基于SWMM的水冶工業(yè)區(qū)降雨徑流模型模擬研究初探

李巖　徐嘉洋

摘 要：為研究某水冶生產(chǎn)區(qū)的降雨面源污染，基于水文、水力學原理，基于SWMM暴雨徑流模型，采用芝加哥雨型對研究區(qū)的暴雨公式進行降雨時程分配，將研究區(qū)地面概化為不透水區(qū)、無洼蓄透水區(qū)域，在瞬時徑流系數(shù)計算模型的基礎上，結合SCS下滲模型，考慮截留、下滲等損失，模擬了研究區(qū)地表產(chǎn)流過程，同時利用徑流推理公式模擬了研究區(qū)地表匯流過程。

關鍵詞：SWMM模型;降雨重現(xiàn)期;降雨模擬;產(chǎn)匯流模擬

中圖分類號：P333.1 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2020）06-0009-02

水冶生產(chǎn)區(qū)雨水面源污染具有來源的復雜性、發(fā)生時間的不確定性、排放污染物的偶然性和隨機性等顯著特點，這是由于影響雨水面源污染主要取決于降雨這一動因以及徑流這一遷移載體這兩大影響因素。利用數(shù)值模擬技術對水冶生產(chǎn)區(qū)降雨徑流過程進行模擬是研究水冶生產(chǎn)區(qū)面源污染規(guī)律的關鍵。本文以SWMM（storm water management model，暴雨洪水管理模型）為基礎，建立了水冶生產(chǎn)區(qū)的降雨徑流模擬模型，為揭示水冶工業(yè)區(qū)面源污染提供一定的技術支持。

1 SWMM模型介紹

美國環(huán)保署開發(fā)的SWMM模型作為一個動態(tài)的降雨—徑流模型，可以模擬單場次降雨雨洪過程及水質(zhì)情況。該模型可模擬完整的降雨、下滲、蒸發(fā)、徑流和污染物的運動過程。

2 研究區(qū)域降雨模擬構建

設計典型雨型是降雨模擬不可或缺的基本要素，根據(jù)國內(nèi)外多年研究表明Huff雨型、YC雨型、PC雨型、KC雨型均為比較接近實際雨型的設計雨型，上述雨型均通過雨型公式推算相應的降雨過程線。有研究表明，芝加哥雨型具有較好的適用性，降雨過程模擬可適用于不同降雨歷時的降雨。

2.1 芝加哥模型降雨過程線

芝加哥模型以統(tǒng)計的暴雨強度公式為基礎提出設計降雨過程。在我國排水管渠設計中，暴雨強度公式一般采用“（1）”形式：

2.2.1不同雨型條件下降雨

本文模擬了三種不同雨峰位置同頻率的雨型，雨峰位置分配在0.4、0.5、0.6處。根據(jù)同頻率不同雨型降雨時程分配圖分析得知，同頻率不同雨型降雨前期約10min的時間段幾近形同，但隨著雨峰位置不同，中間段降雨時程分配有著較大的變化，雨峰靠前，前期雨量較多，對污染物沖刷相對較強，而且通過相關文獻資料，短歷時降雨的雨峰大多靠前，因此，在后續(xù)的產(chǎn)匯流模擬中采用雨峰r=0.4的降雨雨型作為模擬雨型。

2.2.2同雨型不同頻率降雨

采用當?shù)乇┯旯剑O計重現(xiàn)0.25a、0.5a、1a、2a、3a、5a、10a一遇的120min降雨，研究雨峰r=0.4的降雨過程。表1為不同重現(xiàn)期下降雨量參數(shù)表。

根據(jù)不同雨型同頻率降雨時程分配圖可見，同雨型不同頻率降雨平均雨強、最大降雨強度、累計降雨量、時間段內(nèi)降雨量隨著重現(xiàn)期不同呈正比例的增長。

2.3凈雨情景設計

2.3.1 凈雨模擬

本模擬結合在水冶生產(chǎn)區(qū)實際監(jiān)測的8場降雨，根據(jù)各降雨場次監(jiān)測記錄，以平均雨強作為模擬條件，模擬這8場次降雨。各場次降雨參數(shù)見表2。

