基于SWMM的城市雨水管网优化设计

陈梓迁，田蕾

（中交第二航务工程勘察设计院有限公司，湖北 武汉 430000）

根据设计地区的暴雨强度公式与管网恒定流理论进行排水管网设计计算已经采用多年，而恒定均匀流理论公式假定整个汇水面积上降雨均匀分布，忽略了降雨的时空分布特征；对于地表雨水产汇流路径等内容的假设较为简单化，结果难以反映真实产汇流具体路径；理论公式推导计算洪峰流量适用于较小区域的设计，应用于较大汇水流域时计算精度偏低。SWMM模型主要包括城市暴雨径流和水质模拟模型，其模拟精度高，适用范围广，已在国内外广泛使用。

1 研究区域雨水管网设计

1.1 研究区域概况

拟建武汉航空企业总部区域地处江汉平原东部，沿线场地地势起伏较大，自然地面标高一般在21.30～34.80m之间。区域拟建设内容涵盖市政道路、桥梁、给排水、照明等。本次研究范围为武汉航空企业总部区域配套工程（四期）景星路至景云路，庆云西路至任凯湖路围成的地块（以下简称临空投），见图1。

1.2 雨水管网初步设计

采用武汉市暴雨强度公式：

式中：q 设计暴雨强度（L/s·ha）；P 设计暴雨重现期（年）；t 降雨历时（min）；F 汇水面积（ha）。

根据上位资料，设计暴雨重现期取为3年，综合径流系数ψ取为0.70，汇流时间取为10min。采用泰勒多边形法划分汇水面积，雨水就近汇入临近管道为原则进行设计计算，对研究区域内景星路、景云路、任凯湖路等12条市政道路下雨水管网进行了初步设计。设计研究区域共计610个雨水检查井和10个排水口；雨水主干管总长约14980m，两检查井间距约为30～120m之间，最小管径为DN600，最大管径为DN1800；汇水区域总面积约为163ha。

2 研究区域模型的建立

2.1 SWMM模型简介

SWMM可以计算模拟城市区域内包括地表蒸发、时变降雨量、融雪和积雪、洼地产生的降雨截留、降雨对地下水的补给、地表径流演算、降雨污染物输送等水文过程。SWMM模型自开发以来经历多个版本的优化更新，本文采用2016年9月发布的SWMM5.1.011。

2.2 研究区域概化

在满足真实管网水力状况和模拟计算精度要求下，选取每段管网关键性节点，略去不必要的地块内支状管网，保留主要的排水管线，提出以下两种假设：（1）降雨在整个区域上是均匀的，子汇水区域内降雨强度相等。（2）子汇水区域内雨水就近汇入管网节点。

根据临空投雨水管网初步设计，将研究区域划分为266个子汇水区，雨水管网概化为125个节点和125段管道，10个雨水排放口。研究区域排水系统概化如图2所示。

图1 研究区域范围示意图

图2 临空投区域排水系统SWMM概化图

2.3 模型参数的设定

与研究区域匹配是模型参数是保证模型科学准确的前提条件。本文将SWMM模型参数分为可确定性参数和待校准参数。对可确定性参数可通过初步设计资料获取，其中管道采用钢筋混凝土管，曼宁系数取0.013。根据区域用地和路网高程规划，平均坡度计算约为1%。地表漫流宽度选用公式：Witdth=Area/Flow Length。根据相关研究成果，针对不同的土地使用类型确定不透水面积百分比，如表1所示。通过计算可得本研究范围内平均不渗透面积率为60.61。

对拟建工程项目进行模拟，虽无管网运行实测数据作为验证，但采用现有的同城市同建设条件区域的经校正的模型参数进行模拟，结果还是基本可靠的。参考SWMM模型手册中典型取值范围、不同地表类型径流和武汉市排水建模的相关文献，对模型待校准参数进行设定。（1）土壤入渗模型。土壤入渗采用Horton模型，最大入渗速率为50.8mm，最小入渗速率为6.6mm，衰减系数为4h-1。（2）产汇流模型。透水区曼宁系数为0.13，不透水区曼宁系数为0.015；透水区洼蓄量5mm，不透水区洼蓄量1.52mm。汇流模型采用非线性水库模型。（3）水力模型采用动力波模型。

