基于暴雨雨水管理模式的海口市某地区雨水管网排水的动态模拟及优化

宋楠楠，尚春静，李小冬，庞政跃，李艳荣

(1.海南大学 土木建筑工程学院，海南 海口，570228;2.重庆大学 建设管理与房地产学院，重庆400045;3.清华大学 土木水利学院，北京，100084)

城市雨水管网是城市建设中的重要基础设施，它具有及时排除雨水、保障城市生产与生活正常运行的功能［1］.近些年来，城市发展越来越快，规模也越来越大，但城市的排水系统建设却跟不上自身的发展脚步，使得雨水管网问题日益凸显.2010 年“十一”期间，海南省遭遇1961 年以来最大的暴雨灾害袭击，省会海口市24 h 最大降雨量222.6 mm，城市道路淹没，居民无法出行，直接经济损失数十亿元.海口市区内的雨水管网大部分建造于1988 年建省时，设计时采用《室外排水设计规范(GBJ14 －87)》.近些年，随着城市人口的增加、城市规模的扩大，建筑物和道路建设的增加，使下垫面不透水面积增大、城市雨洪的产汇流特性显著改变，原有的设计标准使得系统排水安全性和可靠性降低，易造成排水不畅，一旦遇到暴雨袭击，轻则街道积水，重则洪涝泛滥，给社会造成严重的经济损失［2］.

笔者基于对海口市某地区雨水排水的实地调查和原有设计图纸，结合海口市近10 年来降雨和城市建设情况，综合选取重现期、降雨历时、径流系数等参数，应用暴雨雨水管理模式(Storm Water Management Model，SWMM )建立了海口市城区雨洪径流的计算模型，对海口市某区域经常发生涝灾的雨水管网进行了案例分析，提出改善方案，以期为该地区雨水管网的新建与改造提供参考.

1 城市暴雨雨水管理模型

SWMM 模型是美国环保局于1971 年提出，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［3］. 自开发以来，SWMM 模型已在世界范围内被广泛应用于降雨径流和排水系统的规划、设计.

SWMM 模型是一种分布式、连续模拟模型，与其他模型相比，SWMM 可以基于降雨量和其他气象资料模拟真实的暴雨事件，预测水量和水质总值，给出水量水质的时空分布，评价排水系统的排水能力，可以实现雨水管、合流制管道，自然排放系统的水量和水质模拟，并且具有强大的数据提取功能［4］.其计算模块包括径流模块、输送模块、扩展输送模块、调蓄/处理模块和受纳水体模块等主要模块［5］，如图1 所示.实际使用SWMM 模型时，几个计算模块可以同时使用，也可以根据实际需要选用其中的一个或几个模块.暴雨雨水水量管理主要应用径流模块进行模拟，包括产流模拟和汇流模拟.河海大学刘俊利用美国暴雨管理模型(SWMM)建立了天津市暴雨管理模型［6］.

图1 SWMM 模块示意图

管网模型是根据现状管网资料建立的，具体包括:

1)模型的概化.根据SWMM 模型的数据(如雨水系统范围、用地性质、现状管网管径、埋深、管长、地面标高、检查井位置和管道粗糙度等、气象资料如设计重现期和降雨条件、地表表面质量)输入要求，利用研究区域已有的基础数据进行概化，包括管网概化和汇水区概化;

2)确定参数. 在模型概化的基础上，结合实验数据、文献调查以及现场调研，理论与实际相结合，确定出模型中的各个参数如研究区域汇水面积、节点、管渠和排放口、雨水径流的系数和汇水区域面积上相应的特征参数等;

3)模型校验和模拟优化.通过模拟结果同实测数据的比较，从而进行调试和校准模型，使其更真实客观地反映现实情况.然后，即可模拟及评价某降雨情景下排水系统的排水能力［7］.

1.1 暴雨强度计算 暴雨强度指在某一历时内的平均降雨量，即单位时间内的降雨深度，工程上常用单位时间单位面积内的降雨体积表示［8］.《室外排水设计规范》规定设计暴雨强度通过暴雨强度公式计算，计算公式为

其中q 为计暴雨强度/(1·(s·hm2)－1);P 为设计重现期;T 为降雨历时/min;A1，C，b，n 为地方性参数，根据当地降雨记录，用统计方法进行计算确定.

1.2 雨水设计流量确定 雨水设计流量指一定汇水面积上形成有效径流的雨水体积，可通过下式计算

其中Q 为雨水设计流量/(L·s－1);q 为暴雨强度/ (1·(s·hm2)－1);Ψ 为径流系数，总径流量与总降水量的比值.