2.3.2凈雨模擬與同步降雨監(jiān)測數(shù)據(jù)對比

如前所述在水冶生產(chǎn)區(qū)進行降雨的同步監(jiān)測，由于自動雨量計雖然能夠按分鐘記錄降雨數(shù)據(jù)，但是記錄值精度較小，造成在某些間隔段數(shù)據(jù)為零的現(xiàn)象，為對比降雨模擬數(shù)值與實際監(jiān)測降雨是否體現(xiàn)實際降雨，我們將無數(shù)據(jù)的值之間進行內(nèi)插處理，得出該場次監(jiān)測時段的累計降雨值，將其與模擬數(shù)據(jù)進行對比。為減少數(shù)據(jù)處理量，選擇監(jiān)測期四類分別為15年7月17小雨、15年5月15日中雨、15年5月27日大雨、15年7月1日暴雨，這四場次的同步監(jiān)測數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)累計降雨量進行對比，可知降雨模擬與實測值基本相近，即降雨模擬與實際降雨雖然有一定差異，但其時程分配、變化過程具有一定的相同性。

3產(chǎn)匯流模擬構建

3.1 排水子區(qū)域概化劃分

根據(jù)水冶區(qū)的地形和雨水匯水的特性，將水冶生產(chǎn)區(qū)場地內(nèi)部地表產(chǎn)流概化為3個排水子區(qū)即中部南側排水子區(qū)、中部北側排水子區(qū)、西北排水子區(qū)。

3.2 產(chǎn)匯流模擬

產(chǎn)匯流模擬利用當?shù)乇┯陱姸裙浇Y合芝加哥暴雨時程分配進行計算，其中產(chǎn)流的損失采用徑流系數(shù)進行合成模擬，而匯流采用排水規(guī)范推薦的推理公式結合等流時線法進行合成模擬。結合在水冶生產(chǎn)區(qū)布置的監(jiān)測點位進行產(chǎn)匯流模擬。

3.2.1產(chǎn)流模擬

監(jiān)測點位4個其中，QU-1、QU-4監(jiān)測點位所處排水子區(qū)域概化為透水地面A3，而QU-2、QU-3監(jiān)測點位處于排水子區(qū)域概化為無洼蓄的不透水地面A2。

通過對無洼蓄透水區(qū)及不透水降雨及凈雨各場次降雨模擬圖可知，在小雨強降雨過程無洼蓄透水區(qū)產(chǎn)流在降雨峰值之前損失較多，大多入滲至透水區(qū)地表，一般在降雨5min～10min后，形成產(chǎn)流;不透水區(qū)域降雨產(chǎn)流損失相對較少，一般在降雨5min左右形成產(chǎn)流，在雨峰后基本降雨產(chǎn)流無損失，全部產(chǎn)生徑流。隨著降雨強度增強后，無洼蓄透水區(qū)產(chǎn)流損失越來越小，與透水區(qū)一樣基本在降雨5min后快速形成產(chǎn)流。即隨著降雨強度增加、降雨歷時增加，透水區(qū)域與不透水區(qū)域產(chǎn)流愈來愈相近。

3.2.2匯流模擬

匯流采用排水規(guī)范推薦的推理公式法進行模擬，通過對各監(jiān)測場次、處于無洼蓄透水區(qū)域點位以及處于不透水區(qū)域點位的徑流（總深）模擬可知，最終徑流形成的結果與產(chǎn)流密不可分，不透水區(qū)域產(chǎn)生的徑流大于無洼蓄透水區(qū)域的徑流，而在產(chǎn)流條件相同條件，匯水區(qū)域的大小是左右徑流大小的關鍵，匯水面積大的區(qū)域徑流大于匯水面積小的區(qū)域徑流。

4 結語

利用SWMM模型對凈雨過程進行了合成模擬，同時與同步監(jiān)測的雨量數(shù)據(jù)進行對比發(fā)現(xiàn)，采用芝加哥雨型對降雨過程進行合成模擬的結果與實測數(shù)據(jù)基本接近。

徑流監(jiān)測試驗區(qū)同步監(jiān)測的13場次有效降雨，經(jīng)產(chǎn)流模擬在無洼蓄透水地表的點位在小雨模式下基本在5～10min左右形成產(chǎn)流，地面發(fā)生匯流;而在透水地表的點位在小雨模式下一般在5min后形成產(chǎn)流，地面發(fā)生匯流，但當在高于中雨強模式下，由于雨強的增加，透水地表下滲迅速達到飽和基本與不透水地表在相同時段5min后形成產(chǎn)流，但產(chǎn)流量小于透水地表。經(jīng)匯流模擬，在產(chǎn)流條件相同下，匯水區(qū)面積是最終控制總徑流深的關鍵，而產(chǎn)流是影響匯流的最為關鍵的因素，在無洼蓄透水地表點位整體徑流深小于透水地表點位，在產(chǎn)流條件相同下，點位處于匯水面積大的形成的徑流深大于匯水面積小的點位。