基于城市暴雨洪水模型的市政內澇防治設計

摘 要：隨著生態(tài)環(huán)境不斷惡化，暴雨頻率不斷增加，暴雨洪水災害對城市排水系統(tǒng)運行帶來了極大挑戰(zhàn)。城市既有排水系統(tǒng)難以滿足排水需求，不僅造成下游地區(qū)防洪壓力巨大，而且易引發(fā)嚴重內澇。開展城市暴雨內澇模擬研究能夠為城市防災減災及排水規(guī)劃設計提供重要理論依據(jù)。該文依托西安市某片區(qū)降雨、下墊面、管網(wǎng)數(shù)據(jù)進行暴雨管理模型（SWMM）構建，分析3、5、50年一遇常規(guī)降雨下3 h降雨過程，對片區(qū)相應重現(xiàn)期降雨下的管道超載及排水能力進行有效評估，并在此基礎上進行低影響開發(fā)設施（LID）應用研究。結果表明，管道超載率隨降雨量增大而增大，50年一遇降雨條件下為最高60%；片區(qū)管網(wǎng)排水能力不高，內澇風險隨降雨量增大而增大，最大為44%；設計生物滯留池后，內澇風險降低幅度超40%。

關鍵詞：暴雨管理模型；管道超載；內澇風險；生物滯留池；市政

中圖分類號：TU992 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2024）29-0064-04

Abstract： With the continuous deterioration of the ecological environment and the increasing frequency of rainstorm， rainstorm and flood disasters pose a great challenge to the operation of urban drainage system. The existing drainage system in the city is unable to meet the drainage needs， which not only causes huge flood control pressure in downstream areas， but also easily leads to serious waterlogging. The research on urban rainstorm waterlogging simulation can provide an important theoretical basis for urban disaster prevention and mitigation and drainage planning and design. This paper builds a storm water management model （SWMM） based on the rainfall， underlying surface， and pipe network data of a certain area in Xi'an， analyzes the 3 h rainfall process under the 3， 5， and 50 year return period conventional rainfall， effectively evaluates the pipeline overload and drainage capacity under the corresponding return period rainfall in the area， and on this basis， conducts the application research of low impact development （LID） facilities. The results show that the pipeline overload increases with the increase of rainfall， and the highest is 60% under the condition of 50-year rainfall; the drainage capacity of the pipe network in the area is not high， and the waterlogging risk increases with the increase of rainfall， the maximum is 44%; after the biological detention pool is designed， the waterlogging risk is reduced by more than 40%.

Keywords： rainstorm management model; pipeline overload; waterlogging risk; biological detention pool; municipal public works

城鎮(zhèn)化進程造成原有生態(tài)植被、水文、地形、地貌出現(xiàn)大范圍破壞，城市排水難以外排，引發(fā)城市內澇災害。針對城市雨洪排水能力進行評估及優(yōu)化設計具有重要社會經(jīng)濟意義。目前存在較多的理論研究方法對城市排水性能進行預測分析，但計算過程多依賴經(jīng)驗公式，導致結果存在較大偏差。暴雨管理模型（SWMM）依托研究區(qū)域降雨、下墊面、管網(wǎng)等基本數(shù)據(jù)，以概化形式模擬排水系統(tǒng)運行狀況，具備良好可靠性，能夠為城市管網(wǎng)規(guī)劃、防災減災等提供決策參考。

1 城市內澇災害頻發(fā)的主要原因

1.1 雨洪管理落后

國外雨洪計算模型被廣泛應用于城市排水設計、規(guī)劃及養(yǎng)護維修中。但是國內對于雨洪管理模型的研究力度不足，計算軟件開發(fā)力度和雨量數(shù)據(jù)資料的缺乏使得雨洪管理落后，無法在管理方面應對城市降雨從而造成內澇災害。

