置水力模型參數（包括管道的埋深、坡度、粗糙度、河道的斷面等）。規劃區域內共概化雨水管線646段，總長約131.5千米，排水口83個，河道75條，總長約29千米，泵站8座。根據現狀雨水管道分布、現狀城市水系道路布局及地形坡度，以泰森多邊形為基礎，結合人工手動修正劃分子匯水區，共劃分了645個子匯水區，匯水總面積為31.9平方千米。

4.1.2相關參數設置

根據各子匯水區中透水性不同的各類用地比例，通過GIS加權平均計算各子匯水區的不透水率。子匯水區面積、坡度、寬度具有顯著的空間特征，可以通過GIS對規劃區的處理計算得到。本次采用動力波方法模擬管道中流量演算，采用霍頓下滲模型模擬降雨下滲過程。模型其他水文參數結合各子匯水分區特征及地勘資料，依據SWMM雨水管理模型用戶手冊而定。匯水分區參數設計取值如表1所示。

4.1.3設計暴雨

對該區域的暴雨強度公式采用芝加哥雨型進行擬合，雨峰系數取0.4，時間間隔為5分鐘，則1年一遇、3年一遇、5年一遇3小時降雨量分別為51.4毫米、72.0毫米、81.6毫米、94.6毫米，雨峰強度分別為8.16毫米/分鐘、11.42毫米/分鐘、12.94毫米/分鐘、14.99毫米/分鐘。不同重現期、降雨歷時3小時，雨峰系數為0.4的設計暴雨見圖3。

城市內澇風險評估時，一般采用長歷時降雨進行模擬（24小時）。由于研究區域長歷時雨型的統計資料比較匱乏，本次模擬根據暴雨強度公式和《江蘇省暴雨參數圖集》的研究成果，得出該區域不同重現期情況下小時降雨量和日降雨量值，詳見表2。然后根據《城鎮內澇防治技術規范》附錄C計內澇防治常用雨型選擇SCS Ⅱ型降雨過程作為長歷時雨型用于內澇防治設計重現期的校核，其降雨過程線見圖4。

4.2模型模擬結果及分析

4.2.1管道排水能力分析

對區域內現狀排水系統能力普查和評估的目的不僅在于評價目前的排澇狀況，更重要的是預警城市遭遇極端天氣帶來的危害，是規劃設計城市排水防澇系統的前提和依據。傳統上排水能力評估可采用推理公式法對不同重現期降雨標準進行均勻流計算，將計算結果與現狀管網進行對比獲得。此類排水能力評估計算方法過于繁瑣，需對雨水管網進行逐一計算核對，工作量較大，在規劃范圍較大時，雨水管網管段數量較多情況下無法做到一一計算核實。考慮到內澇風險評估與超標雨水應對系統規劃計算的需求，本次采用水力模型進行一維管網水力模擬，通過不同重現期降雨標準下各管段的水力坡降線來評估雨水管網的排水能力。

我國排水系統設計時雨水管道內流態按滿管均勻流考慮，計算設計流量時的設計水力坡度取管底坡度。重力管渠中，形成壓力流但尚未溢出地面造成洪災的水力狀態定義為“超載”，一般當出現超載狀態時，可認為管段流量超過設計能力。因此，在評估中，若管道出現超載狀態，則視為該段雨水管道的排水能力不滿足相應重現期設計標準。

分別采用1年一遇、3年一遇、5年一遇3小時設計暴雨對研究區內現狀雨水管道的排水能力進行評估，其結果見圖5，其中P為管道重現期。

模型評估結果表明，研究區現狀排水能力在1年一遇以下的管網占32.2%，3年一遇以下的管網約占50.6%，3年一遇及以上管道約占49.4%，說明研究區雨水管渠排水能力略有不足。這主要是研究區南部屬于老城區，現狀雨水管道建設時間較早，設計時采用的設計重現期多為1～2年一遇，雨水管徑在偏小，為600～800毫米之間。此外研究區北部區屬于新建區，雨水管網敷設不完善，部分雨水管道服務范圍較大，導致現狀雨水管道重現期低于3年一遇標準。

部分現狀管道設計標準偏低、規劃不合理，管道排水系統的功能無法很好地體現，存在內澇嚴重的風險。根據現狀雨水管道排水能力的模擬評估結果，對研究區內雨水管道重新進行規劃設計，改造模擬結果中低于1年一遇的雨水管。根據研究區的用地、路網布局，對缺少雨水管網的路段進行規劃布置，然后重新劃分子匯水分區，構建研究區規劃雨水管網的排水能力評估模型。根據規劃雨水管網的模擬結果，改造低于3年一遇的現狀雨水管網，對模擬結果中低于3年一遇的規劃雨水管網，進行增大管徑重新規劃，然后重新構建研究區規劃雨水管網的排水能力評估模型，直到研究區內所有的雨水管網滿足3年一遇設計標準，北部區局部核心地區雨水管網滿足5～10年一遇設計標準。SWMM模型對管網排水能力的評估結果，可直接作為排水管網規劃設計的依據，使雨水管網的規劃設計更加合理，提高城市排水安全性。

