基于SWMM模型的變電站雨水徑流仿真研究

摘" 要：基于SWMM模型建立福建省典型500 kV變電站的雨水仿真模型，通過對70%常遇降雨事件的模擬，對比變電站海綿措施改造前后的總峰值削減率和總徑流控制率變化情況，結果表明海綿改造后的洪峰削減率達92%，總徑流控制率達90%;并采用對重現期一年到三年一遇的設計暴雨對模型進行校驗，結果表明海綿措施的總徑流控制率不低于60%。證明典型變電站通過合理海綿措施布置，可以達到明顯的雨水蓄滯減排作用。

關鍵詞：雨水徑流仿真;SWMM;海綿措施;變電站;洪峰

中圖分類號：TU992" " " "文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2023）25-0066-04

Abstract： The rainfall-runoff simulation that based on the SWMM model was established for the typical 500 kV substation of Fujian province. Compare the differences between whether LID measures were constructed in substation or not under the 70% frequent rainfall. It shows that the flood peak reduction rate reached 92% and the total runoff control rate reached 90% with the LID measures were constructed. The design rainstorms were used to verify the rainfall-runoff simulation model， and the results show that the total runoff control rate with the LID measures were constructed is over 60%. It is proved that the typical substation can achieve the obvious effect of rain water storage lag and emission reduction through reasonable layout of sea measures.

Keywords： rain water runoff simulation; SWMM; low impact development （LID）; substation; flood peak

自2012年《2012低碳城市與區域發展科技論壇》中“海綿城市”概念首次在國內提出以來，全國多地推出相關海綿城市建設政策。廈門市作為全國首批海綿城市試點城市之一，進行了一系列頂層政策規范設計，著力將 “滲、滯、蓄、凈、用、排”6大海綿城市要素融入城市的規劃建設中。變電站作為城市的基礎電力設施早已融入城市中的各個區域，以廈門市為例，要求新建工程在工程項目范圍內將70%的降雨就地消納和利用的海綿城市要求。

隨著變電站建設朝著集成化、標準化和智能化方向的發展[1]，一方面，站內除必要的電氣設備和生產生活建筑物外，其他可供騰挪的空間十分有限;另一方面站內的電氣設施、建筑物、硬化道路等均屬于不透水下墊面，較工程建設前場地蓄滯雨水的能力大大降低。此外，為了方便排放口的管理，變電站內通常只設置一處排水出口，因此原來分散面流，變成了集中排放，特別是對于500 kV及以上的大型變電站而言，由于場地范圍較大，即使是一年一遇的常遇暴雨，集中排放也容易造成周邊的農田或道路被淹沒，給變電站周邊的排水系統帶來很大壓力。

SWMM（Storm Water Management Model）軟件是美國環保署研發暴雨洪水管理模型開源軟件，內置有多種海綿措施模型，國內學者[2-5]已用于市政工程、建筑小區、機場等的雨水仿真研究。在變電站建設范圍內建設海綿措施，是一種有效削減地表徑流的手段。由于變電站站區場地設備密集，如何科學地在變電站配置合適的海綿措施，需要借助SWMM軟件進行仿真分析。

1" SWMM模型建立

變電站場地一般由圍墻內用地和圍墻外邊坡等其他用地2部分組成。其中圍墻內用地主要由電氣設備及其支撐、圍護結構、生產生活建筑物、道路和綠地等組成;圍墻外主要由邊坡、排水溝等組成。用SWMM模型模擬變電站的場地，需要注意由于變電站電氣設備帶電安全要求，一般不允許在建筑物或設備圍護結構上方布置海綿措施，這類模型在仿真模型中視為不透水區域。此外，道路、外露設備基礎等也視為不透水區域。除卻上述區域，站內可供利用的其他空間十分有限，模型建立必須足夠細化，以達到反映真實場地特征。在設計變電站配套海綿措施時，由于變電站的特殊管理規定，一般不允許進行大體積的蓄滯設施施工，也不允許種植灌木喬木等植被，海綿措施應采用盡量簡易的設施，并且需要與戶外電氣設備結合布置，充分挖掘變電站的雨水蓄滯潛力。

為了模擬對比分析變電站海綿措施所發揮的削峰滯水作用，需要分別建立SWMM模擬變電站海綿改造前原始模型和海綿改造后的低影響開發（LID）模型。通過模型對比分析變電站的總排放口的管道峰值流量削減率和徑流控制率的變化情況，作為變電站配套海綿措施作用的評價指標[6]。

2" 模型參數設置

2.1" 暴雨資料

暴雨資料是變電站雨水仿真模型的輸入條件，暴雨強度和暴雨歷時均會影響變電站雨水模型的輸出結果，具體資料需要根據變電站所處區域分析取得。為了分析變電站海綿措施的作用，首先應根據徑流總量控制率的要求，取得典型暴雨資料。以廈門地區為例，根據項目年徑流總量控制率70%的要求，對應的典型暴雨為26.8 mm降雨事件[7]。對該典型暴雨輸入模型進行分析，所得出的變電站徑流總量控制率不應低于70%，即表明站內所采用海綿措施達到了設計目的，否則應調整海綿措施重新計算。

為了進一步分析，當變電站遭遇設計暴雨時，海綿措施所能發揮的削峰作用，同時采用降雨重現期為一到三年一遇、降雨歷時2 h的暴雨模型進行模擬校核。相關降雨事件過程線如圖1—圖4所示。

