基于SWMM的城市下墊面改變對匯流特性影響研究

劉 燦

(重慶交通大學，重慶 400074)

城市化發展迅速，原始流域地面條件變化巨大，地表下滲、產匯流等水文過程特征也發生了改變，對城市管道的行水過程帶來巨大壓力。原有的降雨徑流排放途徑與方法因城市化而改變，水文效應也因此變化。同時，下墊面的改變對整個水文過程造成了無法逆轉的結果，主要體現在曾被植被攔截收留的降水徑流在現狀城市地面很快就被收集排放，少數城市排水系統無法滿足重現期較大降雨所產徑流，便會發生城市內澇災害，對人民生命財產造成威脅。下墊面不透水率增加會導致城市區域產匯流時間大幅縮短的現象，且城區蓄水、集水設施十分稀少，導致市政管道洪水峰值流量與均值流量皆有不同程度增加，受于排水系統的局限因素，城區遭遇洪澇頻數以及受災程度會明顯增加[1-2]。

SWMM模型面世后經多次完善升級[3]，前后完善和新增了模型功能，添加了低影響開發模擬場景，使水質模塊和水文水力模塊關聯度增加，提高了模型模擬準確度，提供了更好的操作環境和界面，使其在城市雨洪模擬過程和水質模擬等領域作用顯著[4]。模型徑流模塊可在獨立降水事件模擬基礎上進行，添加多場次降雨事件達到連續降雨模擬的效果，通過布設管渠、蓄水池、排水口等設施并完成輸入數據、率定研究流域下墊面屬性參數[5]，便可較為準確模擬降水—徑流等復雜水文過程，模擬出管網系統中匯水情況的動態軌跡。排水系統作為模型輸送模塊的載體，承擔著輸送模塊對雨水輸送的演算過程的基礎作用，選定節點以及管道的基本參數，便可演算市政管道雨水傳輸過程中污染物的擴散情況。全文利用SWMM模型模擬了重慶巴南區龍洲灣地區排水管網在不同暴雨重現期下的下墊面不透水率改變管網匯流及徑流系數變化情況，根據模擬結果，對城市小流域下墊面產匯流敏感性分析，找出影響徑流原因，提出降低城市徑流產生量的措施。

1 模型與模擬方法

1.1 模型簡介

SWMM是美國環保署為了應對市雨洪管理問題所開發的經典模型[6]。運用了坡面產匯流原理，利用圣維南方程組、非線性水庫等經典理論。既可模擬地表徑流過程、排水管網運行狀態，還可模擬各污染物在水流運動中擴散情況。大量運用SWMM模型工程報告表述，均取得較為良好的模擬效果[7]，在充足的資料條件支撐下，也可用于山地區域的雨洪模擬。在低影響開發(LID)評價中，暴雨洪水管理模型也可模擬不同LID措施組合，根據研究區域的實況需求布設最佳適宜性措施，使居住區科學合理的滲透、雨水滯留，提升其應對極端天氣的能力[8]。還可借助SWMM模型模擬不同低影響開發措施方案對區域徑流污染擴散情況[9]。劉含影[10]對比了水文、管網、水質、成本經濟4個方面下的LID措施方案，找尋了適合研究區域的的最佳選擇。Sun Yongjun[11]等人提出了海綿城市的灰色基礎設施向綠色基礎設施轉變過程中遇到的問題及采取的措施，建議在建設海綿城市的過程中，不能簡單地著眼于綠化指標，忽視人與自然、自然與自然的聯系，在建設過程中考慮當地的建設現實，要因地制宜，系統科學地制定發展路線，才能有效利用海綿城市的效果，解決城市水資源可持續問題。張恒[12]運用Citespace軟件研究了SWMM模型是城市洪澇治理以及海綿城市建設領域熱點，同時建議健全海綿城市建設相關法規，加強對項目的配套運營維護。

