基于SWMM的城市排水管网承载力评价与优化研究

陈明辉，黄培培，吴 非，黎海波

(1．东莞市地理信息与规划编制研究中心，广东 东莞 523129； 2. 武汉大学 测绘学院，湖北 武汉 430079)

一、引 言

长期以来，受“重地上，轻地下”所欠下的旧账的影响[1]，市政排水管网系统滞后性逐渐凸显。包括东莞在内的国内大中城市频繁广泛受淹[2-3]，也说明了现有排水系统在规划、设计、体制和管理上存在一定的缺陷。而以城市气象为依据，结合地理信息系统(GIS)[4-5]，建立城市排水管网水力模型[6]，给出定量模拟、可行性评估论证及应对策略，可减少内涝灾害的发生。国外排水管网动态模拟模型历经40余年，应用较广的有降水-径流模拟模型(storm water management model，SWMM)及INFOWORKS等[7-12]，其中SWMM是美国于1971年开发的动态降雨径流模型，被应用于城市排水管网承载力分析，解决城市排水及环境整治等工程。本文将构建东莞市区SWMM模型，实现汇水区的自动划分和属性数据的自动获取，展开排水管网系统的承载力分析，给出内涝易发区域和成因分析，以及排水管网淤积影响性分析等。

二、SWMM水力模型构建

1. SWMM模型简介

SWMM模型是动态的降水-径流模拟模型，可用于模拟城市某单一降水时间或长期的水量和水质，在世界范围内被广泛应用于城市暴雨洪水、合流制下水道、排污管道及其他排水系统的规划、分析和设计。SWMM径流模块综合处理各子流域所发生的降水、径流和污染负荷。而汇流模块则通过管网、渠道、蓄水和处理设施、水泵等进行水量传输，对雨水管、污水管、合流制管道、自然排水系统进行水量和水质的模拟。

2. SWMM建模

1) 研究区的确定：选择地表径流、排水体制具有鲜明对比而空间相邻的东莞市莞城区和南城区。其中莞城是老城区，面积约11.3 km2，人口约17.38万，人口密度较大，城市化程度高，城区土地利用类型基本为住宅用地，排水体制为合流制占主导，管线总长约234.1 km；南城为新城区，面积约58.4 km2，人口约31.01万，人口密度较莞城区小且空间差异大，靠近莞城区城市化程度高，南部多为果园林地，排水体制为分流制占主导(占98%)，管线总长约789.7 km。

2) 技术方法路线：如图1所示，首先建立数据库，包括数字高程模型、土地利用类型、水文参数、管道普查数据等；其次由数据库结合GIS和SWMM划分汇水区，建立管道模型，完成水力模型的构建；然后对建立的模型进行校核和暴雨情景设定，针对模型模拟结果，进行内涝点的空间分布、管道承载力及淤积模拟的评价分析；最后给出内涝成因总结和整治方案，并对整治方案进行优化模拟。

3) SWMM建模结果：基于莞城和南城1 m分辨率DEM数据，结合管网普查数据，利用ArcGIS空间分析中的水文模块分别划分莞城和南城的汇水区。在汇水区划分的基础上，根据管网普查数据，在SWMM中进行汇水区调整，检查连通性，排除逆坡及管网不通等问题，输入降雨驱动数据并添加雨量站，最终划定南城和莞城的汇水区。图 2为南城和莞城的SWMM建模结果。其中，南城共289个汇水区，289个管道节点，292条排水管道，1个雨量站点，48个排水口；莞城共126个汇水区，185个管道节点，307条排水管道，1个雨量站，18个排水口。

图1 SWMM构建及排水管网承载力评价与优化流程图

图2 南城和莞城汇水区划分及SWMM模型

三、排水管网承载力评价

根据研究区排水管网设计标准统计结果，排水管网大多只达到一年一遇的设计标准，旧城区未改造的排水管网低于一年一遇的标准，部分地区只有0.5年一遇的标准。本文按照平均状态(一年一遇情景)对现状排水管网承载力进行模拟和评价。