1.2 排水設計標準較低

排水設計標準落后，局部管道設計管徑偏小，且管道老化明顯，管道排水能力嚴重不足，易引發(fā)管道堵塞，導致城市出現(xiàn)積水等情況。

2 SWMM模型概述

2.1 基本理論

暴雨管理模型（SWMM）作為動態(tài)水文模擬模型，能夠實現(xiàn)對城市連續(xù)降雨時間的水量模擬。模型內置多類型模塊，徑流模塊利用產(chǎn)匯流理論處理降雨、徑流及相關污染承載容量；管網(wǎng)匯流模塊則利用渠道、管網(wǎng)、蓄水等排水設施傳輸水量，能夠對不同時間步下的子流域水質、水量進行跟蹤計算，還能夠模擬管道中水深、流量及污染物濃度等。SWMM模型建立前，需要準確搜集當?shù)赜嬎慊A數(shù)據(jù)：降雨數(shù)據(jù)，模型構建需要當?shù)貙嶋H降雨數(shù)據(jù)，并且進行設計流量校正；管網(wǎng)數(shù)據(jù)，準確的管網(wǎng)規(guī)劃及參數(shù)有助于模型計算結果準確可靠，排水管網(wǎng)數(shù)據(jù)主要包括管徑、管道長度、標高、曼寧系數(shù)、雨水井深度、進出口損失系數(shù)、最大及初始流量，模型參數(shù)應用前需要進行必要校正；下墊面數(shù)據(jù)，主要包括區(qū)域坡度、高程及土壤類型，研究區(qū)域需要劃分成多個子匯水區(qū)，并以之為基礎開展空間單元的模擬計算；邊界條件，作為模型計算的基礎條件，區(qū)域不同排水體及排水結構條件均可作為研究邊界，需要依照實際環(huán)境進行邊界條件設置。

2.2 計算原理

SWMM模型計算中主要采取的計算單位為劃分子匯水區(qū)，依據(jù)子匯水區(qū)不同計算參數(shù)進行產(chǎn)流分析，通過匯流計算獲取子匯水區(qū)情況。SWMM下滲計算過程主要采取霍頓公式；管道產(chǎn)流過程則采取圣維南方程組計算；地表產(chǎn)流則采取非線性水庫法計算，上游流域徑流及降水構成非線性水庫入流量，出流量則由地表徑流、蒸發(fā)、滲入構成，洼地蓄水深則代表水庫蓄水能力，地表徑流產(chǎn)生條件為水深大于蓄水深度，并且對連續(xù)方程（1）、曼寧方程（2）進行聯(lián)立求解[1]

式中：V為積水容量，V=Ah，m3；H為水深度，m；T為時間，s；A為流域面積，m2；q為出流量，m3/s；j為凈雨量，mm；b為匯水區(qū)寬度，m；Hp為蓄水深度，m；k為匯水區(qū)計算坡度；n為曼寧系數(shù)。

mcBfXXir9rRglIp/rlNKXQ==3 工程概況

3.1 項目特點

西安市區(qū)某研究片區(qū)位于城市主干路交叉口東北位置，河道東側，片區(qū)面積為5.5 km2，氣候類型為濕潤型大陸季風氣候。片區(qū)多年平均降雨量525 mm，平均年降雨日接近80 d，集中降雨發(fā)生在7—9月份，夏季容易出現(xiàn)城市內澇災害[2]。片區(qū)高程表現(xiàn)為北低南高，高差差異較小，整體較為平緩，土地類型包含市政道路、建筑、林地、草地，路網(wǎng)規(guī)劃如圖1所示。

3.2 數(shù)據(jù)分析

3.2.1 降雨數(shù)據(jù)

依據(jù)西安市降雨統(tǒng)計資料可知，西安市區(qū)降雨較為集中，且降雨歷時分布不均勻，表現(xiàn)為單峰降雨形式。該研究片區(qū)位于西安市主城區(qū)，根據(jù)西安市雨型，利用芝加哥雨型生成器進行降雨設計，設計公式如式（3）

q=，（3）

式中：q為降雨強度，L/（s·ha）；t為降雨時間；P為降雨重現(xiàn)期。

雨型系數(shù)設計為0.354 81，獲取降雨重現(xiàn)期3、5、50年一遇3.0 h降雨模擬數(shù)據(jù)，降雨量分別為7.2、9.0、16.2 mm，設計降雨過程如圖2所示[3]，其中，60～80 min時間段內降雨量占比最大，約為75%。

3.2.2 下墊面資料

研究片區(qū)下墊面主要包括市政道路、建筑、林地、草地4種土地，片區(qū)內部不存在河道、湖泊。土地利用類型的曼寧系數(shù)可通過規(guī)范確定，土地利用類型的下滲率則可采取現(xiàn)場雙環(huán)入滲法確定，市政道路、建筑、林地、草地的曼寧系數(shù)及穩(wěn)定下滲率分別為0.013、0 mm/h；0.016、0 mm/h；0.19、15.8 mm/h；0.18、8.3 mm/h[4]。

3.2.3 管網(wǎng)數(shù)據(jù)

片區(qū)管網(wǎng)信息從西安市排水防澇規(guī)劃資料中整理獲取，片區(qū)管道建設主要沿著道路進行布設，管道設計長度3.8 km，設計管徑為800～1 800 mm；雨水井共有85個，設置有15個排水口。模擬計算中，初始設置中假設管網(wǎng)具備較低含水量，管網(wǎng)排水性能不受影響，且管道損壞程度及堵塞情況相對較輕，不考慮其對管道過水能力的影響。

