基于SWMM的某城區現狀排水能力分析

李延亮

（甘肅省華亭縣城市設施管理所，甘肅 平涼 744100）

基于SWMM的某城區現狀排水能力分析

李延亮

（甘肅省華亭縣城市設施管理所，甘肅 平涼 744100）

為得到某城區現狀管網的排水能力，采用SWMM模型，通過收集研究區排水管網資料并進行簡化，建立模型，劃分子匯區；采用徑流系數來率定模型參數，并對率定參數進行驗證。接著，對研究區在不同降雨條件下的現狀管網排水能力進行模擬分析，找到發生內澇的關鍵因素。從而，為有的放矢地治理該城區內澇提供了科學的依據。

地下綜合管廊；天然氣管道；設計

0 引言

隨著近年來我國城鎮化速度的加快，城鎮的規模迅速擴張，改變了城鎮原有的下墊面類型，雨、污水管網等基礎設施建設跟不上城鎮發展的需要，防洪標準偏低，管網排水、排污能力嚴重不足，加之全球變暖、極端天氣頻發，導致城市內澇問題在短時強降雨等天氣發生時頻繁出現[1、2]。城鎮內澇首先會造成了大面積的交通癱瘓，對地鐵、地下室、地下商場，以及低洼地段等處的各種建筑和設施帶來嚴重的影響，幾乎每年均有城市內澇引發人員傷亡事件發生[3、4]。因此，為了減輕和消除城鎮內澇問題，對城鎮現有排水管網的排水能力進行科學的計算是十分必要的?，F以某城區為例，通過收集研究區排水管網資料并進行簡化，建立研究區的SWMM模型，劃分了子匯區；采用徑流系數來率定模型參數，并對率定參數進行驗證。接著，對研究區在不同降雨條件下的現狀管網排水能力進行模擬分析，找到發生內澇的關鍵因素。從而，為有的放矢地治理該城區的內澇問題提供科學的依據。

1 SWMM模型

暴雨雨洪管理模型（Storm Water Management Model，簡稱為SWMM）是模擬城市暴雨動態降水徑流的模型。它可以模擬降雨、蒸發、積雪、融雪、洼地截留、下滲、地下水交互、坡面匯流，以及低開發效果等水文現象；還可以模擬降雨或其他水流在管道、渠道、蓄分水建筑物管網、渠系中的回水、溢流、逆流、地面積水等流態。在SWMM中將每個子匯區域作為蓄水池，降雨和上游子匯區流出是流入項，入滲、蒸發、地標產流是流出項，積水、地表濕潤和截留水量是蓄水量。當流入大于蓄水量時，地表產生徑流，通過下式計算：

式中：W為流域固有寬度，S為地表坡度，d為子匯區水深，dp為子匯區最大蓄水深度，n為曼寧粗糙系數。

在 SWMM模型中，采用 Horton方程、Green-Ampt入滲模型和曲線數等三種方法來模擬降雨入滲。Horton方程通過設定最大和最小滲入速率，來描述在長期降雨過程中，速率的變化規律和飽和土壤被排干的歷時；Green-Ampt入滲模型通過土壤初始含水量、導水率和濕潤峰吸入水頭等參數來模擬降雨垂直入滲的過程；曲線數法通過輸入曲線數和飽和土壤被排干歷時等參數并根據累計降雨和剩余能力函數來表示土壤的下滲能力。

在SWMM模型中，采用穩定波、運動波和動力波來計算排水管網中的水體流態。其中，動力波法可以計算超封閉管道負荷的有壓流，超節點水深時的水流運動問題，能模擬管網蓄水量變化、回水、進出口損失、逆流和有壓流等，適用環狀閉合管網及有轉向器的情況。

2 研究區SWMM模型的建立

2.1 研究區概況

研究區位于丘陵區，地勢高低起伏，無外排河流，總面積156 hm2，其中建筑物面積52 hm2，約占研究區面積的1/3，道路23.2 hm2，約占研究區面積的 14.87%，綠化 3.5 hm2，約占研究區面積的2.24%，其他77.3 hm2，約占研究區面積的49.55%。研究區屬溫帶濕潤季風氣候區，夏季高溫多雨，冬季寒冷干燥，多年平均降雨量700～1 000 mm，年平均降雨37 d，歷史最大降雨量1 570 mm。研究區建筑物密集，硬化鋪裝路面多，綠化面積偏低，下墊面鋪裝比例高，徑流大?，F有排水管網按2 a一遇設計標準，對超標準洪水只能依賴泵站排水，泵站排澇能力不足，山水沖擊管網、高低水混排，雨水系統管徑小，部分管道淤塞嚴重。

