基于SWMM模型的S縣城雨水系統優化模擬

林利森 熊子鷹 趙少遠

〔摘 要〕為了有效調度城市雨水系統中的灰色管渠部分，使之能與綠色基礎設施聯動作用，最大限度地控制城市雨水，對S縣城雨水系統進行優化模擬并建立SWMM模型。結果表明，通過改造S縣雨水系統，當地在典型降雨下的徑流峰值能延遲約9 min出現，5 a重現期以下超載管道和超載節點數比改造前降低了90%以上，排放口流量明顯降低。

〔關鍵詞〕 SWMM;雨水系統;優化模擬

中圖分類號：TU992? ? 文獻標志碼：B? 文章編號：1004-4345（2024）03-0051-04

Optimization Simulation of Rainwater System in County S Based on SWMM Analysis Model

LIN Lisen1， XIONG Ziying2， ZHAO Shaoyuan2

（1. Jiangxi Water Investment Construction Group Co.， Ltd.， Nanchang， Jiangxi 330029， China;

2. Jiangxi Water Group Co.， Ltd.， Nanchang， Jiangxi 330029， China）

Abstract? In order to effectively regulate the gray pipe culverts of the urban rainwater system， enabling them to interact with green infrastructure and control urban rainwater to the maximum extent， this study is made on the optimization simulation of the rainwater system in County S， and a SWMM model is developed. The results by renovating the rainwater system in County S show that the local peak runoff under typical rainfall condition can be delayed by about 9 minutes， and the number of overloaded pipelines and nodes below the 5 a recurrence period has decreased by more than 90% compared to the number before the renovation， and the flow rate of discharge outlet has also been significantly reduced.

Keywords? SWMM; rainwater system; optimization simulation

收稿日期：2023-11-20

作者簡介：林利森（1975—），男，高級工程師，主要從事工程建設與管理工作。

1?? 研究背景

近年來，我國學者將低影響開發理念引入城市雨水系統設計當中，利用建模技術在城市雨水控制利用與雨水資源化回收領域取得了一系列成果。為解決控制目標的適用性問題，劉建彪[1]提出了一套適用于LID雨水系統的水文分析方法，以徑流總量為主要指征，科學地評價LID雨水系統對于地表雨水的削減效果。蒲政衡[2]在青島市李滄區海綿城市試點區內構建了降雨徑流模型，證實了LID設施可以增加雨水的滲透，降低雨洪發生風險，尤其在低重現期對雨水徑流總量和峰值具有顯著控制效果。然而，隨著研究的深入，國內學者也發現了一些問題，例如LID理念的核心內容“低影響”，過于強調新型雨水調蓄設施，而未將長期以來占主導作用的傳統雨水管道、溝渠等灰色基礎設施統籌考慮。在LID系統設定中，灰色設施僅作為雨水轉運的空間通道，卻未能與綠色設施產生聯動效果。為了更好地達成城市排澇的目的[4]，本文在以S縣城為例研究構建其雨水系統時，綜合考慮了灰色和綠色基礎設施的協調聯用，以期最大限度地控制城市雨水，為我國內澇防治和雨水控制利用提供參考。

2?? 雨水系統組成

本次模擬構建的雨水系統組成如圖1所示，包括入滲系統、轉輸系統、調蓄系統和排放系統。其中調蓄系統作為控制超常規降水量的輔助措施，應在有條件的情況下敷設。

圖1? 雨水系統優化形式

雨水排放最前端是入滲系統，通過對城市地表、屋面等結構采取相應的改造措施，如鋪設綠色屋頂、下墊面透水鋪裝等，可以提升區域內的入滲量，從總量上控制住了徑流量的增長幅度。轉輸系統通過雨水控制單元對地表徑流的匯流過程產生影響，其中灰色基礎設施將流入管渠系統的徑流向下游輸送，綠色基礎設施將匯集于自然地面上的地表徑流沿城市綠色下墊面向下游輸送。轉輸過程中，雨水會在壓力水頭的作用下，在灰色—綠色界面上向低壓方向做豎向流動，形成雙排水的效果。排放系統位于雨水系統的最下游，借助灰色管渠系統或綠色自然地面，最終將雨水排入水體。

