城市排水系统水力分析与改造策略——以秀山县为例

甘春娟，段玲红，陈 垚,3，任萍萍，熊 毅

(1. 重庆市市政设计研究院，重庆 400012；2. 重庆交通大学河海学院，重庆 400074；3. 重庆交通大学环境水利工程重庆市工程实验室，重庆 400074；4. 重庆中博工程设计咨询有限公司，重庆 401121)

近年来，随着城市化进程的加快，城市下垫面发生剧烈变化。局部地区水文循环发生显著改变，产汇流过程加速，导致径流峰值提前，径流量增加。同时，大部分城市排水设施建设年代久远，标准过低，无法适应城市的快速化发展，以致城市同时面临水文巨变与输水能力过低的双重压力，排水防涝压力与日俱增，积水内涝现象日益严重。在过去几十年，各国研究者针对城市降雨径流控制技术开展了大量研究与应用，分别提出了技术先进的城市雨洪管理理念，如美国的最佳管理实践(BMP)、低影响开发(LID)和绿色基础设施(GI)，英国的可持续排水系统(SUDS)，澳大利亚的水敏型城市设计(WSUD)等。这些理念均提倡采用分散式雨水控制措施，在源头上削减地表径流量，以减少雨水径流对环境的影响[1]。我国近年提出海绵城市，通过“渗、滞、蓄、净、用、排”等途径控制径流流量与污染，从而实现水文良性循环。海绵城市的建设需要依靠LID雨水系统、常规雨水径流蓄排系统，以及超常规雨水径流蓄排系统共同构建[2-3]。如何对现有雨水径流蓄排系统的水力性能进行科学评估，在充分发挥其输水能力的基础上进行LID改造，合理确定改造方案是实现海绵城市建设的关键。由美国环保署(USEPA)开发的暴雨管理模型(SWMM)可对城市单一或连续降雨事件产生的降雨—径流过程进行模拟，也可用于雨水净蓄排系统的水分分析与验证[4-7]。因此，本文以秀山县城区某一独立分流制排水区域为例，利用SWMM软件模拟分析研究区域现状管网的运行性能，并在此基础研究考察LID模式对雨水管网水力性能的影响，以期为城市雨洪控制提供参考。

1 SWMM模型构建与验证

1.1 研究区概况

秀山县位于重庆东南部，属于亚热带湿润季风气候。年平均降雨量为1 369.76 mm，降雨主要集中在5月～8月。2012年～2016年，发生暴雨的雨峰靠前，雨型急促，降雨历时短。统计结果显示，雨峰系数为0.35。城区某一独立分流制排水区域位于秀山县西北部，如图1所示。

图1 研究区域区位图Fig.1 Geographical Location of Research Region

该区域集中了商业用地、住宅用地和工业用地的综合区块，总面积达1.12 km2，其中不透水面积为0.71 km2，占63.4%，透水面积为0.41 km2，占36.6%，区内包括了建筑、道路、绿地、草坪等。根据管道走向、建筑物分布以及坡度等因素，将研究区域划分为105个子汇水区，其中最小汇水面积为200 m2，最大汇水面积为1.98×104m2，管线总长为3 174 m，112段管段，管道直径为400～1 200 mm，埋深为2.33～ 4.36 m，105个雨水井，1个出水口，研究区域概化模型如图2所示。

图2 研究区域概化模型Fig.2 Generalized Model of Research Region

1.2 模型参数的率定与验证

(1)参数率定

在SWMM中，参数分为可测量的确定性参数和需要优化的不确定参数两类。其中，确定性参数包括汇水面积、平均坡度、漫流宽度、不透水面积与透水面积比例、管径及管长等，直接对收集的资料进行一定技术处理即可获得参数值；不确定参数包括地表洼蓄深度、地表曼宁系数、管道曼宁系数、下渗参数等，可通过参考推荐取值范围、相关文献、邻近类似区域的研究成果和实测资料等方式进行率定获得[8-11]。本文采用刘兴坡[12]提出的基于径流系数的模型参数校准方法，对模型主要参数进行预校准。利用2016年5月30日(09∶00～11∶14)的一场降雨实测数据(用于检测降雨的雨量记录仪安装于汇水区域的下游，图2)作为输入数据，采用Horton下渗模型，计算时间步长为1 min，对模型参数进行率定，经过反复调整、迭代计算，最终各参数取值如表1所示。

