SWMM模型在城市雨洪中的应用研究

刘恺华

摘要：以南阳市城区为研究对象，结合城区下垫面条件、不透水陆面特点以及下凹式绿地建设等，利用城市暴雨洪水管理模型（SWMM）研究其对城市建成区的暴雨洪水效应，为水生态文明试点城市建设和海绵城市建设提供参考。

关键词：城市雨洪管理；SWMM模型；雨洪效应；海绵城市建设

1、研究区概况

本文以南阳市为研究对象，以南阳市地形为出发点，考虑降雨、截留和入渗、蒸散发、地下水等影响城市降雨径流形成的因素，分析南阳市洪水的形成，对南阳市海绵城市的建设具有一定的指导和参考价值。

2、原理方法

暴雨洪水管理模型（SWMM）是美国环境保护署（USEPA）1971年开发并公开发行的一个动态降雨径流模拟模型，主要用于对城市某一单一或长时间序列降水事件的水量和水质进行模拟。在世界范围内广泛应用于城市地区的暴雨洪水、合流是排水系统、排污管道以及其它排水系统的规划、分析和设计，在非城市地区也广泛应用。

2.1SWMM模型

在SWMM模型中，一般将一个流域划分成若干子流域，根据子流域的特点，分别计算其降雨径流过程，最后通过全流域各个子流域的降雨径流过程，计算出流域合成的降雨径流过程。根据南阳市的城市统计部门提供：南阳市透水区域面积占全市面积的25.6%，半透水（混合）区域面积占34.7%，完全不透水面积占39.7%的建设特点，将其市区根据不同的下垫面因素，概划为不同的子流域。

2.2模块建立

1、坡面汇流及河沟汇流。根据城市集水面积资料，地理位置的几何特征，区域内的坡度、糙率、地面入渗率，采用曼宁公式及马斯京根河道洪水演变过程而求得。

2、城市管网汇流。根据不滞流透水面积，城市管网分段直径，区域的降水量，采用圣维南方程组求得，主要考虑城市的硬化率、城市管网的分段直径、坡度、管网水深、长度、摩阻坡度等。

3、城市综合排洪。综合考虑城市天然透水面积而产生的坡面汇流及河沟汇流：城市不滞流透水面积及城市的硬化率产生的城市管网汇流，根据城市河网结构，采用马斯京根河道洪水演变过程，综合考虑得出城市综合排洪。

本研究区域的SWMM模型的建立，从而分析区域的SWMM模型降雨径流包括坡面汇流、河沟汇流、城市管网汇流最后形成综合城市排洪过程。

2.3模块建立参数分析

1）、排放口出流实测

近2 0年南阳城区共发生10次大洪水，发生城市内涝10多次，主要有2 000年、2009年、2010年三次大洪水较为典型，以2000年大水为例。

（1）降水量：2000年7月4日南阳市突降大到暴雨，平均雨量268.1mm，最大点雨量为医圣祠遥测站315.3m m，最大2小时115.9mm，最大6小时181.0mm（见下图南阳医圣祠站降水量过程柱状图）。

（2）径流量：经资料综合分析，确定前期土壤含水量为40mm，历年实测北部涌河最大流量420立方米每秒，中心城区的梅溪河最大流量580立方米每秒，温凉河最大流量380立方米每秒，下游水文站测得最大流量3240立方米每秒。

（3）洪水分析：以2000年“704”洪水为例进行分析，此次雨洪具有雨量大、强度大的特点。从7月3日2时开始降雨到20时，2小时最大降水33.2毫米，除中心城区有少许积水外，其余无积水现象；20时至22时，整个南阳市降下大暴雨，最大11.5.9mm，中心城区大面积积水，23时沟满河平，南阳水文巡测队在南阳城

区各条河流进行检测，测得第一手资料。通过分析，2小时30毫米降雨，不会造成城市内涝，中心城区的河道洪峰比周边河道洪峰提前30分钟到达，城市不滞流面积越大，越容易造成城市内涝。

（4）洪水灾情：在南阳城区西北部为天然透水面积和滞流透水面积各占一半，虽然降雨量较大，降雨强度大，由于按照海绵城市建设要求，采用小区区域内铺设透水砖和采用下凹式绿地这两种措施下，城市管网直径较大，积水不严重；中心城区积水非常严重，南阳商场附近积水深度达1.5米左右，平均积水深度达1.0米左右，控制面积为36.4 Km2，造成严重城市內涝。

2）模拟值进行率定

根据洪水分析，城市排水管网的变化对其控制区域内的产流量、下渗量以及洪峰流量有着较大影响。利用水文分析模块率定SWMM（雨洪管理模型）模型参数，在研究区域上建立起不同分区特点和管网条件的SWMM工程，即滞流透水面积和滞流不透水面积的划分。南阳市降水量P为38%的24h降雨过程为降雨输入，进行模拟分析。结果表明，受管网增加影响的子汇水区域下渗量有所减少，径流量有所增加，洪峰流量增大，且洪峰出现时间提前。

3）两种方法率定参数分析

本文针对城市暴雨径流产流汇流的机理和过程，结合南阳市当地的气象气候及地理条件，对暴雨径流调节的几种方式进行了比对研究，运用城市暴雨雨水管理模型（SWMM），结果表明，85年以后，随着南阳城区的快速发展，区域雨水汇集时间提前30分钟以上，洪峰流量增大3 5%左右，并对雨水收集储存池的建设规模和经济效益进行了优化，为今后类似工程计算提供参考。

模拟值进行率定，综合考虑城市发展对雨洪的综合影响，以前期降雨的损失量来考虑，城市雨洪的变化过程，是综合因素无量纲的变化，模拟出雨洪的变化过程，用试算方法进行推求，率定参数代表性不好。

3、结果与讨论

通过以上两种方法分析结果，采用城市暴雨雨水管理模型（SWMM），分析随着城市发展，雨洪的变化规律，区域雨水汇集时间提前30分钟以上，洪峰流量增大35%左右。

建立产流模型，对南阳市不同降雨频率不同硬化绿化比例面积，分析计算了铺设透水砖、下凹式绿地、建立人工蓄水池关于拦蓄雨水径流、补充地下水、滞后汇流的影响，得出铺设透水砖、下凹式绿地、建立人工蓄水池能有效的拦蓄雨水径流和补充地下水，并使降雨汇流明显滞后。

针对雨水的可调节利用，建立区域性雨水利用系统，分析研究雨水调蓄池在局部区域的应用。根据多年的降雨资料的统计给出南阳市为代表性的城市雨水储存池合理的规模和设计雨量值，并考虑良性水循环和径流排放量。为类似地区的工程设计和施工提供有益的参考。endprint