3?? 研究區域雨水系統優化與建模

3.1? 研究區域概況

S縣位于江西中東部，地處贛、閩交流的主要通道，倚靠武夷山脈，其有據可考的建城歷史長達

1 762年。S縣自然生態資源豐富，風景優美，全縣森林覆蓋率73.29 %，是國家認證的國家級生態示范區、國家重點生態功能區，地貌特征是山多平地少。S縣四季分明，氣候較溫和，屬亞熱帶濕潤性山區氣候，年平均氣溫18.0 ℃，年平均降水量1 800.8 mm，最大年降雨量為2 462.6 mm;最小年降雨量為

1 135.6 mm。當地4～6月的降雨量占全年降雨總量的48 %。歷年24 h最大降雨量為178.2 mm。

3.2? 降雨情景規劃及產匯流過程模擬

3.2.1? 降雨情景規劃

本文采用芝加哥雨型[5]模擬生成的降雨情景作為模型背景，是因為考慮到芝加哥雨型的降雨模型較實際常規降雨峰值更明顯，對雨水系統的要求更高。結合S縣住建及氣象部門的指導建議，得出S縣的暴雨強度公式為：

q=。

式中：q為設計暴雨強度，L/（hm2·s）;p為設計重現期，年;t為降雨歷時，min;公式中常數根據S縣統計數據進行計算確定。

3.2.2? 雨水產匯流模擬

本文采用非線性水庫模型[6]模擬徑流匯流，模型基本設定為將任意子匯水面積均視作非線性水庫，其一般形式方程如下：

=。

式中：ic（t）為對應單位時間內的凈雨強度，mm/min;Q（t）為對應單位時間內的系統排放量，m3/s;K為庫容系數;n為無量綱指數，取值范圍為0～1。

以Horton曲線[7]模擬下滲過程，其計算公式如下：

式中：f0為徑流剛形成時單位時間內的下滲量，mm/h;f∞為徑流在土壤飽和時刻，單位時間的下滲量，mm/h;

fp，t為t時刻對應的徑流單位時間下滲量，mm/h;kd為下滲量的衰減速率，h-1;F（tp）表示tp時刻內達到的總下滲量，mm。

3.3? 模型參數設置

根據雨水系統模型指導書和當地的實測的氣象水文資料，對模型進行了初始設定的調試。之后運用大量真實數據對模型進行擬合度調教，不斷反饋到參數值的調整上，最終保證模型計算出的預測值和真實值在可靠范圍內。本文將這部分計算參數選定如表1。

表1? 模型計算參數

3.4? 模型參數率定

選取跟蹤監測S縣3場不同發生時間、不同降雨強度的降雨情境，獲取其降雨過程數據，據此進行模型的參數率定。

以納什效率系數（NSE）作為模型質量驗證標準[8]，可以反映其擬合精準度。若NSE>0.7，則表明模型的質量較好，可靠度較高，模型推導出的模擬值和實測值擬合程度較高。NSE越是趨近于1，則模型的質量越好，模型置信度越高。

對上述降雨過程數據匯總形成校驗數據源，輸入模型對其可靠性進行驗證，3場降雨輸出的納什效率系數NSE分別為0.86、0.91、0.83，均處于0.7～1.0之間。圖2顯示的是在2018年9月22日的降雨情境下實測過程和模擬過程的對比情況。可以看出，優化后的模型參數表現出良好的擬合可靠性，所以該模型用于模擬降雨情境是符合準確度要求的。

3.5? 雨水系統優化

研究區下墊面的滲透性、蓄容量等指標有差異，因此需要規劃每一小塊子匯水區的雨洪控制單元敷設占比。考慮到研究區為S縣城，短時間內不具備設置超標調蓄系統的條件，故本次雨水系統優化不考慮該部分內容。

