基于SWMM西湖雨水排水系統排水能力達標性模擬分析

潘 洋 姜應和

(武漢理工大學土木工程與建筑學院，湖北 武漢 430000)

1 概述

近年來我國城市化進展迅速，未開發的自然滲透性地面逐漸被替換成不滲透性的屋頂和路面，城市化后的區域徑流系數大幅上升[1]。而現有的老城區排水管網設計的排水標準普遍較低，同等暴雨重現期條件下，難以滿足新的下墊面的雨水排放需求，容易出現管網漫流、局部區域滯水，呈現近年來熱門的內澇現象[2,3]。城市暴雨管理模型(Storm Water Management Model，SWMM)常用于模擬雨水排水系統[4-6]，筆者以天門市西湖匯水區為研究對象，利用SWMM對現狀西湖排水系統進行模擬，評估現狀排水系統排水能力的達標性。

2 區域概況及模型構建

2.1 研究區域概況

天門市處于湖北省中南部，江漢平原北部，屬于亞熱帶季風氣候，受東亞季風的影響，降水過程頻繁，暴雨日數多[7]。西湖匯水區位于天門市主城區西北部，地貌呈現為四面地勢較高、中部地勢較低的形態。研究區域面積約261.7 hm2，主要為陸羽大道以南、天門河以北、西湖路以西、水廠路以東的老城區。雨水經管道收集后排入西湖，一般情況下直排天門河，當天門河處于洪水位時經西湖電排站抽排至天門河。

2.2 SWMM概化模型構建

SWMM是美國環保局專為城市研發的動態降雨—徑流模型，包括水文、水力、水質和低影響開發模塊[8,9]。根據西湖匯水區的雨水管網及地形資料，構建該區域的SWMM概化模型，由于研究區域面積大小約為2 km2，屬小匯水流域，可假設區域內降雨均勻分布。

將研究區域概化為116個子匯水區、83個管段、83個節點、1個蓄水池，其結果如圖1所示。蓄水池的原型便是該匯水區的西湖，作為調蓄排澇的湖泊，是整個西湖匯水區雨水匯聚的中心。除匯入西湖的管道連接到調蓄湖之外，另設一泵站連接調蓄湖泊，當調蓄湖水位上升至起排水位時，泵站便開始工作，將西湖內含雨水的湖水抽排至天門河，因此西湖可起到一定的調節徑流量的功效。

2.3 模型參數確定

SWMM模型參數主要分為兩類：一類是本身具有實際物理意義的參數，如管道直徑、管道長度、管底標高、地面標高、管底坡度、子匯水面積等，可以通過查閱雨水管網資料或直接從地形圖測量獲取；另一類是模型推導過程中衍生出來的參數，如管道曼寧系數、地表曼寧系數、不透水地表的洼蓄量、透水地表的洼蓄量等，可通過查詢模型手冊或參照相關文獻取值。

模擬采用Horton入滲模型，研究區域最大滲入速率取76.2 mm/h，最小滲入速率取3.30 mm/h，下滲速率衰減常數取4 h-1，排干時間取7 d；地表徑流的匯流計算采用非線性水庫模型，排水系統流量的水力模型選用動力波。

匯水區產流參數取值如表1所示。

表1 匯水區產流參數取值

2.4 模擬雨型設定

對于天門市老城區，原有雨水排水系統的暴雨設計重現期P=1年，而新頒布的GB 50014—2006室外排水設計規范(2016年版)要求人口規模如天門市的排水系統至少滿足暴雨設計重現期P=2年，故本文的設計暴雨重現期分別取1年和2年，評估現狀排水系統在P=1年和P=2年暴雨事件情境下的排水性能。

本文模擬以排澇評估為目的，設計降雨采用24 h長歷時雨型。評估天門市設計降雨量按《湖北省暴雨參數圖集》計算求得，P=1年和P=2年時24 h設計降雨量分別為50.57 mm和103.01 mm。

天門市缺乏系統的暴雨雨型統計分析結果，武漢市與天門市較近，可借用《武漢市排水防澇系統規劃設計標準》中的“武漢市24小時暴雨逐時雨量分配表”，雨型分配如圖2所示，降雨峰值出現在第16小時。