通常根据研究区域各类地面面积数按公式Ψ =Σ Fi·ψi/ Σ Fi计算平均径流系数，其中Fi，ψi分别表示各类屋面、地面面积及其静流系数;F 为汇水面积/ hm2.

2 研究地区雨水管网排水现状模拟评估

根据研究地区气象、地理地质特征确定相关SWMM 相关参数和降雨强度，是评估排水管网排水现状和优化的前提条件.

2.1 研究地区降雨强度和入渗率等相关参数

2.1.1 研究地区气象、地质特点及模型概化 该地区全年平均气温24.2 ℃，全年雨量充沛，年均降雨量1 684 mm.5 ～10 月份为雨季，其中9 月为降雨高峰期，多有台风登陆，容易出现连续多天降雨情况.研究地区面积24.2 hm2，土壤主要为壤土和沙土.排水体制为雨、污分流制，服务人口3 万余人，人口密度大，大部分地面经过硬化，降雨时径流量较多，遭遇较大暴雨袭击时极容易在路面积水，严重影响居民出行.

研究区域中共有18 段雨水管道(GQ)，管道直径200 ～1 000 mm 不等;有18 个节点(J)和2 个雨水排放口(PFK).将研究区域分成25 个排水小区，各排水小区的示意图见图2 所示，其中各排水小区汇集的雨水排入图中虚线连接的节点.

2.1.2 确定降雨强度 采用芝加哥暴雨过程线模型合成降雨情景，该方法是基于暴雨强度公式和雨峰系数的非恒定降雨情景合成方法［9］.引入参数雨峰系数r 来描述降雨峰值发生的时间，将降雨时间序列分为峰前时间序列和峰后时间序列，并可计算2 个序列的瞬时降雨强度［10］，计算公式如下峰前:

峰后:

其中i1(t)，i2(t)为瞬时降雨强度;r 为雨峰系数，0 ＜r ＜1.

取降雨历时T=120 min，雨峰系数r=0.4，其他参数取值同下文取值，通过式(3)和式(4)，合成降雨重现期分别为P=1 a 和P=3 a 的2 种不同降雨情景.合成降雨情景如图3 所示，其中，重现期P=1 a 降雨情景的总降雨量71.50 mm，雨峰强度3.36 mm·min－1，平均降雨量0.60 mm·min－1;重现期P=3 a 降雨情景的总降雨量85.52 mm，雨峰强度4.01 mm·min－1，平均降雨量0.71 mm·min－1.

按照我国气象局规定［9］:24 h 内的降雨量称为日降雨量，24 h 降水量不超过10 mm 的称为小雨，5 ～16.9 mm 为小到中雨，10 ～24.9 mm 为中雨，25 ～49.9 mm 为大雨，50 ～99.9 mm 为暴雨，100 ～250 mm 为大暴雨，超过250 mm 的称为特大暴雨.由此，重现期P=1 a 和P=3 a 的降雨均属于暴雨.

图2 研究地区雨水管网布置图

图3 不同重现期降雨过程线

2.1.3 优化参数的选取 SWMM 入渗分析方法有3 种，Horton 方法适用于小流域分析［10］，因此选取Horton 方法进行评估.根据该地区实际情况，参考SWMM 使用手册［11］，取最大入渗率76.2 mm·h－1，最小入渗率3.3 mm·h－1，衰减常数3.5.不渗透性洼地蓄水深度和渗透性洼地蓄水深度分别为3.5 mm 和6.5 mm.模拟过程中，演算模型釆用运动波方式，降雨时间间隔为1 min，模拟时间步长为10 s，报告时间步长和雨季径流步长设定为1 min，旱季径流步长设定为1 h.模型其他参数参考文献［12 －15］、SWMM 使用手册［11］和实测数据取值.

2.2 雨水管网排水现状校验 由设计图纸得知，研究区域雨水管网按重现期P =1 a 标准设计.基于上述参数，通过SWMM 模型模拟，结果表明，研究区域排水管网系统中有66.7%的节点会出现10 min 以上的溢流，55.6%的节点会出现20 min 以上的溢流，38.9%的节点会出现60 min 以上的溢流，其中节点J9和节点J11 溢流时间均超过120 min(严重溢流节点见表1).节点溢流时间过长，就会在道路路面产生积水，严重时可造成城市内涝.

从管道满流情况看，研究区域仅有6 段管道没有出现满流，满流率达到66.7%，其中44.4%的管道满流时间超过30 min.表2 汇总了严重满流管渠的管径和满流发生的时长等数据，由此看到GQ1、3、7、14、15、16、17 的满流时间较长，为86 ～135 min，出现满流管道比例高、满流时间长，说明排水管道负荷过大.城市排水管道如果负荷过大会导致排水不畅，使上游节点积水，甚至出现溢流，形成洪水危害，同时也会影响管道的正常使用年限［12］.