為了使模型的研究條件更精準，首先需要做好資料準備工作（包括當地水文氣象相關資料、SWMM應用的相關文獻和手冊等），通過這些資料確定在雨水排除過程中各項設施參數的一般設定，隨后對照當地的地理衛星圖文資料，獲得各子匯水區的坡度i，最后參考S縣規劃，確定研究區域的劃分等級。本文通過上述程序將S縣研究區劃分為5個等級，如圖3所示。

4?? 結果與分析

4.1? 徑流情況模擬分析

以徑流量為研究變量，利用模型計算出雨水系統改造前后的徑流過程進行數據化呈現，同時研究了不同降雨重現期對徑流情況產生的影響。囿于篇幅限制，本文僅以降雨重現期P =2 a和P =5 a兩種降雨情境的徑流過程進行分析，結果如圖4所示。

根據圖4所示的數據結果可知，降雨重現期P=

2 a與P =5 a時，徑流量—時間曲線變化節點與降雨強度—時間曲線變化節點并非同步，這種結果符合現實情境。徑流量峰值與降雨強度峰值存在時間差，其主要原因是研究區域下墊面始終存在非徑流水文過程，如下滲、蓄滯、截留等，在這部分水文過程的影響下，降雨初始時刻不會形成徑流。總體而言，徑流量—時間曲線與降雨強度—時間曲線的變化趨勢總是高度相似的，這種相似性所依賴的基礎是降雨為城市徑流出現之根源。

在以上論述的基礎上，對不同降雨重現期下的徑流曲線變化情況差異加以深入分析。在降雨重現期P= 2 a時，研究區雨水系統改造前后的徑流量—時間曲線變化趨勢基本一致，但是曲線兩處拐點出現時間均有差異。降雨強度峰值出現時刻為45 min，改造前后雨水系統徑流量峰值出現時間分別為

48 min和57 min，灰—綠聯合雨水系統將徑流峰值出現時刻推遲了12 min，且大幅降低了徑流峰值;在雨水系統徑流量迎來峰值之后，短時間內快速削減至低水平狀態，隨后平緩下降。這種現象表明，此階段雨水系統綠色基礎設施部分已經處于滿負荷狀態，主要是灰色基礎設施在起排凈雨水的作用。徑流曲線在120 min出現第2個轉折點，徑流量以更加平緩的下降速度趨向于零，與現實情況相符。當P=5 a時，徑流曲線相較于短降雨重現期情境下變化確實基本一致，徑流量峰值出現時刻接近，改造前后雨水系統徑流量峰值出現時間分別為48 min和54 min，延時效果不顯著，在降雨停止之后，轉折點出現的時間與前一重現期相差不大，但徑流曲線在折點后以更陡峭的下降速度趨向于零，說明此時的灰—綠聯合系統受到更大的沖擊，但是仍在系統的承受范圍之內。

4.2? 溢流及過載情況模擬分析

以研究區雨水系統管道過載情況為對象進行數據化分析，結果如圖5所示。

在降雨重現期P =0.5 a的降雨情境下，研究區原始系統與改造后的雨水系統管道過載情況差異很小，分別為1根管道過載和沒有過載;當降雨重現期增加到P =2 a時，兩種雨水系統管道過載情況出現明顯差異，原始系統過載管道的數量已經大幅增加到82根，整體占比32.90%，而改造后的雨水系統只在最不利管道出現2處過載情況，僅為原始系統過載管道數量的2.44%;當降雨重現期進一步提高到P = 5 a時，改造前后的雨水系統過載情況差異仍然明顯，過載管道數量分別為136根和8根，原始系統過載管道數量整體占比已經過半，上升到到54.62%，優化系統過載管道數量相對占比5.88%;當降雨重現期P=10 a時，改造前后雨水系統過載情況的差異在縮小，改造前后雨水系統過載管道數量分別為157根和20根，原始系統過載管道數量整體占比63.05%，優化系統過載管道數量相對占比上升至12.74%。

