樂亭縣雷剛農業園區“7·27”降雨排水分析

王小旭

（唐山市水利規劃設計研究院，河北 唐山 063000）

1 研究背景

EPA（Environmental Protection Agency，環境保護署）SWMM（Storm Water Management Model，暴 雨 洪水管理模型） 是一個動態降雨-徑流模擬計算機程序，該模型為半分布式水文模型，該計算程序開源，算法透明，方便學習交流。主要用于區域徑流水量和水質的單一事件或者長期（連續）模擬。 本次模擬計算由于重點考慮雷剛農業園區“7·27”降雨過程模擬，故未考慮其水質情況。 應用SWMM通過暴雨過程推求洪水，相較于傳統方法更具有專對性，且可以模擬實際發生降雨過程而產生的對應洪水。

2021年度， 唐山市平均降雨量達到1080mm以上， 且降水歷時較長， 造成唐山市南部縣區部分澇災。 根據樂亭縣湯家河雨量站記錄，7月27日—8月1日，降雨量累計達到314mm，占樂亭縣全年平均降水量的51%，雷剛農業園區在此次降水中受災較重，園區內部分果樹死亡。 本次采用SWMM軟件，依據湯家河雨量站7月27日—8月1日降雨過程， 園區內地形、溝渠、涵管等采用實地考察測量，建立降雨-徑流模型，分析此次受災原因，并為園區未來排水規劃提供建議。

2 研究區概況

樂亭縣雷剛農業園區位于樂亭縣胡家坨鎮甘草坨村西南500m，緊鄰西曾線南側，園區內主要種植果樹，占地面積20.93hm2，園區內依靠路邊開挖土質邊溝排水，最后邊溝匯于西曾線公路排水溝，進園道路通過在排水溝下埋涵管連接， 澇水最終通過公路排水溝排入大釗渠。

3 模型建立

3.1 子匯水區劃分及參數設置

本次模型計算范圍為樂亭縣雷剛農業園區整個園區面積，為20.93hm2，根據實際踏勘，園區內被進園區內道路分成6個地塊， 各個地塊之間道路旁邊有人工開挖梯形土質排水溝，本次模型建立依據地形高程測量情況確定流向并結合園區實際排水情況，對子匯水區與排水溝渠進行聯接，使得渠道排水系統流量分配與實際情況相符。子匯水區主要屬性：

（1）坡度。 根據現場高程測算結果，項目區地勢總體平緩，東高西低，北高南低，根據測算得到子匯水區域平均坡度為0.02%。

（2）不透水面積及糙率。 研究區主要為果林園區，不透水面積主要有園區搭建建議彩鋼房，及部分硬化道路，不透水面積較小，根據實際面積量算，不透水面積按照子透水面積10%計算， 透水區域及不透水區域糙率依據相關文獻及SWMM用戶手冊確定，透水區域主要為林地，糙率取值為0.6，不透水區域為彩鋼房及硬化道路，糙率取值為0.015。

（3）下滲。 SWMM軟件對于子匯水區下滲具有CN模型、Green-Ampt模型和Horton模型3種模型，綜合比選以上3種模型， 本次由于地塊地類面積較小且土壤類型單一， 確定選取參數設定較為簡單的Horton模型，根據實際現場探勘，研究區域內主要土壤類型為潮土，最大入滲速率確定為75mm/h，最小入滲速率確定為18mm/h，衰減常數確定為3.5h-1，模型區子匯水區域概化情況詳如圖1， 相關計算參數如表1。

圖1 模型區子匯水區域概化情況

表1 模型區子匯水區域屬性

3.2 排水管渠概化及參數選擇

根據實際勘察結果， 園區內主要通過路邊人工開挖土質邊溝排水， 部分進園道路下設涵管跨越土質邊溝，材質為混凝土管，故排水管渠主要為梯形土質邊溝及圓形混凝土管， 相關設計尺寸根據實際測量結果。 糙率依據相關文獻及SWMM用戶手冊確定，其中土質排水溝糙率選取為0.03， 混凝土管涵糙率選取為0.012。 排水管渠設計參數如表2。