2.2" 子匯水區參數設置

子匯水區是SWMM軟件用于模擬場地雨水匯水區的計算單元，其中下滲模型是用于模擬土壤水分下滲的過程。SWMM軟件提供了Horton模型、修正Horton模型、Green-Ampt模型、修正Green-Ampt模型和曲線數模型共5種下滲模型[8]。考慮到變電站的非硬化區為均質土，下滲模型宜選擇Green-Ampt。其余子匯水區的參數還有流域坡度、非透水區域洼地滯留系數和普通綠地的下墊面徑流系數。

匯水區坡度根據具體地塊坡度輸入;非透水區域洼地滯留系數，根據變電站工程的經驗，可取0.05;普通綠地的下墊面徑流系數，根據室外排水標準取0.15[9]。

2.3" 海綿措施模型設置

變電站中可供海綿措施利用的區域比較分散，通常是設備與道路之間的條狀空地或架空設備下方塊狀區域，無法使用較大的雨水調蓄措施。下凹式綠地和雨水花園由于布置靈活、措施簡單是變電站中應用最普遍的海綿措施。在SWMM模型中可采用Bio-Retention Cell模塊模擬下凹綠地和雨水花園，模塊的參數設置如圖5—圖6所示。

3" 工程應用

3.1" 工程簡介

福建省典型500 kV變電站工程，項目總用地面積為40 000 m2，其中圍墻內用地面積33 000 m2，其他用地面積7 000 m2，總建筑面積1 214 m2，建筑物無地下室，設計綠地率為12.0%。站區主要包括4組1 000 MVA主變壓器、各類配電裝置、構架等;建筑物主要包括主控通信樓、繼電小室、警傳室及水泵房等。采用 SWMM 5.2軟件，將場地按不同下墊面細致劃分為109個排水子流域，各子流域雨水按徑流組織排入周邊簡化后的排水干管，雨水最終由場地南側總排放口排出。全站分區域設置下凹式綠地和雨水花園，其中下凹式綠地總面積2 410 m2，平均深度150 mm;雨水花園總面積1 225 m2，平均深度250 mm，變電站雨水仿真模型如圖7所示。

3.2" 峰值流量削減率分析

通過SWMM軟件分別采用原始場地模型和海綿措施改造后的場地模型進行計算得出，變電站場地峰值總出流量從原始場地模型的64.79 L/s減小至海綿改造后的4.80 L/s，峰值流量削減率達92%;峰值流速也從2.21 m/s減小到1.02 m/s。模型分析結果表明經海綿改造后的場地，在概率為70%的降雨事件中發揮作用明顯，不僅大幅削減總管洪峰流量，并且改善了總管徑流出水條件，減輕了變電站周邊的經常性排水壓力。SWMM模型得到的場地總出流量詳細對比結果，可見表1、圖8和圖9。

3.3" 徑流控制率分析

根據變電站海綿設施設置情況，海綿設施的理論計算總滯水量約668 m2，通過仿真模擬對比計算所得原始模型的場地出口總徑流量為630 m3，海綿改造后的場地出口總徑流量為59 m3，海綿措施滯水總為571 m3，徑流控制率約90%。模型計算滯水量與理論計算值接近，說明仿真模型的設置較為科學合理，模型對比結果顯示，海綿設施的滯蓄效果明顯，可以有效減速小雨水外排，模型計算結果詳見表2。

3.4" 模型校驗

為進一步校檢變電站海綿設施在遭遇變電站設計暴雨時，對徑流的調節效果，采用降雨重現期為一、二、三年一遇、降雨歷時2 h進行模擬校核，校核結果見表3。

由表3可知，變電站的海綿措施在遭遇設計暴雨時，全站雨水控制率不低于60%，效果明顯，證明變電站的海綿措施布置合理，措施規模適當。

4" 結論

通過建立福建省典型500 kV變電站的雨水仿真模型，對比場地海綿設施改造前后在常遇降雨水事件中的峰值流量削減率和徑流控制率分析，結果表明通過合理的海綿措施布置，典型變電站總出口峰值流量由64.79 L/s減小至4.80 L/s，削減率達92%，并改善了出流條件;場地徑流總量從630 m3減少至59 m3，總徑流控制率達90%以上。此外，模型對變電站設計暴雨的校驗結果表明，海綿改造后的場地總徑流量控制率不低于60%。上述結果證明了福建省典型500 kV變電站經合理海綿改造后，具有明顯的蓄滯降水的作用。

參考文獻：

[1] 張鵬，李鵬程，趙彪，等.海綿城市相關技術在變電站中的應用研究[J].河北水利電力學院學報，2021，31（2）：56-60.

[2] 王建輝，辛思雨，林爽，等.暴雨管理模型SWMM的應用現狀[J].吉林化工學院學報，2018，35（9）：84-87.

[3] 孫建海，王琳.基于SWMM評估的建筑小區年徑流總量控制率計算方法及應用探討[J].建設科技，2019（14）：57-61.

[4] 彭晶，唐媛，毛浩然，等.低影響開發海綿機場SWMM模型分析[J].海河水利，2021（6）：80-82，96.

[5] 黃卡，張翔，李鵬.SWMM模型在城市設計洪水中的應用研究[J].企業科技與發展，2008（10）：214-216.

[6] 余雪兵.基于SWMM的重點城區海綿措施調控研究與應用[D].合肥：合肥工業大學，2021.

[7] 王寧，吳連豐.廈門海綿城市建設方案編制實踐與思考[J].給水排水，2015（6）：28-32.

[8] 賀娟，梁小光，溫衛華，等.SWMM下滲模型算法改進研究[J].中國給水排水，2022，38（7）：122-125.

[9] 室外排水設計標準：GB 50014—2021[S].北京：中國計劃出版社，2021.