基于SWMM模型的山前平原区城市排水防涝计算方法探究

(南京市雨花台区水务总站，江苏南京210017)

近年来，随着城市化进程的加快，城市硬化面积越来越大，内涝问题频现，造成了严重的经济损失和人员伤亡，因此，加强城市排水防涝能力建设，尤其是科学准确的计算城市暴雨径流显得尤其关键。中国西南地区，很多城市位于山丘区之间的盆地，随着快速化的城市化进程，当地天然产汇流机制发生了改变，传统的水文水利学计算方法如单位线法、等流时线法难以反映新的产汇流特性。同时，由于管理职能的不统一，城市地区防洪工程、排水工程规划设计采用不同的行业规范，如何解决由于计算方法的不统一而造成的排水防涝工程不匹配问题成为中国西南地区城市面临的主要难题。鉴此，本次研究以云南省昭通市为例，通过SWMM(Storm Water Management Model)模型研究其排水防涝计算方法，分析现状水系存在的主要问题，并对规划河道水情进行模拟分析，分析规划方案的合理性，以期为其他城市制定合理的排水防涝规划，提供对策和建议。

1 SWMM模型介绍

SWMM模型是动态的降雨径流模拟模型，由产流、汇流以及水质模拟模块组成，产流模块可综合处理汇水区所发生的降水、污染负荷和径流；汇流模块则通过渠道、管网、水泵等进行水量传输[1-2]。

产流计算中，依据研究区下垫面特点、土地利用性质等划分为不同的区域进行计算[3-4]，主要为不透水区和透水区，不透水区又可根据是否有洼蓄分为两部分，对无洼蓄的不透水区，降雨量即等于产流量；对有洼蓄的不透水区，降雨量减去填洼量即为产流量。汇流计算则是采用非线性水库法。近年来，城市内涝发生的越来越频繁，研究SWMM模型的论文也越来越多，朱靖等撰写的《SWMM模型在西南地区山前平原城市防涝计算中的应用》、胡莎等撰写的《基于SWMM模型的山前平原城市水系排涝规划》都对SWMM模型原理进行了详细的解读，在此不再详细描述，模型的原理详见文献[5-8]。

2 研究区SWMM模型构建

2.1 研究区概况及子流域概化

昭通市位于云南省东北部金沙江下游，是云南省连接长江经济带的重要门户。地势西南低、东北高，属典型的高原山地构造地形，坡降较大，主城区面积23 km2，区内地势平坦，地表水系发达，有一条主要河道由东北向西南贯穿城区，沿途纳入3条支流，是主城区及上游山丘区主要泄洪通道，具有排泄沿途涝水及上游水库泄洪双重作用。该河道上游有2座水库，库容分别为121.00万、102.66万m3。上游山丘区洪水峰高量大，宜采用天然流域水文水力计算方法，但城区管道排水系统由于河道水位的倒灌和顶托以及传统管道设计方法的不足，采用天然流域水文水利计算方法已难以反映该市主城区的产汇流特征。

在运用SWMM模型进行模拟分析时，首先要进行子流域和管网概化，根据土地性质及高程信息，将研究区划分为3部分。第一部分，流域上游山丘区，

根据《云南省暴雨洪水查算图表实用手册》进行产汇流计算，水库调蓄计算按水库汛期调度模式进行；第二部分，中心城区外围郊区，地势较为平缓，未规划雨水管网，主要是根据地形资料进行分区，共划分为12个区域，总面积24.1 km2，采用SWMM模型进行演算；第三部分，流域中下游主城区，总面积60.8 km2，根据现状管网汇水范围，划分为202个区域，采用SWMM模型进行演算。流域分区划分示意见图1[9-11]。

图1 流域分区划分示意

2.2 参数选择

研究区子区域汇水面积、平均坡度及特征宽度可由土地类型分布图获得，管径大小、管长、检查井标高等根据雨水工程现状图获得。入渗采用霍顿模型进行模拟，管道汇流采用动力波演算，汇流时间步长取10 s，设计暴雨历时取24 h，考虑产汇流时效性，模拟时段延长到48 h，在汇流过程中，若节点入流量超过管道、河道输送能力，会溢出系统，产生地面积水[12]。参数取值具体见表1。模型其他参数主要参考《SWMM模型用户手册》及相关文献[13]，在后期模型率定过程中做调整。