2.2 模型及參數

通過收集研究區排水管網的坐標、高程、管徑等資料，對管道長度、管徑、水流方向和高程等信息提取。由于排水管網較為復雜，加之少量管網資料的缺失，且其主要研究的系現狀排水能力，故對管網中管徑小于0.2 m的管線不予考慮，僅將管徑超過0.4 m，長度小于20 m的管道設為節點，道路兩側管線單獨計算。管網概化為136個節點，135段管道，排放口1個。根據研究區內排水流域的實際匯流情況，節點的分布情況，將研究區分為135個子匯區（見圖1），并根據管網概化情況建立各子匯區的關系。運用地理信息技術，根據匯水區的面積、坡度、不透水面積比例等，采用泰森多邊形法對子匯區進行劃分和邊界修正。模型的參數取值如表1所列。

圖1 研究區子匯區劃分及管段、節點圖

表1 模型計算參數取值一覽表

2.3 參數率定

參數的率定方法采用芝加哥降雨過程線合成短中長期重現期降雨，利用中期重現期降雨對參數進行校準，參數若滿足綜合徑流系數的范圍即是合理的。因為研究區缺少出口的實測流量數據，無法進行模擬與實測數據的對比率定，對此采用徑流系數來率定模型參數，并根據研究區實測降雨和內澇點的情況對率定參數進行驗證。研究區的平均不滲透系數為77.5%，平均坡度為2.4%。根據《城市排水手冊》不同匯水區的綜合徑流系數按表2進行區分。

表2 不同匯水區的綜合徑流系數一覽表

根據表2可知研究區屬建筑稠密地中心區，參考SWMM管理手冊和研究資料，將表1的參數作為初始值帶入模型中，通過參數調整使研究區的綜合徑流系數在0.6～0.8之間，得到率定參數如表3所列。

表3 模型計算參數率定后取值一覽表

將率定后的參數按照重現期5 a和10 a進行降雨模擬得到綜合徑流系數分別為0.6和0.63，屬于上面得出的研究區為建筑稠密地中心區的綜合徑流系數范圍。另外根據研究區在2013年6月28日6時至8時發生降雨量為90.7 mm的暴雨情況，研究區多處橋洞發生內澇，積水嚴重。將這次暴雨資料輸入到率定參數后的模型中，得到模型的計算出的主要內澇點的水深與該區在這次暴雨中內澇點的實際水深對比結果（見表4），模型計算的結果與實際情況基本一致。

表4 模擬計算結果與實際對比一覽表

3 模擬結果分析

根據上面構建的模型分別進行2 a一遇、5 a一遇和10 a一遇，2 h降雨時研究區的管網的現狀排水能力模擬，結果如圖2（a）～（c）所示。

圖2 研究區排水管網不同降雨條件下的模擬結果示意圖

圖2（指原彩圖）中的紅色管道和節點是表示其所處的子匯區發生了節點超載，即節點的水位超過了渠道頂部，表明該子匯區出現了內澇現象。根據圖2（指原彩圖）中紅色管道和節點所在的子匯區的統計，在不同降雨條件下均發生超載的子匯區見表5所列。

表5 易澇子匯區屬性表

研究區的平均不滲透系數為77.5%，平均坡度為2.4%。表5中的各子匯區在不同降雨條件下均屬易澇區，其不滲透系數均大于研究區的平均不滲透系數，且平均坡度均小于研究區的平均坡度。可見子匯區的不滲透系數和平均坡度是決定該子匯區是否發生內澇的關鍵因素。

4 結論

通過收集研究區排水管網的坐標、高程、管徑等資料，對管道長度、管徑、水流方向和高程等信息提取并進行簡化，建立了研究區的SWMM模型，采用泰森多邊形法對子匯區進行劃分和邊界修正；采用徑流系數來率定模型參數，根據研究區實測降雨和內澇點的情況對率定參數進行驗證。并對研究區在不同降雨條件下的現狀管網排水能力進行了模擬分析，找到了易發生內澇的子匯區，發現不滲透系數和平均坡度是決定該子匯區是否發生內澇的關鍵因素。

[1]梁小光,王盼,呂永鵬,等.內河水位對管網系統排水能力的影響模擬[J]．城市道橋與防洪，2014,(11):11-14．

[2]鐘力云.基于SWMM的上海市某城市小區排除地面積水能力校核[J].城市道橋與防洪，2014,(1):78-80，84．

[3]董磊.南方某特大城市主城區排水防洪能力評估研究[J].城市道橋與防洪，2016,(3):79-81，92．

[4]潘忠秀.新排水標準下現狀排水系統的改造與提升—以淄博市中心城區為例[J].城市道橋與防洪，2014,(10):109-111，128.

TU992

B

1009-7716（2017）08-0116-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.08.036

2017-03-15

李延亮（1981-），男，甘肅平涼人，從事市政管理防汛工作。