表1 SWMM参数取值Tab.1 SWMM Parameter Value

(2)模型验证

采用2016年6月4日一场典型暴雨，降雨历时为4 h。利用该降雨数据输入模型进行模拟，输出监测点水位过程线，将模拟结果与实测监测水位值进行验证，如图3所示。观测点监测数据与模拟结果的RMSE(均方根误差，也称标准差)为0.076。结果表明，本文构建的模型模拟准确性和可靠性高，可用于研究地块市政排水设施地表径流控制的模拟分析。

图3 实测水位与模拟计算水位结果比较Fig.3 Comparison of Calculation Results between Measured and Simulated Water Levels

2 现状雨水管网水力分析

2.1 不同情景模拟

(1)降雨模型参数

利用重庆暴雨强度公式合成芝加哥雨型，设计重现期P=1、2、3、5、10 a，雨峰系数r=0.35，降雨历时为120 min的降雨过程线，如图4所示。

(2)不同重现期模拟结果

对研究区域内不同重现期下的雨水管网、地表径流进行模拟，其地表径流特性、管网节点溢流与管段超载情况如表2和表3所示。重现期P=5、10 a的区域洪水分布情况如图5所示。

图4 不同重现期降雨过程线Fig.4 Rainfall Hydrograph under Different Return Period

图5 不同重现期下的内涝分布图Fig.5 Waterlogging Distribution Map under Different Return Period

表2 不同重现期地表径流分析Tab.2 Surface Runoff under Different Return Period

表3 不同重现期溢流节点和超载管段Tab.3 Overflow Nodes and Overloading Pipes under Different Return Period

2.2 雨水管网排水能力分析

由表3可知：在P=1 a时，管网排水能力良好，无节点溢流、管段超载发生；P=2 a时，1个节点出现溢流，9条管段超载；P=3 a时，4个节点发生溢流，13条管道发生不同程度的超载和满流，但时长都不足1 min，对管网的整体运行影响小，基本满足雨水管网3年一遇降雨强度的设计要求，符合客观事实；P=5 a时，26个节点发生超载，几乎是P=3 a时的7倍，其中最大超载时长达17.4 min，而发生不同程度超载的管道有37段，是P=3 a的3倍，大部分满流时间不足5 min，最大超载时长为17.4 min，出现严重超载现象，已超出管网排水能力；P=10 a时，节点与管道出现大规模的超载现象，超过整个管网1/2的节点发生溢流，超过3/4的管道发生超载，造成严重内涝问题。模拟结果表明，随着降雨强度的增加，地表径流不断增大，下渗损失逐渐增大，但趋势越来越小；雨水径流在城市不透水下垫面和管道系统中汇流时间较短，流速增大，使洪水峰值出现时间提前且导致洪峰流量急剧增加，势必会造成排放管道和下游河道的排涝负荷增加；随着降雨强度的增加，超载节点数与管道数量不断增加，超载时间也随之增大，从而造成城市内涝的发生。

由图5可知，内涝高风险区域主要集中在研究区域的上下游两端，而中间区域由于管道输送能力相对稳定，内涝风险较低。重现期P=5 a时，上游区域便已开始出现积水内涝现象，随着重现期的增大，下游区域逐渐发生积水内涝。