根據天門市24 h降雨量及每時段降雨比例分配，可得到P=1年和P=2年時的暴雨雨型曲線如圖3所示，并對降雨量、平均降雨量、峰值降雨量進行統計，其結果如表2所示。

表2P=1年和P=2年設計暴雨雨型主要參數統計表

重現期/年24 h降雨量/mm平均降雨量/mm·h-1峰值降雨量/mm·h-1P=150.552.1119.67P=2103.034.2940.07

3 排水系統排水能力評估

分別在P=1年和P=2年重現期暴雨事件發生的情況下，模擬分析現狀排水系統的節點溢流和管段超載情況。

3.1 節點溢流分析

以P=1年重現期暴雨進行西湖匯水區雨水徑流模擬，該情景下發生溢流的節點統計如表3所示。

表3 P=1年時現狀排水系統溢流節點匯總表

由表3可知，即使按設計重現期P=1年的暴雨對西湖匯水區進行雨水徑流模擬，83個節點中仍有13個節點有溢流現象，溢流節點占比為15.7%。

為了更直觀地把上述溢流節點呈現出來，以圈標記溢流點，圈的面積越大溢流越嚴重，數字代表節點編號，其溢流點分布如圖4所示。

以P=2年重現期暴雨進行西湖匯水區雨水徑流模擬，結果發現83個節點中有41個節點有溢流現象，溢流節點占比為49.4%，較P=1年時溢流節點占比15.7%有大幅上升。

P=2年暴雨發生時，節點總溢流量為46 560 m3，而當P=1年降雨發生時總溢流量僅為6 875 m3，溢流總量增加約6倍。溢流節點模擬結果表明，現狀排水系統在P=2年重現期暴雨下的排水能力更不理想。

3.2 管段超載分析

暴雨重現期P=1年,P=2年時西湖匯水區現狀管網超載情況如表4所示。

表4 P=1年和P=2年時現狀管網超載情況

由表4可知，當暴雨重現期P=1年時，83個管段中有60個管段超載，占比為72.3%。在超載管段中，40%的管段超載時間處于0 h～1 h，12%的管段超載時間超過4 h；當暴雨重現期P=2年時，超載管段總數上升至72，占比為86.8%。在暴雨重現期P=2年時，僅有7%的管段超載時間處于0 h～1 h，25%的管段超載時間超過4 h；與P=1年時管段超載情形相比，超載時間超過4 h的管段數占比大大提高，超載時間處于0 h～1 h管段數占比大大降低。

利用SWMM統計暴雨重現期P=1年和P=2年時的高峰徑流時間段(15:00～17:00)管網排水能力，結果如表5，表6所示。

表5 P=1年降雨高峰徑流時間段管網排水能力

表6 P=2年降雨高峰徑流時間段管網排水能力

由表5可知，在P=1年暴雨情形下，高峰徑流時間段管段超載比例范圍為20.5%～72.3%，說明在此期間，超過20%的管段持續處于超載狀態；由表6可知，在P=2年暴雨情形下，高峰徑流時間段管段超載比例范圍為51.8%～86.8%，此期間超過1/2的管段持續處于超載狀態，在15:30～16:00期間超負荷運行的管段數超過80%。

通過模擬現狀排水系統在P=1年和P=2年降雨情景下的節點溢流和管段超載情況，可知現狀排水管道系統難以達到預期的排水能力要求。之所以有些管段未能達到預期的排水能力，可能與三個原因相關：

1)該匯水區在開發建設時不滲透地面覆蓋占比過高，城區雨水管網設計時徑流系數取值稍小；

2)在過去，一些雨水管網未經專業人員設計，僅憑經驗確定建設方案；

3)過去雨水管網設計依據的是短歷時暴雨，未進行24 h長歷時暴雨校核。排水能力不達標的主要原因是當初雨水管網設計時徑流系數取值稍低。

4 結論

本文以天門市西湖排水系統為研究對象，構建SWMM概化模型，采用24 h長歷時降雨及武漢市的雨型分布，分別在P=1年和P=2年暴雨事件情況下評估現狀管網的排水性能，得出結論如下：

1)對現狀排水系統的節點溢流分析結果表明：當P=1年時，現狀排水管網溢流節點的比例為15.7%；當P=2年時，溢流節點占比為49.4%，溢流區域更廣，總溢流量與P=1年的降雨事件相比增加了約6倍，溢流總量顯著增加。

2)對現狀排水系統的管段超載分析結果表明：當P=1年時，現狀排水管網超載管段的比例為72.3%；當P=2年時，超載管段占比為86.8%；與P=1年時模擬結果相比，當P=2年時，管段超載時間超過4 h的管段數占比增大，超載時間處于0 h～1 h的管段數占比減少。

3)現狀雨水排水系統排水能力難以達到預期的設計標準(P=1年)，更不能滿足新標準對設計重現期(P=2年)的要求。之所以現狀排水系統的排水能力難以達標，主要是因為城區雨水管網設計時徑流系數取值偏小、部分雨水管網未經專業人員設計以及短歷時設計的管段未進行24 h長歷時暴雨校核，但主要原因是當初雨水管網設計時徑流系數取值稍低。