1.2 模型建立

1.2.1研究區域概化

建模對象為龍洲灣B區，研究區域面積約為59 hm2，不同區域水文特征同異性并存，結合研究區域水文特征，將相似度較大，區別度較小的區域劃分在同一分區，并根據市政雨水管網分布、土地利用類型、交通道路規劃設計等資料人工劃分8個子匯水區(見圖1)，對子匯水區的劃分還有泰森多邊形法，但研究區域地面屬性較為單一且占地面積小，因此，選擇人工劃分。分別為公園、廣場、房屋屋頂、硬化道路、人工湖，所占比例分別為14%、6%、39%、30%、11%，雨水由子匯水區收集經排水管網匯集，流向PFK1，然后排至河流。

圖1 子匯水區模型概化示意

1.2.2模型參數確定

區域城區規劃建設完成后，地面產流為該區域的主要產流方式，少量產流為壤中流和地下產流。匯流手段先以坡面匯流為主，其次為市政管道匯流。上述確定的子匯水區屬性已定，綠植覆蓋率較低，降水之后的蓄水集水能力弱，下墊面糙率小。模型參數獲取方式有兩種，一是從市政管網圖以及用地規劃直接提取，如劃分后的集水區域面積、子匯水區平均坡度和特征寬度，市政管道大小形狀以及比降。另外一種便是根據子匯水區特征屬性所定，如洼蓄量、曼寧系數等參數，這些參數需要確定其物理意義及取值范圍，再查閱相關文獻經驗確定。

通過地勘資料與查閱相關文獻、手冊，確定子匯水區域主要參數(見表1)。

表1 子匯水區域主要參數

子匯水區采用霍頓入滲模型模擬降水入滲過程，由于降雨歷時較短(120 min)，蒸發忽略不計。由模型手冊和相關文獻確定土壤最大入滲率76.2 mm/h，最小入滲率為3.18 mm/h，衰減系數為0.000 6/h。

坡面匯流原理為非線性水庫法，聯立曼寧公式及連續性方程求解。下墊面不透水洼蓄深度2.54 mm，透水洼蓄深度5.08 mm，透水區域、不透水區域、混凝土管道糙率分別取值0.24、0.012、0.012。降雨歷時120 min，計算步長為5 min。

1.2.3 SWMM模型參數率定與校驗

運用納什效率系數驗證龍洲灣B區模型結果的合理性。

(1)

式中：

n——觀測值或模擬值的次數。

選取兩場具有代表性降水過程作為研究區域的模型驗證數據，得到模型區域觀測實際徑流序列值和SWMM模型的模擬徑流序列值，通過(1)式計算模型的納什系數驗證所建模型參數取值合理性及準確性。

選定2018年6月30日和12月06日的2場降雨過程驅動模型，并獲取實測徑流數據來校驗模型的參數取值可靠度。2場降雨的降雨信息以及徑流數據觀測數值和模擬數值如圖2～3所示。

圖2 20180630降雨、徑流模擬實測對比示意

通過計算，這兩場降雨的納什系數分別為0.84和0.77，大于0.7，說明本次SWMM建模參數選取較為合理，可進行下一步研究工作。

圖3 20181206 降雨、徑流模擬實測對比示意

2 基于SWMM模型小流域城市匯流分析

城市化布局后用地類型突變，變化趨勢都是由原來透水性較強的原始地貌變為了房屋建筑屋頂、宜居生活廣場和瀝青混凝土硬化道路等不透水地面。原始水循環產匯流條件被破壞，自然條件降雨、蒸發、入滲、徑流比例失調。城區不透水面積比例急劇增加，雨水流動區域糙率變小，下滲量及壤中流減少導致水循環速度加快，產流到匯流周期過程縮短，徑流量增加。

模型利用運動學方法以及地面和渠化水流要素的組合來估計洪水，水力部分能夠通過穩定流、運動波和動力波3種方法來計算徑流，通過結合運動方程獲得的完整形式圣維南方程來執行交匯處的水流路徑模擬。

2.1 研究區域雨形設計

研究區域雨形設計采用合成模擬法，運用理論、半理論的經驗公式合成的芝加哥暴雨過程線法。

暴雨強度公式：

(2)