其主要原因如下。①不透水面的增加。城市化进程的加快导致地面硬化程度不断提高，不透水面积比例逐渐增大，以致雨水几乎以地面径流的形式通过雨水口进入雨水管网中，从而增加了管网排水负荷。②地形差异。上游地形低洼，在无排水设施区域长期积水，强降雨情况下，接收周围汇水区域的雨水，排水管网压力剧增，同时管径过小(仅为400～600 mm)也可能造成城市发生积水内涝。③管道敷设问题。上游发生积水可能是管道在实际施工过程中高程未严格按图施工，存在坡度过小，甚至在实际管道调查中发现少数管道敷设存在逆坡现象，导致上游雨水无法顺利排出。④河水倒流。该区域下游为秀山县梅江河，在高强度降雨情况下，河水可能倒灌导致下游发生内涝。因此，有必要采取有效的雨水控制技术，对排水系统进行改造优化，提高该区域的雨水控制能力。

3 研究区域雨洪控制系统改造方案

3.1 传统雨水传输过程控制

节点溢流较大、管道超载时间过长、内涝较为严重的地区，可采用翻埋大管径管道、敷设平行管道等方法，以缓解系统的排水输送压力，优化雨水管网。但这些措施受当地实际条件的限制，本研究设计校核的管网为已建成系统，且该地域管网完善度较低，翻修、改造实施难度大。因此，通过更新升级传统雨水输送系统的方案并不适用于本研究区域。

3.2 雨水源头控制

先进的雨水管理理念提倡采用分散式控制措施，在地表径流产生的源头上进行控制。目前，主要采用透水铺装、雨水花园、植草沟、绿色屋顶等LID措施，通过增加城市下垫面渗透性，实现雨水径流的自然渗透、存贮和利用。LID措施不仅可有效地减缓径流流量，降低管道的输送压力，还可控制径流污染，具有显著的经济和生态环境效益[13]。

本文结合秀山县海绵城市实际建设情况，遵循LID措施布设原则，提出了两种LID措施布设方案。各LID措施布设面积及所占比例如表4所示，LID措施平面布设如图6所示。

表4 LID措施面积及所占比例Tab.4 Area and Proportion of LID Measures

图6 LID方案设施平面布置图Fig.6 Layout of LID Facilities

方案一：透水铺装+植草沟。透水铺装指采用透水性良好、孔隙率高的材料代替现有的硬化路面铺装材料，在确保道路使用强度和耐久性的基础上，使暴雨径流能在短时间内渗入土壤或进入雨水管网，从而有效地减少径流峰值并延长排放时间[14-15]，其结构一般由表层、基层、蓄水层和排水管组成。方案一将传统人行道以及公共区域的部分硬化地面改为透水铺装，改造面积为0.3 km2，占总面积的26.79%。透水铺装的面层厚度为100 mm，孔隙比为0.15，基层和垫层厚度为200 mm，孔隙比为0.75。植草沟与普通绿地区别在于绿地高程低于路面，路面径流可流入，其利用植被、土壤、微生物的作用，截留和净化小流量雨水径流，超过绿地蓄渗容量的雨水经雨水口排入雨水管网[16]。方案一将研究区域道路边缘及公共区域改造为植草沟，面积达0.1 km2，蓄水深度为90 mm，洼地边坡为5(长度与竖向之比)，占总面积的8.93%。

方案二：透水铺装+植草沟+蓄水池。考虑造价和实际应用的便利性，本研究参考2016年修订的《室外排水设计规范》(GB 50014—2006)推荐，当排水管渠的输送能力不能满足要求时，可以采用调蓄池这一措施。根据用地规划，在发生超载的区域附近规划有公园绿地，可利用绿地修建雨水调蓄池，暂时存储超载的雨水量，避免管道超载现象的发生。在降雨径流洪峰过后可将调蓄池存储的雨水排入排放系统，也可经过适当处理后用于浇洒绿地或作为消防储水[17-18]。基于研究区域排水管网的现状情况，充分利用各子汇水区的自然条件，在方案一LID措施的基础上，选取管道超载及节点溢流严重的区域增设一个占地100 m2、深度为10 m、蓄水容积为490 m3的蓄水池设施，与超载节点相连。

