基于SWMM的高速公路服务区排水系统优化研究

王 丽 娟，江 卜 涛，李 晓 宁，王 莹

(河北工业大学 土木与交通学院，天津 300401)

大暴雨或持续强降雨天气下，雨水不能及时进入排水管网或其从雨水井溢流出，沿道路转移至地势低处，导致低洼区内涝灾害严重。高速公路服务区发生内涝会出现员工通道积水、出入匝道损毁、停水停电等灾情，给服务区正常工作带来影响，甚至可能会导致服务区的围墙、护坡及临近山体塌方,车辆失控引发交通事故等问题，给人们生命与财产安全带来隐患。SWMM模型用于已广泛应用于城市内涝的预测和研究，通用性较好。然而传统的SWMM模型无法同时模拟地下管网满流与地表漫流的积水高度问题，缺乏地表径流和雨水管网的数据交换[1]。为解决传统一维模型无法处理地表漫流的问题，邵银霞等[2]提出了包含街道和管道的双层排水结构计算模型，用来模拟街面积水和过流过程，但当区域较大时，计算量会比较大。SWMM模型中也有类似的双排水系统理论，双排水系统是一种既考虑地下管网排水又考虑地表漫流的排水系统，在暴雨时期路面径流系统与地下排水管道系统中的雨水进行不断交换，形成“竖向环状”的排水系统。王兆斌等[3]和路雨等[4]就双排水系统理论分别对城市下穿隧道和某核设施厂址进行雨水内涝模拟分析，模拟结果与观测值和计算值较吻合,但是这两个案例应用情况比较特殊且缺乏具体的建模过程和内涝积水解决方案。

本文以服务区为例，探索如何建立SWMM双排水系统理论模型，分析小型排水系统(雨水管网)和大型排水系统(路面)[5]的排水情况，并进行低影响开发(LID)设计，为排水系统的优化设计提供技术支撑。

1 研究区域概况

某高速公路服务区总占地面积约6 hm2，分别建设在高速公路两边，地势比高速公路低，三面环山，不利排水。1970～2009年平均年降水量893 mm，最大年降水量1 409 mm(1983年)，最小年降水量575 mm(1997年)，相差2.5倍。该服务区整体西高东低，最大坡度0.089，最小坡度0.005。因两边对称建设，取一侧分析，排水区域总面积为约30 000 m2。

图1 汇水区域划分及管道分布Fig.1 Catchment area division and pipeline distribution

2 研究区域模型构建

2.1 SWWM模型

SWMM全称是暴雨管理模型，是一个基于水动力学的综合性城市径流模拟系统。目前已更新至SWMM5.1(V5.1.010)版本，模型具有非常好的操作界面和完善的处理功能，并且结果可以用多种形式进行直观的表达[6]。

(1) 地表产流计算。SWMM模型一般将研究区域划分为若干个子汇水区域，每个子汇水区域根据地表渗透性可分为有洼蓄量不透水区、无洼蓄量不透水区、透水区，将这3个区域的径流流量相加即得该子汇水区域径流流量[7]。在入渗计算过程中，SWMM提供了经典霍顿方程、修正霍顿方程、格林安普特方程、径流曲线数值方法4种入渗模型。

(2) 地表汇流计算。地表汇流演算是指各个子汇水区域将雨水汇集到子汇水区域出口的演进过程。在SWMM模型中，将各个子汇水区域近似为一个水深很浅的非线性水库进行模拟处理。非线性水库模型是由连续方程跟曼宁公式耦合进行求解的。

(3) 排水管网汇流计算。SWMM中，管网的汇流过程采用圣维南方程组求解，即联立连续方程和动量方程来求解模拟渐变非恒定流[8]，模型中提供了运动波法和动态波法。

此次研究中采用了动态波法方程进行模拟，动态波演算可以考虑渠道蓄水、回水、进口/出口损失、流向逆转和压力流；可以使模型对实际管网中存在的洪流、超载流进行模拟；对于复杂多变的水流计算，动态波的计算能力更稳定。