4 模型分析

4.1 模型構建

采取SWMM模型對片區(qū)排水管網(wǎng)及關聯(lián)涉水工程進行概化，依據(jù)西安市城市規(guī)劃劃分匯水子分區(qū)數(shù)量132個，排水管道概化則通過管道布局CAD圖進行，共概化81條排水管道，概化總長度3.8 km。SWMM模型計算過程中，上邊界選取為降雨過程，排水口作為下邊界，排水口主要分布于河道與研究片區(qū)交界位置，需排水至片區(qū)外。

4.2 模型率定

通過模型率定確定洼蓄深度、下滲率、管道糙率等參數(shù)，模型率定采取2023年7月片區(qū)降雨數(shù)據(jù)，降雨事件持續(xù)時間達6 h，降雨過程如圖3所示。其中，降雨量主要集中于前3.5 h，總降雨量接近65 mm，最大降雨強度62 mm/h，降雨重現(xiàn)期20年。通過對現(xiàn)場降雨及淹沒數(shù)據(jù)的測定，降雨3.5 h時的淹沒面積達到1 560 m2；對片區(qū)SWMM模型管網(wǎng)糙率、下滲率、洼蓄深度等進行率定，模擬該降雨徑流階段，結果表明，模型3.5 h降雨淹沒面積達到1 548 m2，相對誤差小于1%。此外，地表積水主要集中于道路及草地位置，和實際觀測相符合。由此可見，SWMM模型模擬的淹沒區(qū)數(shù)據(jù)和實際吻合度較好，模型具備較好的可靠性。模型率定后的參數(shù)具體見表1，模型模擬時間步長設計為10 s，模擬時間設計為48 h[5]，以便排水管道能夠充分排水。

5 計算結果分析

5.1 管道超載情況

管道超載率可通過超載狀態(tài)管道長度占管網(wǎng)總長度比例計算而獲取。不同降雨重現(xiàn)期下管網(wǎng)超載率統(tǒng)計如圖4所示，結果表明，隨降雨量增大，管網(wǎng)超載率不斷提升；降雨為5年一遇時，管網(wǎng)超載率為55%，降雨增加至50年一遇時，管網(wǎng)超載率達到60%，且超載率增加幅度明顯減緩[6]。

5.2 排水能力

通過SWMM模擬計算可知，排水能力小于1年一遇、1～5年一遇、5～10年一遇、大于50年一遇的排水管網(wǎng)分別占比15%、20%、20%、45%，由此可見，片區(qū)排水管網(wǎng)排水能力相對較弱，排水能力較弱的管網(wǎng)主要分布在匯水面積較大的下游區(qū)域。在研究片區(qū)排水管網(wǎng)排水能力較差區(qū)域設置內澇監(jiān)測點，內澇風險大小的分級標準見表2，采取SWMM模型計算降雨重現(xiàn)期3年一遇、5年一遇、50年一遇出現(xiàn)內澇高風險的監(jiān)測點占比，結果表明，隨重現(xiàn)期增大，內澇高風險占比不斷增大，重現(xiàn)期3年一遇、5年一遇、50年一遇出現(xiàn)內澇高風險占比分別為18%、21%、44%。經(jīng)現(xiàn)場調查，高風險位置的地勢相對較低，難以依靠自身高差進行排水；管道排水能力不足最終導致城市排水防澇功能不足，引發(fā)大量積水。

6 LID排水優(yōu)化設計

6.1 LID設施

生物滯留池主要布置在片區(qū)上游，利用植物、微生物化學物理特性消減過量水量及污染物。

6.2 效果評價

采取生物滯留池作為LID設施，并對該措施實施前后進行模擬效果評比。生物滯留池模擬參數(shù)統(tǒng)計見表3。該LID設施主要布置在上游溢流出水口、徑流系數(shù)較高的子匯水區(qū)，模型計算中假設50%LID設施面積中的徑流會匯流到子匯水區(qū)透水區(qū)進行處理[7]。不同降雨重現(xiàn)期內澇風險占比對比如圖5所示，結果表明，實施LID措施后，下游區(qū)高風險監(jiān)測點占比明顯減小，有效降低了內澇風險，片區(qū)排水防澇功能得到加大增強。

7 結論

城市降雨容易引發(fā)內澇災害，針對城市雨洪管理的研究需要引起重點關注。SWMM模型能夠依托片區(qū)降雨、下墊面、管網(wǎng)數(shù)據(jù)準確模擬城市雨水下滲、產(chǎn)匯流等情況，為后續(xù)評估城市排水能力提供理論參考。本文依托西安市某片區(qū)開展SWMM構建，重點分析3年一遇、5年一遇、50年一遇常規(guī)降雨下管道超載及排水能力，并在此基礎上實施生物滯留池，以改善片區(qū)內澇風險。本文所做研究能夠為類似項目建設提供一定參考。

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