由表1 可知，有些节点发生溢流的时间较早，甚至在雨峰还未来临前就已经发生溢流，一旦雨峰来临，很可能会在节点处路面积水，部分节点溢流时长超过降雨历时，说明抵抗暴雨的能力较弱.表2 中大部分管道满流发生时间在雨峰(00:48)来临之前，部分管道满流时长超过降雨历时，说明管道尺寸过小，降雨开始不久后管道就处于满流状态，容易造成节点积水.这与该地区平常观测的实际情况(下雨超过半小时就开始积水)相符.

表1 严重溢流节点情况汇总表

表2 严重满流管渠数据汇总表

研究区域在P=1 a 降雨情景下，大部分节点产生溢流、管道产生满流，可能原因在于研究区域经过扩建，汇水面积增大且地面硬化比例增加，降雨时径流量增多，管道满足不了排水需求;同时，管道在设计过程中，采用重现期标准可能较低.

3 雨水管网优化模拟

3.1 管网设计参数确定

3.1.1 暴雨强度公式中参数 式(1)中地方性参数A1，C，b，n，采用该地区城市建设管理部门给定的参数值A1=14，C=0.41，b=9，n=0.65.

重现期P，是指一定的暴雨重复出现的概率，考虑到降雨的随机性，重现期应是雨水管网设计首要考虑的内容［16］.重现期取值的大小在很大程度上决定着城市雨水管网的排水能力.《室外排水设计规范GB 50014—2006(2011 年版)》规定，应根据汇水地区性质、地形特点和气候特征等因素确定.重现期一般采用1 ～3 年;重要干道、重要地区或短期积水即能引起较严重后果的地区，应采用3 ～5 年.该地区属于热带海洋性季风气候，雨量充沛，夏秋两季多有台风登陆，容易出现连续多天降雨且降雨量较大的情况.结合国内外主要城市重现期取值［16］和该地区气候情况确定P=3a.降雨历时T，按公式T=t1+mt2计算，其中t1表示地面集水时间/ min，视距离长短、地形坡度和地面铺盖情况而定，一般采用5 ～15 min.根据研究区域汇水面积实际情况，取t1=10 min;t2表示管渠内雨水流行时间/min，按式t2=1 / 60 v 计算，其中L 表示管渠长度，v 表示水流速度，m 表示折减系数，暗管m=2，明渠m=1.2.

3.1.2 雨水设计流量公式参数 径流系数和雨水流经地面类型及地面面积密切相关，通过现场观察确定绿地和混凝土路面面积，并分割各子汇水面积(见表3)，查阅相关规范获知各地面的径流系数，代入式(2)计算出研究区域的径流系数为Ψ=0.675.

表3 子汇水面积汇总表

3.2 管网优化模拟 针对原有排水管网问题，根据式(1)、式(2)和确定好的参数，计算优化的管道尺寸，并将相应管道和节点参数输入SWMM 模型，其他参数保持不变，进行模拟.

为了对比优化前后排水管网的排水能力，根据确定好的参数模拟管网在降雨情景P =1a 时的工作状态，表4 详细列出优化前后管道尺寸和P =1a 时各管道出现的最大水深及排放口水深变化情况，图3 形象地描述了优化前后的水深情况.结果显示，研究区域雨水排水管网中没有节点出现溢流，也没有管道出现满流.

3.3 结果分析 由表4 和图3 可知，排放口PFK1 和PFK2 处上游管道直径分别为1.6 m 和1.3 m，且2处管道最大水深分别为1.49 m 和1.01 m，均小于管道直径，说明排放口在重现期P =1 a 降雨情景时能够安全排出研究区域中的降雨.但GQ12 和GQ13 的最大水深超过管道尺寸的90%，在应对较大强度降雨时可能有发生满流的风险.从排水管网系统总体排水效果来看，经过优化后的管网可以满足设计暴雨重现期P=1 a 的排水要求.

表4 排水管道最大水深汇总表(P=1a)

4 小 结

针对研究地区逢暴雨必涝的实际情况，结合海口市地质、气象特点和实际情况对SWMM 模型参数进行了修正，检验了模型的适用性并率定有关参数，确定了SWMM的基本参数.运用芝加哥暴雨过程线模型合成了重现期P=1 a 的降雨情景，对该地区排水管网的暴雨排水能力进行了评价和模拟优化.优化后的管网模拟显示，在降雨情景P=1 a 时没有管道满流和节点溢流，可以较好的满足排水要求，为该地区雨水管网改进提供参考.

图4 PFK1 和PFK2 水深变化情况(P=1a)

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