1. 承载力分析与评价

(1) 典型管道选取指标

① 由于支管较多，选择南城和莞城的主要管道作为试点分析；② 选择附近都出现过内涝点的干管；③ 干管服务区要尽可能大。综合以上3点指标，南城排水管网概化为292条主要管道，选择其中29条主要管道来衡量南城排水能力，1、2、3号为主干管(如图 3所示)，其他为支管，其中1号干管附近在一年一遇情景下内涝较为严重。莞城排水管网概化为137条主要管道，由于是老城区，排水设施陈旧，支管较多，选取1、2、3主要管道衡量莞城排水管网承载力，其中1号管北段、2号管南段及3号管南段附近在一年一遇情景下都有涉及内涝情况，且服务面积相对较大。

图3 南城和莞城排水管网概化及承载力分析试点分布图

(2) 排水管承载力评价

图 4(a)、(c)、(e)给出了南城1、2、3号管在一年一遇情景下管道充满度情况。从图中可以看出南城主干管可以轻松应对一年一遇降雨情景，并未出现过载情况，且管道剩余空间非常充足，未出现任何过载管段和雨水井满溢现象，也说明在历史统计中出现的内涝现象可能是由支管设计标准低或地形等因素造成的。

图4 南城和莞城主干管(1、2、3号管)在一年一遇情景下充满度情况

图 4(b)、(d)、(f)给出了莞城1、2、3号管在一年一遇情景下管道充满度情况。管道在一年一遇情景下已出现不同程度的满载，且管道管径较小，其整体充满度较高。同时结合其他主要管道承载力分析可知，莞城排水管网系统基本可应对一年一遇暴雨，但总体主干管的充满度较高，存在部分现满载，尤其是3号管出现多段满载、多个雨水井满溢。说明在老城区，由于管道规划不合理、设计标准偏低及地形等因素，管道系统的功能不能较好体现，内涝情况较南城严重。

2. 排水管道淤积情景模拟与评价

管道淤积往往是诱导内涝发生的又一重要因素，淤积因设计缺陷、施工不规则、日常养护不力及公民自觉意识不够等造成。受限于淤积资料的缺乏，本文以人为缩小管径的方式假设管道被淤积，在一年一遇情景下，仅模拟主干管淤积一半情景下内涝的发生状况。

图 5和图 6给出了南城和莞城部分主干管淤积假设前后内涝点分布及管道充满度图。南城在一年一遇情景下淤积前现6个内涝点，淤积后内涝点在北部原内涝点附近增加2处(图 5(a)、(c))，且淤积后上游管道充满度较淤积前有大幅增加、满载管点增多(图 5(b)、(d))；莞城在一年一遇情景下淤积前现8个内涝点，淤积后内涝点增加2处(图 6(a)、(c))， 且淤积后上游管道充满度也较淤积前有大幅增加，但下游管道受上游淤积影响充满度有所降低(图 6(b)、(d))。

图5 主干管淤积假设前后南城内涝点分布(上)及主干管充满度图(下)

图6 主干管淤积假设前后莞城内涝点分布(上)及主干管充满度图(下)

四、内涝成因分析及整治模拟优化

1. 内涝点特征总结

1) 内涝易发区域多位于居民区，尤其莞城的内涝黑点多出现在居民区，多是受地形因素影响，如漏斗地形等。部分居民区内涝点则是由于地表排水口不足、排水不及时导致的。

2) 通过多情景研究表明，随着降雨级别的提升，内涝的严重程度也逐渐加深。在五年一遇降雨情形下，除了地形因素外，大部分的内涝点是由于管道管径小、排水能力不足导致的。而十年一遇以上情景下，南城和莞城区排水系统基本瘫痪，尤其是居民区。

3) 另外，南城和莞城内涝原因还具有不同之处。南城内涝多因地形导致(如漏斗地形)、设计标准偏低、地表排水口不足排水不及时导致的。莞城除以上原因外，老城区管网设施陈旧、规划偏低，布局混乱，地表排水口少且管径小，增加了内涝风险，使得莞城内涝较南城严重。