表2 模型區排水管渠設計參數統計

SWMM軟件對于管道匯流采用3種水力計算方式，分別為恒定流、運動波和動態波，本次研究區內土質排水溝及涵管雖然型式較為單一， 但由于人為開挖搭建，存在逆坡、漫流、悶孔等現象，恒定流及運動波無法滿足上述現象的描述， 只有采用動態波可模擬上述情況下水流流動， 故本次管道匯流水動力條件選用動態波方程。

3.3 暴雨序列選擇

本次模擬時段為2021年7月27日5：00至2021年8月2日0：00， 采用樂亭縣湯家河雨量站實測降雨成果，降雨量累計達314mm，占樂亭縣全年平均降水量的51%，降雨時間間隔為1h，湯家河雨量站實測降雨過程如圖2。

圖2 湯家河雨量站實測降雨過程

4 結果分析

4.1 一般項設置

上述條件設定完畢后，在SWMM軟件中，一般項選擇中，過程模型選擇降雨、徑流及流量演算，下滲模型選擇Horton模型，演算模型選擇動態波，模擬日期設定為本次模擬時段為2021年7月27日5：00至2021年8月2日0：00，演算時間步長為30sec，動態波設定中，慣性項選擇阻尼，正常流動原則坡度和傅汝德數兩者均選， 壓力干管公式選擇Hazen-Williams，然后進行運行模擬。

4.2 演算結果

通過執行模擬， 軟件在計算完成之后可得到相關計算成果，本次將部分成果展示如下，主要為各主要節點在模擬范圍內隨降雨過程流量變化如圖3，水深變化如圖4，及西曾線公路排水溝模擬段內最大水深統計如圖5。

圖3 主要節點流量過程線

圖4 主要節點水深過程線

圖5 西曾線公路排水溝最大水位剖面線

通過結果分析，可見灌渠排水流量、水深與降雨量對應關系較好，且略微滯后于降水量過程線，與實際情況較為符合， 排放口流量及水位低于其他重要節點，主要原因為排放口設置了直徑0.4m管涵，管內水流為有壓流， 排放流量流量小于農業園區自產流量，根據統計成果，這段時間范圍為2021年7月27日8：30至2021年7月28日14：30，歷時33.5h，對應于本次模擬降水的主要過程。

通過分析西曾線公路排水溝模擬段內最大水位，排水溝由于認為搭建道路下設涵管過水，涵管底高程較高，使渠道部分渠底存在逆坡，且排放口管涵直徑較小，排水溝排水受阻，園區內積水不能順利排出。

5 結語

（1）通過上述計算分析、結合現場勘查及當地群眾問詢，雷剛農業園區受災的主要原因：①本次降水持續時間較長，且雨量較大，園區地塊果樹根系土壤含水一直處于飽和狀態。 ②園區西曾線公路排水溝排入大釗渠排放口直徑較小，排水受阻，致使園區內產生澇水未能及時排出。 ③園區西曾線公路排水溝中間修建進園道路，下設涵管，涵管底高程較高，溝底存在較大逆坡，排水不暢。 ④根據實地勘查，園區內均為土質邊溝，均系人工自行開挖， 溝底未形成一致坡比， 且部分地段存在逆坡，園區內部分生活雜物阻塞排水邊溝。 ⑤農業園區地處沿海平原地區，地勢較為平坦，園區子地塊坡度較緩，自身排水亦較慢。

（2）通過SWMM軟件分析，可定量得到子區域產流量及過程線、整個園區最大排水流量及排水時長，匯入邊溝過流能力等，可有效查找出受災原因，為問題分析解決提供參考。

（3） 建議園區應委托專業咨詢設計機構進行規劃設計，依功能進行合理規劃布局。改造園區西曾線公路排水溝入大釗渠管渠， 園區內排水管渠應科學布設， 排水管徑及溝渠尺寸不應小于子流域產生最大澇水流量，統籌園區內排水溝底寬及坡比設計。可將排水溝斷面設置為磚混結構， 園區進場道路跨越排水溝建議設置為箱涵。 園區排水溝渠末端設置集雨池，充分利用雨洪資源。 園區配備相關排水設備，可采用機排方式，防止園區受災。