基于SWMM模型的某市防洪排澇體系探究

于海亮

(新民市水利事務(wù)服務(wù)中心，遼寧 沈陽 110300)

1 SWMM模型原理

暴雨洪水管理模型(SWMM)是一個動態(tài)降雨-徑流模擬模型，用于模擬單一的城市降雨過程，并模擬一段時間內(nèi)的水量和水質(zhì)。SWMM模型可用于研究城市徑流引起的一系列水文過程，包括時間和空間上的降雨、通過排澇管與地下水交換和坡面匯流等。還可以校準(zhǔn)管道排澇系統(tǒng)，河流排澇模擬的分析和計算，以及整個城市排澇系統(tǒng)的分析與模擬。SWMM模型可以根據(jù)研究區(qū)域的實際管道排澇情況使用，將城市區(qū)域劃分為子流域，并將每個子流域按地表劃分為三類即為無洼蓄的不透水區(qū)、有洼蓄的不透水區(qū)和透水區(qū)。在計算徑流時，這三個部分的徑流之和被認(rèn)為是整個流域的總徑流。對于沒有洼蓄的不透水區(qū)域，使用降雨作為徑流；對于有洼蓄的不透水區(qū)域，將降雨量和洼蓄填充量之間的差值用作徑流；對于可滲透地區(qū)，可以使用徑流曲線數(shù)-滲透模型來計算徑流。在地表徑流計算中，三個子流域可以被視為非線性水庫計算，總體連續(xù)性方程和曼寧公式將子流域的產(chǎn)流過程計算轉(zhuǎn)化為徑流計算[1-3]。

2 區(qū)域SWMM模型構(gòu)建

2.1 區(qū)域概述

某市研究地區(qū)面積為150 km2，該地區(qū)年降雨量較大，降雨歷時短強(qiáng)度高，空間和時間變化大。城市地區(qū)建筑密集，人口稠密，市中心狹窄的人行道和道路使其難以擴(kuò)展并納入更多的草坪和開放空間，而市中心的不透水面積正在逐漸擴(kuò)大。由于河流下沉、城市部分地區(qū)的土地沉降、非常陳舊的排澇網(wǎng)絡(luò)和排澇系統(tǒng)的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)較低，短時間的暴雨也會造成城市地區(qū)的洪水。

2.2 SWMM模型模擬

使用SWMM模型對城市的洪水排澇體系進(jìn)行了分析。在模擬之前，詳細(xì)了解子流域，以獲得有用的子流域信息，確定模型參數(shù)。

2.2.1 子流域情況

研究區(qū)的主要排澇網(wǎng)絡(luò)是以道路為導(dǎo)向的，包含了主干線的詳細(xì)信息，但沒有包含分支的信息。由于研究區(qū)的規(guī)劃較早，許多管道的位置和排澇方向尚不清楚。本研究目的主要是分析區(qū)域內(nèi)主要管道的防洪和排澇能力，根據(jù)排澇管網(wǎng)的數(shù)據(jù)，將研究區(qū)的防洪排澇系統(tǒng)分為820條干管和891個觀測點，并參考相關(guān)部門現(xiàn)有雨水網(wǎng)集水區(qū)分布圖，將整個匯水區(qū)劃分為620個。

2.2.2 SWMM模型參數(shù)

首先，使用雨水工程狀態(tài)圖和土地利用模式圖獲取研究區(qū)域內(nèi)的子集水區(qū)面積、特征寬度、防滲面積百分比、管道形狀、管道長度、直徑大小、平均坡度和井底高度的信息。然后使用GIS軟件對這些信息進(jìn)行編譯，在1∶1000地形圖上，包括研究區(qū)域的等高線、集水區(qū)的坡度以及檢查井和管道的地面高程。利用Horton入滲模型模擬降雨的入滲過程，采用動力波法描述排澇管道中的流動，采用非線性水庫法對三個子流域的匯流進(jìn)行計算，模型計算相關(guān)的參數(shù)見表1。

表1 模型計算相關(guān)參數(shù)

SWMM模型的其他相關(guān)參數(shù)主要來自SWMM模型手冊和相關(guān)文獻(xiàn)，并根據(jù)研究區(qū)的概況進(jìn)行了修改。

2.2.3 SWMM模型參數(shù)率定

觀測了15個不同降雨模式分布的降雨數(shù)據(jù)，以此確定模型參數(shù)。首先，將觀測到的降雨量數(shù)據(jù)輸入SWMM模型，然后將測得的內(nèi)澇數(shù)據(jù)與內(nèi)澇計算結(jié)果進(jìn)行比較，確保所使用的降雨淹沒模型滿足城市防災(zāi)研究的要求，實際澇災(zāi)區(qū)和模擬澇災(zāi)區(qū)比較見表2。

表2 內(nèi)澇模擬區(qū)與實測區(qū)積水面積對比

模擬結(jié)果表明，模擬積水面積與實測積水面所計算的誤差很小，大體上反映了實際情況，可以對子流域進(jìn)行歸納，在模型中選擇模型參數(shù)值，模型得到的模擬結(jié)果可信度很高。模擬面積小于測量面積的原因主要為：

(1)模型只概括了主要的管道系統(tǒng)，未模擬小的管道系統(tǒng)或模擬堵塞的管道系統(tǒng)。

(2)研究地區(qū)降水站數(shù)量較少，很難確定降水分布情況，而且城市雨量的空間分布不均，即使雨量相同，也會造成不同的洪水[4-5]。

(3)本研究中的實際洪水?dāng)?shù)據(jù)是測量的，部分是估計的，因此存在誤差。

2.3 SWMM模型模擬結(jié)果

2.3.1 管道排澇能力確定

分析重現(xiàn)期為5.0 a、3.0 a、2.0 a、1.0 a和0.5 a，降雨持續(xù)時間為150 min，將暴雨資料輸入SWMM模型，以此分析管道的排澇能力，并模擬包含退水時間在內(nèi)的降雨徑流過程，包括降雨徑流持續(xù)時間(共4 h)。該模型的模擬分析確定了在暴雨期間管道超載的部分，并為估計管道的排澇和防洪系統(tǒng)的能力提供了依據(jù)，模擬結(jié)果見表3。