表1 不同土地利用类型不渗透面积百分比

根据河湖规划资料，低于最高调蓄水位的排水口有3处，该3处排放口设置拍门，采用固定阶段排放模式，其余排放口设置为自由出流模式。

3 排水管网水力模拟

3.1 设计雨型及雨量

采用式（1）暴雨强度公式，雨型采用芝加哥雨型，降雨重现期为P=2年、3年、5年，降雨历时为120min。根据武汉市排水防涝系统规划设计标准，雨峰系数r取值如下：P=2年时，r=0.40；P=3年时，r=0.40；P=5年时，r=0.45。设计雨型如图3所示。

图3 设计降雨雨型

3.2 模拟结果分析

采用暴雨重现期分别为2年、3年、5年，降雨2h作为初始条件，模拟该研究区域节点积水情况。不同暴雨重现期节点溢流情况如表2所示。

表2 不同重现期下节点溢流情况

模拟结果表明，依据初步设计建立的管网模型，总体上基本满足3年重现期降雨要求，重现期为5年时积水点增多。在实际情况下，如果节点溢流时间达到1h以上，很有可能在雨水口附近道路处产生路面积水，造成城市内涝。因此在2～5年重现期暴雨强度下，本研究区域无内涝发生。节点有积水产生说明管道超负荷运行，排水能力达不到规范设计文件要求的临界满流状态。在该设计条件下，节点积水时间较小，通过局部管线优化，可达到P=5年的设计降雨负荷。

4 管线优化方案

4.1 调整管道坡度

坡度可以增大管内水流速度，增大管道过流能力。以初步设计为基础的模型上，调整管道坡度会改变下游管道埋深，为保证调整最少管道坡度的原则下，忽略管道变径处非管顶平接带来的不利水力条件影响，对调整管道坡度后再次进行模拟，模拟结果如表3所示。

表3 管道坡度调整与节点积水时间

根据模拟结果分析可知，通过调整管道坡度增大管道过水能力的方法，对减小短时间积水的节点效果颇为明显，对长时间积水的节点效果有限。由管网系统可知，J25、J100和J118节点位于其排水系统前端，J99、J41、J63和J113位于其排水系统末端，因下游管网过水能力的限制和水位顶托作用，调整位于排水系统前端管网的坡度对降低其积水时间影响较小，而下游管线管径一般较大，调节能力强，调整坡度可以形成“快排”的效果，对位于排水系统末端的管网效果显著。

4.2 改变管道管径

增大管径可以扩大过水断面，增大管道过流能力。以初步设计为基础的模型上，为保证调整最少管道管径的原则下，分别就扩大一级管径进行研究，管道原则上采用管顶平接。对调整管道管径后再次进行模拟。由表5可知，扩大下游管道的管径可显著减小积水时间，防止城市内涝的发生。

4.3 优化措施及效果

节点积水时间受周边用地属性、管径、坡度和管道粗糙系数等因素的影响。研究区域用地性质已确定，下垫面参数基本固定。通过调整管道材料，改变管道粗糙系数以增加水流速度缩短节点积水时间的效果不是很明显。本研究区域调整管道管径和管道坡度是解决节点积水的主要方法。根据以上分析结果，将管网系统中位于末端的大口径管段调整坡度，靠近前端小口径管道扩大管径，这样不仅经济合理且水流顺畅。具体措施如下：J25、J100和J118节点对应的下游管道G79、G80、G81、 G111由初设设计的D600扩大为D800，J99对应的下游管道G78由1.0‰调整为1.5‰，J41和 J63对应的下游管道G102 和G31由3.0‰调整为3.5‰，J113对应的下游管道G101由1.5‰调整为2.0‰。将调整模型再次运行，所有节点均无积水产生。

表5 管道管径调整与节点积水时间

5 结语

采用传统恒定均匀流理论和泰勒多边形法划分汇水面积设计计算雨水管网基本可以满足城市排涝要求。利用传统计算手段和同地区的SWMM参数构建雨水管网模型，可用作对管网设计的校核和优化。

在对雨水管网的模拟中，分别研究调整管道坡度和管径对节点积水时间的影响，得出调整管径对降低节点积水时间更为明显。通过对节点上下游管网关系进行分析，得出位于管网前端的节点积水主要是因为下游管道管径偏小，节点水流不畅所致；位于管网末端的节点积水主要是因为管道水力坡度偏小，管道雍水所致。通过优化前端和末端管网的管径以及坡度，设计重现期为3年的雨水管网系统，可以满足设计暴雨重现期P=5年的排水要求。