基于SWMM的城市雨水管网排水能力分析

王 祥 张行南,2 张文婷,2 张 涛

(1.河海大学水文水资源学院,南京 210098;2.河海大学水资源高效利用与工程安全国家工程研究中心,南京 210098)

排水管网作为城市不可缺少的重要基础设施,是城市排渍、排涝、防洪的重要工程.随着城市化进展不断加快,排水管网所承担的排水任务也越来越重.在很多城市,现有的排水管网由于修建年代久远、设计排水能力偏低、城市下垫面变化等因素的影响,已经不能满足日益增加的排水需求.面对这一问题,很多城市在进行排水管网的重新设计和改造,以便能满足城市的排水需求.运用计算机技术,建立适合的模型,可以对管网的排水能力进行模拟.通过模拟,为实际管网设计和改造提供依据.在此背景下,本文运用暴雨管理模型(Storm Water Management Model,简称SWMM模型)对南京市雨花区宁南片区在设计暴雨条件下的排水能力进行了模拟.

1 SWMM模型介绍

城市暴雨管理模型是美国环保局于1971年提出的,由麦特卡夫-埃迪有限公司、佛罗里达大学和美国水资源有限公司3个单位联合研制的一个比较完善的城市暴雨雨水的水量水质预测和管理模型. SWMM已经历几次更新,目前己开发至SWMM 5[1]. SWMM模型是典型的排水管网模型,由产流模型、汇流模型和管网水动力模型组成,能够进行城市地区雨水的水量和管网排水能力模拟计算[2].

在SWMM汇流模型中,地面用于计算入渗损失和地表产流有3种模式,分别是Horton(霍顿)、Green-Ampt(G-A)和SCS-CN(曲线数).3种不同模式之间有一定差别,其中Green-Ampt模式对土壤资料要求很高,SCS模式只反映流域下垫面状况不反映降雨过程而只适用于大流域,在城市小流域降雨径流模拟中经常采用Horton模式,因此本文采用Horton模式.在SWMM管道汇流演算中,采用了修正非线性运动波近似,其计算水文过程,使用了连续方程(1)曼宁公式(2)

2 研究区域模型的构建

模型中必要的输入是地表面积、子汇水区域宽度、地表坡度、曼宁粗糙系数、入渗率、管道长度、管道管径等系列资料.为了对研究区域管网排水能力进行评价,首先对研究区域进行模型构建.研究区域位于江苏省南京市雨花区的宁南片区,面积为950.28 hm2,平均坡度为4.67%,其中住宅区面积占28%,道路面积占9.98%,其它土地和绿地面积占62.02%.研究区域排水系统如图1所示.

图1 研究区域排水系统

2.1 子汇水区域的划分

在使用SWMM进行模拟时,首先需要对模型的计算区域进行分块,即将整个汇水区划分成若干子汇水区,并对每个子汇水区的水文特征性进行概化.在城市当中,实际存在着真实的子汇水区域,但是由于城市自身的特点以及城市化发展对下垫面条件的改变,确定其真实子汇水区域比较困难.子汇水区域的合理确定,能够使得模型的模拟结果更加契合实际情况.为了能够较好的划分子汇水区域,并且在尽量简化模型输入数据而保证其模拟精度的前提下,本文通过道路和研究区域DEM相结合的办法,运用ArcGis水文分析(Hydrological Analysis)功能自动划分汇水区,然后结合土地利用图,在人工合并和调整下,最终完成子汇水区域的划分.在子汇水区域确定后,利用ArcGis中的地统计模块,计算出每一子汇水区域的坡度、面积、等SWMM模型所需要的参数,为可靠和快速建立模型提供了保障[3].

2.2 雨量资料的选取

采用SWMM模型进行模拟,雨量资料很重要,反映真实降雨过程的雨量资料能够有效提高模型模拟精度.不同地区气候有差异,从而导致降雨类型有差别,降雨分布规律适合于哪一种曲线,这需要在大量的统计分析的基础上总结出来.目前常用的合成暴雨模型方法有Huff法,CHM法(也称KC法),PC法和YC法[4].在国内适用性较好的合成暴雨模型为芝加哥合成暴雨过程线(CHM法),它是由Clint J.Keifer和Heny Hsin Chu在芝加哥进行雨水管网系统研究时,提出的一种合成暴雨过程线.近年来,我国很多地区通过对暴雨资料的观测整理,提出了适合各个地区的暴雨强度公式.通过查阅相关资料,根据南京气象研究院提出的南京地区暴雨强度公式,选取研究区域的暴雨强度公式为

式中,q为平均暴雨强度(L/(s◦hm2));P为设计降雨重现期(a);t为降雨历时(min).

在我国,雨水管网的设计重现期一般选用1～3 a,对于重要地区,一般选用2～5 a[5].为了检验管网在不同频率暴雨下的排水能力,利用式(3)求出重现期P=0.25a、0.5a、1a、2a、5a、10a暴雨强度分布图,如图2所示.根据暴雨强度值,求出对应频率下的降雨过程线.模拟中降雨采用的时间间隔为5min,降雨历时为1h,计算出对应频率下降雨量分别为34.14 mm、45.71 mm、57.28 mm、68.85 mm、84.14 mm、95.71mm.