式中：

q——設計暴雨強度；

P——設計重現期；

t——降雨歷時；

A1、C、n、b——參數，根據統計方法進行計算確定，若暴雨重現期不變且研究區域固定，A1(1+ClgP)則為一常數。

引入雨峰系數R描述雨峰的烈度以及定格峰前峰后降雨時長并降低降雨峰值對降雨—徑流模型的影響。采納重慶市暴雨強度公式(巴南)，式(3)推求龍洲灣地區設計洪水，雨峰系數r為0.416。

(3)

2.2 城市小流域徑流模擬

徑流系數可反映降水深度—徑流深度隨時間變化而變化的瞬時關系，主要受子匯水區地形地貌、匯水坡度等因素影響。Sen Zekai[13]也提出了關于徑流系數的估算模型：

(4)

式中：

P——單位時間內的降雨量，mm；

K——土壤飽和系數；

dP——單位時間內的降雨量，mm；

dR——單位時間內產生的徑流量，mm。

將芝加哥雨形合成的降雨數據導入到SWMM模型時間序列，運行模型得到子匯水區域的徑流系數、排放口平均流量以及峰值流量(見表2)。由表2可知，由于暴雨重現期增大，地面下滲能力嚴重滯后于降水量，因此，徑流系數隨重現期增大而增大，人工湖ZMJ2變化更為顯著，對降雨進行收集、攔截能力強，所以人工湖子匯水區徑流系數相對于公園、硬化路面及屋頂等子匯水區較小。排放口峰值流量隨著暴雨重現期的增大而增大，但增長速率逐漸降低，由最開始的34.9%增長率降低至4.2%，平均流量的增長速率由38.1%降低至10.7%。

表2 子匯水區域徑流模擬成果 m3/s

3 小流域城市下墊面改變匯流分析

下墊面改變自然排水格局，導致區域雨洪調蓄能力下降，洪澇災害頻發且受災程度劇增，徑流系數作為雨洪管理模型重要參數，了解其變化大小及變化因素非常必要。本節以小流域城市下墊面的不透水率變化為因變量研究匯流特性的影響因素。具體變化為不透水率從75%上下浮動20%，不透水率定值95%和55%，得到在5 a、20 a、50 a、100 a暴雨重現期下，子匯水區ZMJ1-ZMJ8的徑流系數的變化率及排放口峰值流量、平均流量的變化(如圖4所示)。

由圖4可知：在相同重現期，下墊面不透水率降低20%后的徑流系數變化大于不透水率增加的，且在重現期增大時，徑流系數變化在逐漸縮小。暴雨重現期增大，徑流系數變化受下墊面不透水率的增加或降低影響變小，由5 a重現期的12.7%變化率降至7.3%。

圖4 不同重現期下墊面改變徑流系數變化對比示意

通過圖5可知：下墊面不透水率由75%降至55%的條件下，暴雨重現期重5 a逐級遞增到100 a，排放口峰值流量同比降低了21.0%、16.2%、14.3%、8.6%。排放口平均流量同比降低11.3%、7.2%、5.8%、4.3%。

圖5 不同重現期下墊面改變排放口流量變化對比示意

同樣下墊面不透水率由75%升至95%的條件下，排放口峰值流量同比增加了16.6%、11.0%、5.8%、2.1%。排放口平均流量同比增加9.9%、6.3%、4.7%、3.4%。排放口峰值流量與平均流量變化規律與徑流系數一致，下墊面改變對低降雨強度影響十分巨大。

4 結語

1) 下墊面不透水率改變對小流域城市徑流影響巨大，對暴雨重現期短的降雨尤為明顯。因此，建議小流域城市設置生物滯留設施、雨水桶、透水鋪裝、綠色屋頂等集雨設施，可為城市增添“海綿”功能，在低強度降雨時，可起到收集雨水，節約水資源的效果，但此設施對高強度降雨徑流影響較小。

2) 不透水率增加使研究區域的排水壓力增大，徑流系數也會增加，不透水率降低，小流域城市流量相應降低。但隨著暴雨重現期年限增加，不透水率的變化對峰值流量和平均流量的產生影響幅度變小。且不透水率降低20%比不透水率增加20%的徑流系數、峰值流量及平均流量變化更大，其原因是城區硬化下墊面75%不透水率已經較高，再次提升不透水率，徑流效應對此變化敏感度變低。