上海市设计雨型对雨水管网模拟的影响研究

艾 静 廖子元 方定懿 陶 涛

(同济大学环境科学与工程学院，上海 200092)

上海市设计雨型对雨水管网模拟的影响研究

艾 静 廖子元 方定懿 陶 涛

(同济大学环境科学与工程学院，上海 200092)

采用推理公式法设计了上海A地区的雨水管网系统，并在此基础上，分别以芝加哥雨型和Pilgrim & Cordery雨型作为设计雨型，利用城市雨水模拟管理软件(SWMM)建立该区域雨水模拟模型。模拟结果表明，雨型对积水的模拟结果有较大影响，主要体现在积水时长、最大积水深度和受积水影响的面积大小上；对于上海地区，推荐使用P&C雨型作为设计雨型，在此雨型下设计的管网更安全。

雨水,管网，SWMM，雨型

发达国家一般借助于数学模型来计算雨水管网的径流量，我国的GB 50014—2006室外排水设计规范(2014版)也指出，在计算雨水的设计流量时，若汇水面积大于2 km2，宜考虑降雨在时空分布的不均匀性和管网汇流过程，利用数学模型法来计算[1,2]。设计雨型是模型的输入参数，是模型进行径流量计算的基础条件，不同的雨型会导致降雨径流的计算结果产生明显差异。就此，本文将基于SWMM，以上海A地区的雨水管网为例，探讨不同设计雨型对雨水管网模拟的影响。

1 雨型研究现状

雨型描述了降雨过程，是不同降雨历时内的降雨强度随时间变化的特征。雨型的推求对于城市雨水管网、调蓄设施的规划及设计具有重要意义。

在国外，对城市短历时暴雨雨型的研究较多且起步早。20世纪40年代,前苏联的Bogomazova等人通过统计分析乌克兰等地区的降雨资料，划分出了七种雨型[3]。Keifer和Chu从暴雨强度公式出发，提出了雨峰出现时刻的统计方法，及雨峰前后瞬时暴雨强度的计算公式，得到了芝加哥雨型[4]。Pilgrim & Cordery雨型则是，Pilgrim和Cordery基于数理统计原理，利用一种无级序平均法，推求得到的[5]。

国内对雨型的研究较少，对于如何判断一个地区的雨型，在全国范围内没有开展相关工作。目前，国内普遍采用《城市暴雨强度公式编制和设计暴雨雨型确定技术导则》(下简称《导则》)推荐的芝加哥雨型[6]，然而不同地区的降雨过程各具特点，统一采用芝加哥雨型来表征显然不尽合理，且随着城市防涝标准的提高以及海绵城市建设的推进，推求各城市的设计雨型有重要意义。目前，江苏省各市已在大量具有代表性、典型性的数据基础上，确定了各自的暴雨雨型，可供其他城市在相关工作上参考。

2 上海市不同雨型的比较

雨型是降雨强度在时间尺度上的分配过程，利用不同的雨型会计算得出明显不同的降雨径流。为探求上海市不同设计雨型对雨水管网模拟的影响，本文分别以上海市的芝加哥雨型和P&C雨型作为设计雨型。

上海市芝加哥雨型是利用其暴雨强度公式，并取降雨历时为120 min，雨峰系数为0.405计算得出，其特征是有一尖削的单峰[5]。P&C雨型是利用上海市1985年—2012年的降雨资料得到的历时120 min以5 min为单位时段的雨量分配比例，及各重现期下上海市120 min降雨总量的基础上求出[1]。两种雨型的分布如图1所示。

雨型的雨峰大小、位置、持续时间和雨峰出现时累计雨量的大小对降雨径流的计算有较大影响。上海市的芝加哥雨型与P&C雨型在上述几个方面的对比如表1所示。

3 模型模拟

A地区地处上海，地势平坦，总汇水面积为340.01 ha。布置其雨水管网如图2所示，管道总里程数为19.59 km。利用推理公式法设计A地区P=1年,3年,5年时的雨水管网，并在此基础上建立SWMM模型。不同重现期下A地区雨水管网的管径、管长分布如图3所示。