表3 管網(wǎng)排澇防澇模擬

由表3可見，研究區(qū)域內(nèi)27.86%的排澇管在不同程度的超載情況下運(yùn)行，管道直徑小，在遭遇1a一遇的設(shè)計降雨量時，管道中的水流具有很高的充滿度。表明研究區(qū)的排澇管道設(shè)計并不完善，有的管道不符合設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，一些管道位置太低，無法充分利用防洪和排澇系統(tǒng)的功能[6-8]，可能導(dǎo)致研究區(qū)域發(fā)生嚴(yán)重洪災(zāi)。

2.3.2 內(nèi)澇風(fēng)險

該模型采用的暴雨重現(xiàn)期分別為30 a、20 a、10 a和5 a(24 h設(shè)計暴雨)，并使用相同的設(shè)計暴雨來計算市中心和城市上游山地的徑流量。由暴雨求得設(shè)計洪水，并將其作為雨水管理模型的上游邊界條件；水文計算可以在較大的流域上進(jìn)行，獲得下游出水口的設(shè)計洪水位，并作為下游邊界條件，對中部地區(qū)的洪水進(jìn)行模擬。成果詳見表4。

表4 各個暴雨重現(xiàn)期中心城區(qū)內(nèi)積水面積情況統(tǒng)計

由表4可見，隨著城市暴雨頻率的增加，被淹沒的面積也在增加，而積水深度也在繼續(xù)增加。城區(qū)30 a一遇、20 a一遇、10 a一遇和5 a一遇的暴雨重現(xiàn)期平均深度分別為44.9 cm、37.7 cm、26.8 cm和8.5 cm，最大深度分別為115.0 cm、99.0 cm、72.0 cm和60.0 cm。SWMM模型的模擬結(jié)果還顯示，一些站點的降雨深度較大，累積時間較長。詳見表5、表6。

表5 不同暴雨重現(xiàn)期城區(qū)積水持續(xù)時間觀測點數(shù)量

表6 不同暴雨重現(xiàn)期內(nèi)城區(qū)積水深度的觀測點數(shù)量

由表5和表6可見，暴雨重現(xiàn)期的增加，觀測點的積水?dāng)?shù)量也隨之增加，其持續(xù)時間也在增加。在30 a一遇的暴雨中，有48個觀測點的積水時間超過30 min，91個觀測點的積水超過10 cm；在20 a一遇暴雨中，有41個觀測點積水時間超過30 min，80個觀測點積水超過10 cm；在10 a一遇暴雨中，有29個觀測點積水時間超過30 min，53個觀測點積水超過10 cm；在5 a一遇暴雨中，有29個觀測點積水時間超過30 min，17個觀測點積水超過10 cm。

2.4 內(nèi)澇措施緩解研究

由模擬結(jié)果可知，老城區(qū)編號J35、J60、J95和J170四個節(jié)點，淹沒較為嚴(yán)重，這是老城區(qū)洪水風(fēng)險總體較高的主要原因。模擬結(jié)果詳見表7。

表7 老城區(qū)澇災(zāi)模擬結(jié)果

從相關(guān)部門了解，老城區(qū)的新老建筑高低大體相同，新建筑的地基比舊建筑的地基高，這很容易導(dǎo)致內(nèi)澇。老城區(qū)排澇管道在原先設(shè)計時其重現(xiàn)期相對較低，而且新城區(qū)的部分雨水管道和污水管道與老城區(qū)的排澇管網(wǎng)相連，老城區(qū)的雨水管道和污水管道容易出現(xiàn)過大的壓力和積水，當(dāng)強(qiáng)降雨發(fā)生時，主要的排澇管道無法滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)。此外，老城區(qū)有非常好的基礎(chǔ)設(shè)施，對原先的管道很難進(jìn)行改造，因此，有人提議在老城區(qū)建立一個深層儲水設(shè)施。在老城區(qū)難以降低排澇水壓的區(qū)域和地段，安裝排澇泵站，以緩解老城區(qū)的洪水和排澇問題。模擬建設(shè)一個蓄水池，并以10 a一遇的暴雨(假設(shè)為24 h暴雨)為例，對老城區(qū)的洪水進(jìn)行了模擬，可使J35、J60、J95和J170四個觀測點的淹沒深度分別降低63.50%、67.75%、64.42%和67.70%，因此，可以看出，建造蓄水池可以減輕排澇管網(wǎng)的壓力，減少老城區(qū)的洪澇災(zāi)害。

3 結(jié) 語

本文通過SWMM模型模擬某城市地的洪澇容易發(fā)生的地區(qū)，并獲得該城市防洪和排澇系統(tǒng)的綜合模擬結(jié)果。通過量化城市地區(qū)被淹沒的時間、被淹沒的面積和被淹沒的觀測點數(shù)量來獲得數(shù)據(jù)。該研究對城市內(nèi)澇和排澇規(guī)劃、防洪規(guī)劃和城市防洪具有一定的參考價值。然而，由于涉及的數(shù)據(jù)量很大，模擬的工作相對復(fù)雜，使得模型的概化更加困難，未來的建模研究應(yīng)進(jìn)一步探索實用的模型，以有效概化城市防洪排澇系統(tǒng)。