基于GIS构建SWMM及模拟分析排水管网系统

2016-05-30何毅杨昆李艳芳

科技风 2016年10期

何毅杨昆李艳芳

摘要：以大理白族自治州“海东新区”规划区设计的雨水排放系统为研究对象，基于地理信息系统（GIS）技术快速构建新区排水管网模型，采用仿真模拟软件SWMM，对6种暴雨重现期为P=0.25a、0.5a、1a、2a、5a、10a和3种雨峰系数为r=0.2、0.5、0.8降雨情境下的排水管网系统进行模拟，以验证排水管网规划设计的合理性。

关键词：地理信息系统；SWMM；情境分析；排水管网

排水管网是城市水污染防治和城市排渍防涝、防洪的骨干工程，担负着收集城市生活和工业生产等污水、及时排除城区内雨水和流经市区雨水的任务。

随着城市化的飞速发展，排水管网承担的排水任务越来越重。合理的排水管网设计，能有效的提高管网的排水能力，降低城市内涝的发生风险。利用SWMM对各种降雨情境下的城市排水系统进行模拟，系统地分析排水管网的排水能力，确定排水管网规划设计的合理性，从而为排水管网的规划设计或改造提供理论性的指导，这一实践已经成为排水系统规划和优化的重要内容[ 1-4 ]。

1 基于GIS技术构建SWMM模型

1.1 SWMM模型概述

SWMM是美国环保局为解决日益严重的城市排水问题而推出的暴雨径流管理模型，此模型可以对单场暴雨或者连续降雨而产生的暴雨径流进行动态模拟，进而解决与城市排水系统相关的水量与水质问题。该模型在北美地区被广泛用于城市水系统的设计、规划和运行[ 5 ]。SWMM包含几个核心的水文水力模塊。主要有径流模块（Runoff），输送模块（Transport），扩展输送模块（Extended）、存储/处理模块（Storage/Treatment）和受纳水体模块（Receiving water）等，核心模块之间的关系如图1所示。此外还有多个服务模块，它们的主要功能是进行一些计算后的处理，如统计、绘图等[ 6 ]。

1.2 建模方法

建模是进行城市排水管网模拟的关键步骤，模型构建的准确性将直接影响模拟的效果，而构建SWMM城市排水管网模型是一项繁重复杂的工作，地理信息技术（GIS）为模型的快速构建提供了技术支持[ 7 ]。

模型主要包括空间数据和参数数据两个部分。首先，结合管网规划资料，利用ArcGIS软件完成节点、管道的数字化。其次，利用DEM（Digital elevation model）数据，通过GIS工具（Spatial Analyst Tools→Hydrological→Basin）自动划分汇水区，利用Thiessen方法结合节点图层，通过GIS工具（Analysis Tools→Proximity→Create Thiessen Polygons）生成泰森多边形。最后，结合泰森多边形和汇水区图层，对子汇水区再次进行细分和边界修正。通过以上步骤精确完成模型空间数据的提取。然后结合土地利用规划、DEM数据，通过GIS的空间统计功能和图层叠加方法提取模型相关参数数据，包括子汇水区的面积、宽度、坡度和不透水区比例。通过管网规划数据获取管道长度、管径，节点内底标高等参数。根据研究区域的地面特征及SWMM用户手册设定各个子汇水区经验参数，主要包括：透水区曼宁系数、不透水区曼宁系数、透水区洼蓄量、不透水区洼蓄量、管道粗糙系数等参数。

最后，利用inpPINS软件将以ShapeFile格式文件存储的建模数据，快速生成SWMM模型，从而简化了繁琐的数据处理工作，提高了建模的效率，保证了空间数据的准确性，模型构建流程如图2所示。

1.3 合成暴雨模型选取

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。由于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。理论上，合成暴雨模型的方法有Huff法、CHM法（PC法）和YC法。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即CHM法[ 8 ]。

2 案例研究

2.1 研究区域概况

大理“海东新区”中心片区位于大理市海东镇，大理洱海东岸，距大理市（下关）约10km，汇水区域约30.88平方千米，居住用地占38.26%，道路面积占18%、绿地和其他用地占43.74%。被划分为140个子汇水区，包含128条管道，124个检查井，22个排放口。研究区域排水系统如图3所示：

2.2 情境设计

在我国，雨水管网的设计重现期一般选用1～3a，对于重要地区，一般选用2～5a[ 9 ]。为了检验管网在不同频率暴雨下的排水能力，采用芝加哥过程线模型合成模拟降雨情境。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《2014最新全国各城市暴雨强度式》，选取研究区域的暴雨强度公式为：

为了模拟排水管网系统在不同降雨情境下的表现，分别合成了雨峰系数分别为r=0.2、0.5、0.8，重现期分别采用P=0.25a、0.5a、1a、2a、5a、10a，降雨历时120min的降雨过程线。对于芝加哥过程线模型，重现期P决定着每场降雨强度的最大值，雨峰系数r决定着雨强最大值出现时间[ 10 ]。

图4展示了不同设计重现期的暴雨强度，表1不同重现期的降雨情境，表2所示为重现期P=2a的前峰降雨（r=0.2）雨强数据。

2.3 情境模拟结果分析

分析研究区域管网排水能力，主要选取节点和管道相关模拟结果。在城市小流域降雨径流中，渗透模型通常采用Horton模型、管网模拟采用动力波。

2.3.1 节点模拟结果分析

研究区域内的每个节点都有最大允许水深，超过最大允许水深则溢出。节点溢出发生积水，主要是由于管网排水负荷过大，超过其最大排水能力，因此节点积水可作为反映排水管网排水能力的一个指标。

在不同频率不同雨峰系数的降雨条件下，根据模拟结果，可以得出每一节点最大水深发生的时间和持续时间。节点有连接单一管道和多段管道两种情况，表3是在不同降雨情境下，连接单一管道的节点31J和连接多段管道的节点33J最大水深开始时间、平均水深和最大水深持续时间统计表。

对比二者平均水深和最大水深持續时间，33J远大于31J，31J没有发生积水。存在这种差别的主要原因是31J主要通过子汇水区的地面径流流入管道，33J除了子汇水区的地面径流流入管道外，还有其他多条管道的汇流。

此外，流入节点33J的子汇水区不渗透占比也远大于流入节点31J的子汇水区不渗透占比。可见，增加子汇水区的渗透占比也很重要。

2.3.2 管道模拟结果分析

根据研究区域管道数量和长度。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。

当管道满流时间较长时，在地面可能产生严重积水，说明管网排水能力不足。通过统计不同管道满流时间下的管道数量，可以得出管网的排水能力强弱。

通过模拟发现，在不同设计重现期下，随着设计重现期增大，管道最大流量发生时间提前。3种雨峰系数的降雨情境下，随着雨峰系数的增大，管道最大流量发生时间向后推迟。但是，所有降雨情境下模拟结果都没发生管道超载的情况，证明该管网设计方案十分合理。