以研究區雨水系統節點積水情況為對象進行數據化分析，結果如圖6所示。

在降雨重現期P =0.5 a的降雨情境下，研究區改造前后的雨水系統積水節點數量均為0;當降雨重現期增加到P =2 a時，改造前后雨水系統節點積水情況出現明顯差異，積水節點數量分別為64、0，原始系統積水節點數量整體占比25.70%;當降雨重現期進一步提高到P= 5 a時，改造前后的雨水系統節點積水情況依然存在明顯差異，積水節點數量分別為102、2，原始系統積水節點數量整體占比40.96%，優化系統積水節點數量相對占比1.96%;當降雨重現期P =10 a時，改造前后雨水系統積水節點數量差距仍然顯著，分別為131、8，原始系統積水節點數量整體占比52.61%，優化系統積水節點數量相對占比上升，僅為6.10%，隨著降雨重現期的增加，改造后的雨水系統展現出了良好的穩定性。

以降雨重現期P=10 a時的雨水系統最不利管道和節點為對象進行改造前后的過程分析。改造前的雨水系統最不利管道為G192，達到滿流狀態歷時1.2 h，而改造之后因為聯合了局部區域內綠色基礎設施的排蓄能力，對G192的運行過程產生了非常有利的變化，在運行過程中沒有出現滿流狀態，滿管時長為0。原始雨水系統的最不利節點為J100，改造前后積水累計時長分別為2.50 h、1.03 h，改造后系統最不利節點積水累計時長僅為改造前的41.20%，積水總量分別為89.70 L、78.86 L，改造后相對占比89.71%，積水總量小幅下降。

4.3? 雨水排放口情況分析

以系統出流量作為系統改造效果的評判指標，分析兩種系統出流量的差異，結果如圖7。

由數據可知，兩系統排放口累計流量均與重現期呈現近似正相關，且原始系統的排放口累計流量比改造后系統的排放口累計流量高出42%～77%，兩相對比，改造措施。在降雨重現期依次為P=2 a、P=5 a和P=10 a的情境下，原始系統總出水容積依次遞增17.80萬m3、12.15萬m3、8.80萬m3，對應的增長率呈現下降趨勢，分別為73.70%、29.00%和16.30%。隨著重現期增加，兩系統總排放容積均相應增長，但是增量放緩、環比增長率下降。實際上，灰色基礎設施排水能力相較更容易達到滿負荷甚至超負荷狀態，因此降雨重現期的增加肯定會引起系統內的積水量大幅上升，溢出水量在在總排放容積這個指標中沒有體現。

以典型排放口峰值流量為分析對象，在降雨重現期分別為P =2 a、P=5 a和P=10 a的3種降雨情境下，雙排水系統總出水容積相對于前一研究重現期的增長率分別為96.50%、37.54%和20.35%，這是因為聯合了綠色基礎設施的雨水調蓄效果之后，雨水系統在中低重現期情況下排放口總排放容積有顯著下降，當P=0.5 a、P=2 a、P =5 a、P=10 a時，相比原始系統總排放容積分別下降了57.49%、52.57%、45.02%、42.37%，削減量增長幅度放緩，結果如圖8所示。

5?? 結論與展望

1）構建雨水系統時綜合考慮灰色基礎設施和綠色基礎設施，并依據現場情況合理選定優化設施，能夠有效解決城市雨水問題。

2）綜合考察徑流削減率、管道超載數、節點溢流數等各項指標，可以從局部蓄滯水到系統末端出流全過程，更整體地評估雨水系統效果。

3）未來應當真正將綠色和灰色基礎設施看作一個整體系統，對雨水在灰色和綠色基礎設施中的流動狀態和變化情況展開研究。

4）為使灰—綠色基礎設施聯合作用排除內澇的效能充分釋放，需要在實際項目建設中輔以一定的配套工程設施。但是如何從技術經濟角度更易建設該部分構筑物，還需要在后續的研究中做更多深入探索。

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