基于SWMM的某城区现状排水能力分析

李延亮

（甘肃省华亭县城市设施管理所，甘肃 平凉 744100）

基于SWMM的某城区现状排水能力分析

李延亮

（甘肃省华亭县城市设施管理所，甘肃 平凉 744100）

为得到某城区现状管网的排水能力，采用SWMM模型，通过收集研究区排水管网资料并进行简化，建立模型，划分子汇区；采用径流系数来率定模型参数，并对率定参数进行验证。接着，对研究区在不同降雨条件下的现状管网排水能力进行模拟分析，找到发生内涝的关键因素。从而，为有的放矢地治理该城区内涝提供了科学的依据。

地下综合管廊；天然气管道；设计

0 引言

随着近年来我国城镇化速度的加快，城镇的规模迅速扩张，改变了城镇原有的下垫面类型，雨、污水管网等基础设施建设跟不上城镇发展的需要，防洪标准偏低，管网排水、排污能力严重不足，加之全球变暖、极端天气频发，导致城市内涝问题在短时强降雨等天气发生时频繁出现[1、2]。城镇内涝首先会造成了大面积的交通瘫痪，对地铁、地下室、地下商场，以及低洼地段等处的各种建筑和设施带来严重的影响，几乎每年均有城市内涝引发人员伤亡事件发生[3、4]。因此，为了减轻和消除城镇内涝问题，对城镇现有排水管网的排水能力进行科学的计算是十分必要的。现以某城区为例，通过收集研究区排水管网资料并进行简化，建立研究区的SWMM模型，划分了子汇区；采用径流系数来率定模型参数，并对率定参数进行验证。接着，对研究区在不同降雨条件下的现状管网排水能力进行模拟分析，找到发生内涝的关键因素。从而，为有的放矢地治理该城区的内涝问题提供科学的依据。

1 SWMM模型

暴雨雨洪管理模型（Storm Water Management Model，简称为SWMM）是模拟城市暴雨动态降水径流的模型。它可以模拟降雨、蒸发、积雪、融雪、洼地截留、下渗、地下水交互、坡面汇流，以及低开发效果等水文现象；还可以模拟降雨或其他水流在管道、渠道、蓄分水建筑物管网、渠系中的回水、溢流、逆流、地面积水等流态。在SWMM中将每个子汇区域作为蓄水池，降雨和上游子汇区流出是流入项，入渗、蒸发、地标产流是流出项，积水、地表湿润和截留水量是蓄水量。当流入大于蓄水量时，地表产生径流，通过下式计算：

式中：W为流域固有宽度，S为地表坡度，d为子汇区水深，dp为子汇区最大蓄水深度，n为曼宁粗糙系数。

在 SWMM模型中，采用 Horton方程、Green-Ampt入渗模型和曲线数等三种方法来模拟降雨入渗。Horton方程通过设定最大和最小渗入速率，来描述在长期降雨过程中，速率的变化规律和饱和土壤被排干的历时；Green-Ampt入渗模型通过土壤初始含水量、导水率和湿润峰吸入水头等参数来模拟降雨垂直入渗的过程；曲线数法通过输入曲线数和饱和土壤被排干历时等参数并根据累计降雨和剩余能力函数来表示土壤的下渗能力。

在SWMM模型中，采用稳定波、运动波和动力波来计算排水管网中的水体流态。其中，动力波法可以计算超封闭管道负荷的有压流，超节点水深时的水流运动问题，能模拟管网蓄水量变化、回水、进出口损失、逆流和有压流等，适用环状闭合管网及有转向器的情况。

2 研究区SWMM模型的建立

2.1 研究区概况

研究区位于丘陵区，地势高低起伏，无外排河流，总面积156 hm2，其中建筑物面积52 hm2，约占研究区面积的1/3，道路23.2 hm2，约占研究区面积的 14.87%，绿化 3.5 hm2，约占研究区面积的2.24%，其他77.3 hm2，约占研究区面积的49.55%。研究区属温带湿润季风气候区，夏季高温多雨，冬季寒冷干燥，多年平均降雨量700～1 000 mm，年平均降雨37 d，历史最大降雨量1 570 mm。研究区建筑物密集，硬化铺装路面多，绿化面积偏低，下垫面铺装比例高，径流大。现有排水管网按2 a一遇设计标准，对超标准洪水只能依赖泵站排水，泵站排涝能力不足，山水冲击管网、高低水混排，雨水系统管径小，部分管道淤塞严重。