两个方案的工程基建费用如表5所示。

表5 工程基建费用Tab.5 Capital Cost of Reconstruction

3.3 模拟结果与分析

选定研究区域内易发生内涝的区域以及道路两边区域(图5)，假设分别采用方案一和方案二中的LID措施进行模拟分析。由于现状管网基本满足重现期P=3 a的设计要求，本文模拟选定的易涝区域在重现期分别为P=5 a和P=10 a情况下的雨水径流削减情况，其地表径流、溢流节点数以及超载管道数的削减情况分别如表6和图7所示。

表6 两种方案在P=5 a和P=10 a下的模拟结果Tab.6 Simulation Results of Two Schemes underP=5 a and P=10 a

图7 不同方案在重现期P=5 a和P=10 a下的削减情况分析Fig.7 Reduction of Different Schemes under P=5 a and P=10 a

由表6可知，在同一方案下，随着重现期的增加，降雨强度不断加大，地表径流量随之增大，而节点溢流与管段超载情况也出现了不同程度的增强。对于同一降雨强度，两种方案有所不同，方案一在设计重现期P=10 a时，发生超载现象的节点有13个，超载率为12.4%，但并未形成地面积水与漫流，最大超载深度为0.68 m，最长超载时长为14.4 min，有25根管道达到满压流状态，最长超载时长为14 min，满流率为22.9%。由于方案二在方案一的基础上添加了蓄水池，对溢流节点及超载管段负荷起到了缓冲作用，在重现期P=5 a时，无节点溢流和管段超载现象，而在P=10 a时，仅有个别节点、管段不达标，基本满足要求。可见，采用方案一可满足设计雨强P=5 a时的要求，但当P=10 a时，方案二降低城市内涝风险的成效更为显著。

图7显示了不同设计重现期条件下，两种方案在径流总量、节点溢流和管段超载与传统开发模式(即未改造前雨洪控制模式)相比的削减情况。方案一在P=5 a时，对径流总量、溢流节点、超载管段的削减率分别为39%、96%和73%；方案二在相同降雨条件下，其削减率分别为54%、100%和100%，较方案一增加15%、4%和27%。方案一在P=10 a时，对径流总量、溢流节点和超载管段的削减率分别为21%、80%和57%，方案二在相同降雨条件下，其削减率分别为39%、95%和98%，分别增加了18%、16%和41%。由此可见，蓄水池对雨洪的控制是有效的，且随着重现期的增加，方案一对径流控制的效果降低得较方案二更快。结果表明，两种改造方案对排水管网系统的影响较为显著。方案二在P=10 a时对地表径流、节点溢流和管段超载的削减率与方案一在P=5 a时的削减率大致相同，且对于管道超载的削减率高达98%。由此可见，蓄水池在排水管网改造过程中具有一定的调控作用。因此，在设计过程中，应根据设计重现期的要求，确定最终的改造方案。在重现期P<10 a时，采用方案一即可满足要求；而当重现期P≥10 a时，方案一的控制效果将减弱，此时采用方案二则更佳。

4 结论

利用SWMM模型，对秀山县某区域现状雨水管网进行不同重现期模拟，发现该区域排水系统的内涝风险较大。提出“透水铺装+植草沟”和“透水铺装+植草沟+蓄水池”两种雨洪控制方案。当P<5 a时，可通过修正检查井、翻埋新管道等方式降低该地区的内涝风险；在考虑建设成本的前提下，当5 a≤P≤10 a时，可采用方案一(透水铺装+植草沟)；而当P>10 a时，则应采用LID措施与雨水调蓄池相结合(即透水铺装+植草沟+蓄水池)。设置植草沟、透水铺装和蓄水池等LID设施对降雨产生的洪峰有一定的削弱效果，在低重现期下，LID措施雨水控制效果更为显著。