2.2 研究区域排水系统概化

基于SWMM模型，根据建筑、停车场地和路面分布，并结合路面坡度及管网布置进行划分；其中停车场地因为地面中间略高两边略低划分了4个子汇水区域，4个主要建筑划分了4个子汇水区域，公路路面左右各划分了2个，并根据服务区规划图将剩下区域分了5个子汇水区域。最终研究区区域被划分成子汇水区域15个(ZMJ1-ZMJ15)，雨水管段15条(GQ1～GQ15)，节点15个(1～15)，排水口两个(PFK1和PFK2)。

整个研究区域概化的SWMM模型如图1所示。

2.3 单排水系统模拟

2.3.1 研究参数设置

管道埋深、管道入口和出口偏移量、管道直径、坡度及节点参数由雨水管网规划图及借助GIS获得。汇水面积、管道长度等参数在SWMM中绘制时自动生成。结合服务区的实际情况及参考《SWMM模型用户手册》[6]中列出的推荐值，霍顿模型中的最大入渗率、最小渗透率和衰减速率常数分别取为80 mm/h、4 mm/h和6.5 h-1；透水区和不透水区洼蓄量分别为12 mm和2 mm[9]；透水区和不透水区的曼宁系数取0.24[10]和0.015；混凝土管道粗糙系数为0.014。服务区排水系统根据地形特点被划分为2条排水干道，2个排水出口，选用在我国排水管渠设计中常用的芝加哥雨型，查阅相关资料得到暴雨强度公式：

(1)

式中，q为设计暴雨强度，L/(s·hm2)；t为降雨历时，min；P为设计重现期，a。

本次研究P取2,5,20 a；模拟时间t取120 min，降雨峰值比例r取0.40。

2.3.2 模拟结果分析

对于重现期为2 a一遇的暴雨不发生管道超载，重现期为5 a和20 a一遇的暴雨均出现部分管道超载，见表1。通过传统的SWMM水力模拟无法分析超负荷排水形成的雨水地表漫流问题。为了分析地表积水状况，我们还需要对服务区完善建模分析，即采用SWMM中的双排水系统理论模型。

2.4 双排水系统模拟

2.4.1 研究参数设置

根据道路的横截面数据进行建模，将部分路面和路边侧边石概化成地面雨水漫流的渠道，如图2所示，在接有雨水口的雨水井处设置连接管作为连接街道地表径流系统和地下排水系统的连通通道，用于模拟两个排水系统之间的水量交换。将服务区概化为9条地表漫流渠道(C1～C9)，分别设置在地下管道GQ14，GQ3，GQ5，GQ6，GQ10，GQ8，GQ9，GQ11，GQ15上，地下管道和地表漫流渠道通过地下管道两端节点进行连接，以便地表漫流渠道和地下管道之间的水量交换(如节点1和节点8作为地表漫流渠道C1和地下管道GQ14连通通道起水量交换的作用)，地表漫流渠道偏移高度依据地表标高及坡度进行设置。SWMM模型中的横截面编辑器可用来定义路面渠道的断面，横截面是描述底部高程如何随着天然渠道或形状不规则管道横截面上的水平距离改变而变化的几何图形数据。本文选择不规则横截面用于模拟表漫流排水，路面宽度、路面横坡(Sx)坡度和路边高度根据实际地表路面断面情况进行设定，具体见表2，边沟坡度依据地形坡度调整设置。

表1 不同暴雨重现期下管道超载情况Tab.1 Pipeline overload under different rainstorm recurrences

图2 地表系统Fig.2 Surface system

2.4.2 模拟结果分析

对于重现期为2 a和5 a一遇的暴雨不发生节点超载和地表渠道积水；而对于重现期为20 a一遇的暴雨，节点3,4,5,10出现节点超载，最大超载深度分别为11,22,5,25 cm。地表漫流渠道C2(ZMJ1、ZMJ4和ZMJ6之间)、C3(ZMJ7内)、C7(ZMJ3和ZMJ10之间)处将发生地表积水，最大积水深度分别为22,10,30 cm。最大积水深度发生在服务区东北方向C7处(ZMJ3和ZMJ10之间)为30 cm，主要原因是该处的地势较低，周边雨水通过地表漫流由地势较高的地方汇集到这。此时若遇大量人员停车，积水深度将进一步增加。