图2 不同频率下暴雨强度分布图

3 模拟结果分析

分析研究区域管网排水能力,主要选取检查井和管道的相关模拟结果.模型结果时间序列为每5 min读取一次,总的时间为6h.

3.1 检查井分析

检查井产生积水,是由于管网中排水负荷过大,有可能超过其最大排水能力,因此检查井中水深可以作为反映管网排水能力的一个指标.图3是检查井节点J1-J108连接C13、C18、C46三段排水管网在10年一遇暴雨情形下某一时刻检查井和管网中的水深,从图中可以看出管网排水状况.

图3 水位高程剖面图

研究区域有109个检查井,每个检查井都有最大允许水深,超过最大允许水深雨水容易溢出.在不同频率暴雨条件下,根据模拟结果,可以得出每一检查井节点最大水深发生时间和持续时间.实际检查井有两种情况,一种是连接单一管道,另一种连接多段管道.表1是在不同频率暴雨条件下,连接单一管道和多段管道的检查井J24和J18最大水深开始时间、平均水深和最大水深持续时间统计表.图4是检查井J18在P=10 a设计暴雨条件下,水深变化图.从统计结果中看出,在不同暴雨情形下,J24和J18的最大水深发生时间大致相同.这主要由于采用暴雨资料所设计的雨型峰值集中在前几分钟,从而导致检查井中最大水深发生在10 min左右.对比二者最大水深持续时间和平均水深,J18都远大于J24.存在这种差别主要是J24中入流主要是由子汇水区域中雨水通过地面径流进入管道,J18中除了汇水区域入流外,还有其它多段管道的汇流.评价研究区域管网排水能力, J18类型检查井可以作为重要依据.在P=0.25 a、0.5a、1a、2a、5a、10 a情形下,得出时间超过1h的检查井占总数的比例分别为14.7%、17.4%、23.9%、32.1%、38.5%、41.3%,其中最长持续时间接近2 h.最大水深持续时间超过1 h的这部分检查井连接的管网对研究区域的排水起到局限作用,在进行管网改造时,这部分管网是改造重点.

图4 检查井J18水深图

表1 J24和J18积水时间

3.2 排水管网分析

检查井中的结果对管网情形有一定的反映,但是详细状况应该进行管网中的水流状态分析后获得.研究区域有管道108段,总长度约为31km.管道中水流在满流状态下持续的时间称为管道满流时间,管道满流时间可以反映管网排水负荷,当满流时间较长时,在地面可能产生严重积水,说明管网排水能力不足.在P=0.25a、0.5a、1a、2a、5a、10a情形下,管道满流时间各不相同,表2是管道满流时间分布区间表.

表2 管道满流时间 (单位:min)

续表2 管道满流时间 (单位:min)

结合表2,可以看出研究区域管网在不同频率设计暴雨情形下,随着降雨强度的增加,管道满流时间变长,数目增多.从统计结果来看,在P较小时,研究区域有20.4%的管道满流时间较长,随着P增大,有57.4%的管道满流时间较长.这57.4%的管道对研究区域管网排水起到了局限作用,找出这部分管道,结合管道各项参数和在排水管网中所处的位置,可以发现产生这种情况的主要原因是汇水面积较大、管道管径和坡度较小.如主排水管道C56,管径只有400 mm,坡度仅有0.002,但是却承担着几个子汇水区域的汇流.

通过模拟,可以看出研究区域现有管网存在的问题,主要由于一些管道排水能力的不足,从而影响整个区域的排水,在大的暴雨情形下,这种不足表现得更加明显.在实际的管网改造当中,可以针对这些管网具体的状况,提出相应的改善方案.

4 结 论

本文给出了在不同频率设计暴雨情形下,研究区域管网排水能力的变化情况,为实际确定管网排水能力,提供了参考依据.研究发现,该区域管网在设计暴雨重现期较小时,能够满足排水要求,但是当降雨重现期变大时,特别当P增加至5a或者10a时,管网中有57.4%的管道满流时间较长,这样容易导致雨水漫溢,产生淹没.统计出存在问题的这部分管网,结合实际所需排水要求,可以提出针对性的改善方案.

[1] USEPA.SWM M Homepage[EB/OL].http://www. epa.gov/ednnrmrl/swmm/.

[2] Jang S M Cho.Using SWMM as a Tool for Hydrologic Impact Assessment[J].Desalination,212(1-3):344-356.

[3] 张洪刚.概念性水文模型多目标参数自动优选方法研究[J].水文,2002,2:12-16.

[4] 岑国平,沈 晋,范荣生.城市暴雨径流计算模型的建立和检验[J].西安理工大学学报,1996,12(13):184-225.

[5] 周玉文,赵洪宾.排水管网理论与计算[M].北京:中国建筑工业出版社,2000.