2.3 模型率定

运用构建的SWMM模型模拟研究区在2014—2017年12次典型降雨下，模拟内涝结果与实测结果对比情况，从而检验模型参数选择的合理性[14]。图2列出了实测积水面积与模拟结果对比情况。

表1 研究区参数取值

图2 实测积水面积与模拟结果对比情况

从结果看，模拟结果与实测积水面积总体上还是吻合的，由此可见，模型参数选择及区域概化还是符合研究区实际情况的，由于模型只概化主干管，无法模拟管道破损、堵塞等情况，所以模拟结果与实测结果存在微小偏差，总体比实测面积小。

模拟计算针对10年一遇设计暴雨，对模型中的不透水率、透水区洼蓄、下渗参数等关键参数进行参数敏感性分析，以分析参数对计算结果的影响和敏感程度，为参数率定和选择提供参考[15](表2)。

表2 主要参数敏感性分析结果

3 模拟结果及分析

3.1 设计暴雨计算

昭通气象站属国家基本测站，由专业人员进行资料观测、整编，经过主管部门审批，正式刊印，资料可靠。设计暴雨计算采用昭通站短历时雨量资料，计算设计区域设计暴雨。根据本次收集到的1983、1986、1988—2009年共计24 a的年最大1、6、24 h暴雨系列，采用P-Ⅲ型频率曲线，对最大1、6、24 h暴雨进行频率计算，根据《云南省24小时暴雨分区综合雨型表》得到本区域24 h暴雨历时分配过程，进而输入模型进行计算[16-17]。

3.2 现状河道水情模拟及原因分析

3.2.1现状河道水情模拟结果

为找出现状河道存在的问题，需首先分析现状河道的涝情分布。上游水库出库流量过程线作为边界入流条件，设计降雨过程作为研究区入流条件，采用SWMM模型模拟入流归槽情形下，骨干河道及其支流5年一遇和10年一遇河道水情和涝情。由于研究区堤防设计标准基本是10年一遇，降雨超过10年一遇时，河道普遍出现漫溢，本次不进行模拟。

根据现状水系模拟结果可知，当研究区遭遇5年一遇降雨时，除了山丘区和郊区所处的上游段可抵抗5年一遇降雨外，穿越主城区的河道水位大部分超过了河岸高程，出现了河水漫溢及内涝现象，内涝最严重的是老城区段，最高水位普遍高于河岸高程。当研究区遭遇10年一遇降雨时，全程河道水位普遍超过河岸高程，出现了河道全程漫溢现象。因此，在现状条件下，老城区河段达不到5年一遇排涝标准，全流域达不到10年一遇排涝标准。

当研究区遭遇5年一遇降雨时，积水深度大于10 cm的节点有25个，约占研究区总节点数的5.0%，大于30 cm的节点有7个，约占研究区总节点数的1.4%；对于10年一遇降雨，已经远超城市排水标准，管网内部多呈压力流，结果表明，地面积水深度大于10 cm的节点有62个，约占节点总数的12.4%。不同降雨重现期积水深度较大的节点数见表3，积水点分布见图3、4。

表3 不同降雨重现期、不同积水深度的内涝点数

图3 城市5年一遇积水点分布

图4 城市10年一遇积水点分布

3.2.2原因分析

根据现场调查及模拟结果分析，现状水系河道淤积严重、堤防薄弱、老城区河道过流不畅，造成城市内涝时有发生。

a) 河道淤积严重。研究区水土流失严重，造成河床淤积抬升；部分河段居民环保意识淡薄，随意向河道乱扔垃圾废料，导致河道淤积，河床抬高，部分河道深度仅为1 m，过水断面减小，影响了河道的排涝，极其容易发生漫堤现象。

b) 河道堤防薄弱。研究区河道修建于20世纪90年代以前，河堤总体建设零散，呈现新老交替格局，型式、规模上各有差异，其中多数河堤修建年代较早，局部变形和坍塌严重，部分河段由于基础埋深较浅，基础被水流掏空，坍塌严重。