2. 内涝整治方案设定与模拟优化

本文内涝整治方案设定与优化时，以水力模型驱动数据相关的标准偏低因素为切入点，进行管径增加方案的设定和优化。选择内涝均因下游管道过细的两段管道，模拟中扩大下游管径进行优化试验。优化方案为：将南城一处内涝点下游3段管径由1 m、1.2 m、1.2m分别扩大为1.5 m，将莞城一处内涝点下游3段管径由0.6 m、0.8 m和1 m分别扩大为1 m、1.2 m和1.2 m(如图7、图8所示)。

优化试验结果表明，南城优化前有多段管道现满载，优化后整体管道充满度得到很大程度的改善，只出现一个积水点，且该积水点下游管道并未出现满管现象。莞城优化前的满载管点通过优化后均消失，而该管段周围的3个内涝点全部得到改善。表明了因设计标准偏低问题导致的内涝现象可以通过扩大管径改善。但其他涉及地形、排水口不足问题的内涝点还应因地制宜，寻求最佳整改方案。

图7 南城一内涝点下游管径扩大前后管段充满度情况

图8 莞城一内涝点下游管径扩大前后管段充满度情况

五、结束语

本文构建了基于GIS和SWMM的城市排水管网水力模型，评价了东莞市具有代表性的新旧城区(南城和莞城)排水管网承载力现状，讨论了在一年一遇情景下管道承载力、内涝点空间分布、管网淤积模拟及内涝整治优化的效果。该研究为建立东莞市排水防汛、内涝预报与整治研究提供了辅助决策支持平台，为深入研究全市排水管网承载力和提高城市水环境提供了引领示范和有益参考。在下一步的工作中，将考虑基于云服务平台的视频水位监测系统，结合云平台的水文监测数据校核模型，弥补国内排水管网水力模型研究中校核数据匮乏的缺陷，以提高模型精度，更好地服务于城市内涝预警决策支持。

参考文献：

[1] 冯雁军. 城市管理不能重地上轻地下[J]. 城市研究,1997(3)：44.

[2] 薛健，耿鹏飞. 如何让“城市看海”成为往事——浅谈我国城市排水现状与对策[J]. 筑路机械与施工机械化，2011(8)：7-10.

[3] 罗晶. “看海”后的反思[J]. 环境，2011(11)：11-13.

[4] 解智强，杜清运，高忠，等. 地下管线通用GIS平台建设及其在城市排水管理中的应用研究[J]. 测绘通报，2012(8)：72-75.

[5] 张丽，谢刚生，范铀，等. 基于GIS的水污染数据监理与查错系统[J]. 测绘通报，2008(7)：41-43.

[6] 解智强，杜清运，高忠，等. GIS与模型技术在城市排水管线承载力评价中的应用[J]. 测绘通报，2011(12)：50-53.

[7] 丛翔宇，倪广恒，惠士博，等. 基于SWMM的北京市典型城区暴雨洪水模拟分析[J]. 水利水电技术，2006，37(4)：64-67.

[8] 董欣，陈吉宁，赵冬泉. SWMM模型在城市排水系统规划中的应用[J]. 给水排水，2006，32(5)：106-109.

[9] 谢莹莹，刘遂庆，信昆仑. 城市暴雨模型发展现状与趋势[J]. 重庆建筑大学学报，2006，28(5)：136-139.

[10] 刘俊，郭亮辉，张建涛，等. 基于SWMM模拟上海市区排水及地面淹水过程[J]. 中国给水排水，2006，22(21)：64-66，70.

[11] 张大伟，赵冬泉，陈吉宁，等. 芝加哥降雨过程线模型在排水系统模拟中的应用[J]. 给水排水，2008(S1):354-357.

[12] 陈鸣，吴永祥，陆卫鲜，等. InfoWorks RS、FloodWorks软件及应用[J]. 水利水运工程学报，2008(4)：19-24.