将上海市的芝加哥雨型和P&C雨型分别输入模型，模拟结果对比如表2所示。随着重现期的提高，两种雨型下，受积水影响的汇水面积大小均在增加，但P&C雨型下的模型更容易出现积水，且积水情况更严重。对于芝加哥雨型，积水节点的最大服务面积是P=5年时的40.56 ha，而在P&C雨型下，积水节点的最小服务面积是P=1年时的52.52 ha，大于40.56 ha。并且在P&C雨型下，积水持续时间更长，最大积水深度更深，几乎为芝加哥雨型下最大积水深度的3倍。

表2 不同设计雨型下A地区的积水情况

以上情况均说明相比于芝加哥雨型，A地区在P&C雨型下的积水情况更严重。结合表1，表2和图1，推测其原因为：尽管P&C雨型的峰值较芝加哥雨型稍小，但雨峰出现较晚，雨峰出现时的累计雨量较大，管网中已有一定充满度，致使管网没有足够的能力承担雨峰下的雨量，加之其雨峰持续时间长，使得该雨型下的积水情况更严重。

因此，考虑到P&C雨型下的模型积水情况更严重，对于上海地区，推荐使用更加符合实际降雨的P&C雨型作为设计雨型，在此雨型下设计的管网更安全。

4 结论及建议

本文系统介绍了芝加哥雨型和P&C雨型的推求方法，采用推理公式法，设计了上海市A区域不同设计标准下的雨水管网；利用SWMM模型分别模拟了两种雨型及不同设计标准下的管网积水情况，可以看出雨型对积水的模拟结果有较大影响，主要体现在积水时长、最大积水深度和受积水影响的面积大小上，这主要是由雨峰大小、位置、持续时间和雨峰出现时累计雨量大小等因素的不同引起的；因此推荐上海地区使用P&C雨型作为设计雨型，在此雨型下设计的管网更安全。

[1] 蒋 明.新暴雨形势下上海市设计暴雨雨型研究[J].湖南理工学院学报(自然科学版),2015,28(2):69-80.

[2] GB 50014—2006,室外排水设计规范(2014版)[S].

[3] 莫洛可夫,M B,施果林.雨水道与合流水道[M].北京:建筑工程出版社,1956.

[4] Keifer G J, Chu H H., Synthetic storm pattern for drainage design[J]. Journal of the Hydraulics Division, ASCE, 1957, 83(4):1-25.

[5] Pilgrim D H.，Cordery I. Rainfall temporal patterns for design floods[J]. Journal of the Hydraulics Division,ASCE,1975,101(1):81-95.

[6] 中华人民共和国住房和城乡建设部,中国气象局.城市暴雨强度公式编制和设计暴雨雨型确定技术导则[M].北京:气象出版社,2014.

Influence of rainfall pattern on storm drainage network modeling in Shanghai

Ai Jing Liao Ziyuan Fang Dingyi Tao Tao

(CollegeofEnvironmentalScienceandEngineering,TongjiUniversity,Shanghai200092,China)

Reasoning formula method was used to design the storm drainage network of area A in Shanghai. On this basis, the designed network was modeled using SWMM. Chicago rainfall pattern and Pilgrim & Cordery rainfall pattern were respectively adapted to the model. It was shown that rainfall pattern substantially changes the simulation result on ponding, mainly on ponding time, maximum ponding depth and ponding area. Storm drainage network designed with Pilgrim & Cordery rainfall was more likely to meet the drainage requirement, so it was recommended in Shanghai.

rainwater, drainage network, SWMM, rainfall pattern

1009-6825(2017)21-0099-03

2017-05-12

艾 静(1994- )，女，在读硕士; 廖子元(1994- )，男，在读博士; 方定懿(1994- )，男，在读硕士; 陶 涛(1974- )，女，教授

TU823.6

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