3.2.3现状问题解决方案

针对河道存在的问题，根据研究区实际情况，提出以下3种河道整治工程方案，分析其对内涝的缓解效果。

a) 方案一：采取低影响开发措施，各分区不透水率降低5%。效果分析：当研究区遭遇5年一遇降雨时，河道水位普遍降低约10 cm，上游及中游河段河水漫溢现象有所缓解，但下游段河道漫溢现象仍然存在；当研究区遭遇10年一遇降雨时，中下游段涝情仍然显著，断面0+000至3+841普遍高于河岸或堤防高程0.74 m，最高水位仍超过河岸高程1.3 m以上。因此研究区采取低影响开发措施后，基本能达到5年一遇排涝标准，但是仍然达不到10年一遇排涝标准。

b) 方案二：清淤河道10 cm。效果分析：当研究区遭遇5年一遇降雨时，全流域最高水位普遍下降10 cm，但是仍无法解决中下游段涝情；当研究区遭遇10年一遇降雨时，中下游内涝仍然严重。

c) 方案三：以上2个方案同时实施。效果分析：当研究区遭遇5年一遇降雨时，河道水位降低明显，几乎没有漫溢现象；当遭遇10年一遇降雨时，下游段0+000至8+925的中下游河段涝情有所缓解但仍然存在，最高水位仍然超过河岸高程0.5 m以上。

因此，在城市总体规划条件下，采取低影响开发措施及河道清淤对降低河道水位及缓解涝情有一定帮助，特别对于5年一遇降雨，缓解作用更加明显；但是对于10年一遇降雨，河水漫溢及内涝现象仍然存在，要想缓解城市内涝，需要进行大规模的河道整治。

3.3 规划河道水情模拟及分析

3.3.1河道设计思路

根据河道现状分析和整治要求，制定了研究区主要河道整治的初步方案，为了分析城市总体规划条件下区域的排涝能力，论证河道设计方案的合理性和可行性，针对规划河道，模拟5年一遇和10年一遇条件下，管网排水与河道排涝能力。暴雨重现期达到20年一遇时，上游水库下泄流量显著增加，增加分析在流域遭遇20年一遇暴雨时，河道水情及安全状况。

3.3.2模拟结果及分析

按照研究区中心城区规划土地利用条件和排水管网，由设计暴雨过程、相应的水库入库流量过程线，针对河道设计方案，采用SWMM模型模拟河道水情和涝情。

a) 5年一遇水情分析：对于规划排水管网系统及河道设计方案，由计算结果可知，城市地面基本没有积水现象，模拟得出5年一遇河道最高水位，显著低于堤防设计高程，满足河道排涝要求。

b) 10年一遇水情分析：对于10年一遇降雨所形成的径流，已经超过管道排水标准，模拟结果表明，积水深度大于10 cm节点有12个，约占城市节点总数的2%。总体说来，地面积水不算严重。在地面涝水归槽情况下，河道最高水位也低于堤防设计高程，满足10年一遇河道排涝要求。

c) 20年一遇水情分析：当流域遭遇20年一遇暴雨时，暴雨径流显著超过管道系统排水能力，水库下泄最大流量增加到43.9 m3/s。根据SWMM模拟结果，河道沿程最高水位均低于两岸河岸或堤防高程，河道可以顺利地排除水库下泄洪水及沿河涝水，不会出现漫溢状况，整体是安全的。

4 结论

a) 本次模型构建考虑到了城市不同下垫面类型、管道排水、地面产汇流等特征，能够反映城市的性质，模型参数的选择也符合研究区特征。

b) 运用SWMM模型模拟研究区现状河道水情，并分析内涝产生的原因，从而提出合理的整治方案，且模拟了整治方案的适用性和可行性，这一思路可为其他城市制定排水防涝规划提供很好的参考。

c) 传统的水文计算方法不能适用于复杂河网水文水力计算，更不能模拟城市内涝情形，本次研究表明，SWMM模型在城市排水防涝规划中具有很好的适用性。