4.2.2內澇風險分析

在雨水管網排水能力評估的基礎上，采用一維管網耦合二維地表徑流模型，對研究區50年一遇設計降雨工況下內澇風險進行模擬和評估。根據積水深度，結合現狀建設用地的重要性劃分內澇風險等級，根據《城市內澇防治規劃規范》可分為4個等級內澇風險區，分別為內澇低風險區（Ⅳ級，0.15米<現狀最大積水深度≤0.3米），內澇中等風險區（Ⅲ級，0.3米<現狀最大積水深度≤0.5米）、內澇較高風險區（Ⅱ級，0.5米<現狀最大積水深度≤1.0米）和內澇高風險區（Ⅰ級，現狀最大積水深度>1.0米）。研究區50年一遇降雨工況下內澇風險評估結果見圖6。

根據水力模型內澇模擬結果，現狀內澇風險區總面積約3.7平方千米，占研究區總面積11%。規劃范圍內澇低風險區、中等風險區、較高風險區和高風險區面積占研究區面積的比例分別為6.22%、3.35%、1.29%、0.21%。內澇存在較高風險主要集中在5個片區，結合現場調研得到的研究區內實際內澇積水區域，分析內澇積水或風險較高的原因，逐個片區提出降低內澇風險的規劃方案。

結合模型管網排水能力分析和內澇風險評估分析，參考模型中河道水位、泵站流量的動態變化情況，對研究區內的水系、雨水泵站、雨水管道、綜合管廊（雨水衙函、雨水調蓄艙）采取合理的規劃措施后，可保證研究區應對50年一遇暴雨內澇積水基本消除。采用水力模型進行規劃工況100年一遇超標雨水內澇風險模擬。針對超標準暴雨內澇風險區，結合規劃用地布局，在有條件的道路兩側綠化帶設置植草溝，作為應急行泄通道。充分發揮研究區內部分道路下綜合管廊雨水調蓄艙空間作用，當遭遇超標準暴雨時，部分內澇積水可進入管廊雨水調蓄艙。暴雨洪峰通過后，管廊調蓄艙空間的雨水經排水渠或泵站就近排至河道。

珍珠河、城南河和七里河作為研究區內主要排水河道，其河道排水功能是否正常直接關系到研究區的排水安全。現狀珍珠河和城南河未連通，采用水文水力模型概化研究區所在防洪圈范圍內區域排水通道以及山洪泄洪溝，研究珍珠河與城南河是否連通對主要防洪河道以及山洪泄洪溝的排水影響，模型概化圖如下圖8所示。

模型工況：潮位采用長江100年一遇潮位（10.60米），降雨采用50年一遇24小時設計降雨（283.8毫米）。分別模擬維持現狀（斷開）、規劃方案1（疏通暗涵）、規劃方案2（新開挖河道）三種方案下，研究區內七里河、城南河、珍珠河水位變化情況，其結果如下圖9-11所示。

由模擬結果可知，珍珠河與城南河是否連通，對七里河、城南河行洪水位影響不超過5公分，原因在于通江河道七里河、城南河斷面過水能力足夠大，其洪水水位主要受長江潮位影響，受珍珠河與城南河是否連通影響較小。現狀七里河行洪能力能夠滿足排水要求，珍珠河與城南河連通后，可以增強水體流動性，改善研究區水生態環境，利于應急行泄調度。因此規劃近期疏通珍珠河一城南河連通暗涵。考慮到研究區水面率不高，缺少水面生態空間，結合珍珠河連通段附近地塊建設情況，遠期具備條件可考慮新開河道連通珍珠河與城南河。

結論：

本文通過構建SWMM模型，考慮城市現狀及規劃下墊面，模擬分析不同暴雨重現期下城市排水管道的排水能力。找出不滿足設計標準的排水管道，經過反復調整規劃的排水管道，用模型反復模擬校驗可保證城市排水管道滿足設計標準，減少因排水管規劃設計標準偏低導致的城市內澇，促進城市排水規劃更加科學合理。

考慮城市地形標高，建立一維管網耦合二維地表徑流模型，對長歷時降雨條件下城市內澇風險進行模擬評估，利用評估結果調整規劃方案。同時模擬超標準暴雨條件下城市內澇風險，結合規劃用地布局，合理設置超標雨水行泄通道，防止城市在應對超標暴雨時出現嚴重內澇，威脅人民生命財產安全。

采用模型模擬分析了研究區兩條主要排水河道連通的必要性，為排水規劃方案的選擇提供了科學的理論依據，可提高排水規劃的專業性，增強實用性。