2.2 模型及参数

通过收集研究区排水管网的坐标、高程、管径等资料，对管道长度、管径、水流方向和高程等信息提取。由于排水管网较为复杂，加之少量管网资料的缺失，且其主要研究的系现状排水能力，故对管网中管径小于0.2 m的管线不予考虑，仅将管径超过0.4 m，长度小于20 m的管道设为节点，道路两侧管线单独计算。管网概化为136个节点，135段管道，排放口1个。根据研究区内排水流域的实际汇流情况，节点的分布情况，将研究区分为135个子汇区（见图1），并根据管网概化情况建立各子汇区的关系。运用地理信息技术，根据汇水区的面积、坡度、不透水面积比例等，采用泰森多边形法对子汇区进行划分和边界修正。模型的参数取值如表1所列。

图1 研究区子汇区划分及管段、节点图

表1 模型计算参数取值一览表

2.3 参数率定

参数的率定方法采用芝加哥降雨过程线合成短中长期重现期降雨，利用中期重现期降雨对参数进行校准，参数若满足综合径流系数的范围即是合理的。因为研究区缺少出口的实测流量数据，无法进行模拟与实测数据的对比率定，对此采用径流系数来率定模型参数，并根据研究区实测降雨和内涝点的情况对率定参数进行验证。研究区的平均不渗透系数为77.5%，平均坡度为2.4%。根据《城市排水手册》不同汇水区的综合径流系数按表2进行区分。

表2 不同汇水区的综合径流系数一览表

根据表2可知研究区属建筑稠密地中心区，参考SWMM管理手册和研究资料，将表1的参数作为初始值带入模型中，通过参数调整使研究区的综合径流系数在0.6～0.8之间，得到率定参数如表3所列。

表3 模型计算参数率定后取值一览表

将率定后的参数按照重现期5 a和10 a进行降雨模拟得到综合径流系数分别为0.6和0.63，属于上面得出的研究区为建筑稠密地中心区的综合径流系数范围。另外根据研究区在2013年6月28日6时至8时发生降雨量为90.7 mm的暴雨情况，研究区多处桥洞发生内涝，积水严重。将这次暴雨资料输入到率定参数后的模型中，得到模型的计算出的主要内涝点的水深与该区在这次暴雨中内涝点的实际水深对比结果（见表4），模型计算的结果与实际情况基本一致。

表4 模拟计算结果与实际对比一览表

3 模拟结果分析

根据上面构建的模型分别进行2 a一遇、5 a一遇和10 a一遇，2 h降雨时研究区的管网的现状排水能力模拟，结果如图2（a）～（c）所示。

图2 研究区排水管网不同降雨条件下的模拟结果示意图

图2（指原彩图）中的红色管道和节点是表示其所处的子汇区发生了节点超载，即节点的水位超过了渠道顶部，表明该子汇区出现了内涝现象。根据图2（指原彩图）中红色管道和节点所在的子汇区的统计，在不同降雨条件下均发生超载的子汇区见表5所列。

表5 易涝子汇区属性表

研究区的平均不渗透系数为77.5%，平均坡度为2.4%。表5中的各子汇区在不同降雨条件下均属易涝区，其不渗透系数均大于研究区的平均不渗透系数，且平均坡度均小于研究区的平均坡度。可见子汇区的不渗透系数和平均坡度是决定该子汇区是否发生内涝的关键因素。

4 结论

通过收集研究区排水管网的坐标、高程、管径等资料，对管道长度、管径、水流方向和高程等信息提取并进行简化，建立了研究区的SWMM模型，采用泰森多边形法对子汇区进行划分和边界修正；采用径流系数来率定模型参数，根据研究区实测降雨和内涝点的情况对率定参数进行验证。并对研究区在不同降雨条件下的现状管网排水能力进行了模拟分析，找到了易发生内涝的子汇区，发现不渗透系数和平均坡度是决定该子汇区是否发生内涝的关键因素。

[1]梁小光,王盼,吕永鹏,等.内河水位对管网系统排水能力的影响模拟[J]．城市道桥与防洪，2014,(11):11-14．

[2]钟力云.基于SWMM的上海市某城市小区排除地面积水能力校核[J].城市道桥与防洪，2014,(1):78-80，84．

[3]董磊.南方某特大城市主城区排水防洪能力评估研究[J].城市道桥与防洪，2016,(3):79-81，92．

[4]潘忠秀.新排水标准下现状排水系统的改造与提升—以淄博市中心城区为例[J].城市道桥与防洪，2014,(10):109-111，128.

TU992

B

1009-7716（2017）08-0116-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.08.036

2017-03-15

李延亮（1981-），男，甘肃平凉人，从事市政管理防汛工作。