表2 地表渠道概化Tab.2 Generalization of the surface channels

3 排水系统优化

通过传统建模分析可知，对于5 a和20 a一遇的暴雨，服务区出现部分管道超载；通过双排水系统建模分析可知，对于20 a一遇的暴雨服务区出现部分节点超载和地表积水。为保证暴雨时服务区的正常工作，有必要对服务区的排水系统进行优化。低影响开发(LID)是一种采用源头控制理念实现雨水控制与利用的雨水管理方法，具有降低雨水汇集速度，延缓洪峰出现时间，降低排水强度，缓解降雨时的排水压力的作用。基于低影响开发(LID)理念，对服务区进行低影响开发(LID)设计以缓解服务区雨水排放问题，除了低影响开发(LID)外，还有管径修改等传统方法也可用于服务区排水系统优化。

3.1 LID模型构建

SWMM 5.1版本中提供了生物滞留池、透水铺装(沥青)、绿色屋顶、渗渠、雨水花园、雨水桶、草洼7种LID设施。这些LID设施可通过参数来表示，并结合SWMM 模型中的调蓄、渗透及蒸发等水文过程，实现 LID 技术措施对场地径流量、峰值流量的效果评估。本例依据服务区的特点，通过绿色屋顶，透水铺装(非行车路面)，透水沥青(停车场地及降温车道)和下凹式绿地这4类措施进行改造[11-15]。绿色屋顶赋予汇水区ZMJ1,ZMJ2,ZMJ3和ZMJ7，渗透铺装赋予ZMJ1,ZMJ2,ZMJ3和ZMJ6,ZMJ7，透水沥青赋予ZMJ4,ZMJ5,ZMJ8和ZMJ9内的停车场地内，除ZMJ11-ZMJ15外，对于非行驶路面均设置适当的下凹式绿地。为保证安全，行车路面不进行LID改造。将这些LID设施通过SWMM模型来评估预期效果，输入各LID运行参数[16]，绿色屋顶土壤层厚度取80 mm，滞蓄深度取50 mm；透水铺装的表面层厚度为100 mm，表面粗糙度为0.014，路面层厚度为150 mm，空隙比为0.21，蓄水层厚度取250 mm；透水沥青的表面坡度为1.5%，表面粗糙度为0.013，透水层厚度为40 mm，空隙比为0.20；下凹式绿地的表面蓄水深度为150 mm，土壤层厚度为800 mm，孔隙率0.18，蓄水层高度700 mm，空隙比为0.3，导水率0.1；运行模拟。

3.2 LID结果分析

经过LID改造后，服务区峰值流量和径流流量明显减少，见图3；地表径流流量的减少导致进入管道的流量减少，缓解了地下管网排水压力。再结合模拟结果，可以分析得出以下结论：对于重现期为5 a一遇的暴雨，地下管道已无超载现象；对于重现期为20 a一遇的暴雨，节点超载情况已消除，地表积水也未出现，但GQ1,GQ3,GQ14,GQ15仍出现超载情况。主要是由于这四块区域大部分为车行路面，LID比例低。

图3 5、20 a一遇暴雨LID前后径流流量Fig.3 Runoff flow before and after LID for a rainstorm of 5 year and 20 year

通过低影响开发措施(LID)设计，该服务区基本已经解决了雨水排放的问题。对于排水要求较高或者LID改造困难的地方，也可以通过管径优化使得区域排水更加安全可靠[17]。

表3 管道尺寸修改Tab.3 Modification of pipe size m

3.3 管径优化

通过迭代法修改管道的管径，模拟运行，直到SWMM结果报告中管渠超载总结说明没有管渠超载，而且对于所有管道，管段流量总结中最大/完全水深比的数值接近0.85(考虑安全因子为15%，为了减少超载的风险)。修改后的管径及最大/完全深度，见表3。

通过设置低影响开发措施LID措施及管道尺寸修改，可保证该服务区对20 a一遇的暴雨，不发生管道超载和地表积水，服务区的排水和内涝问题能得到有效解决。

4 结 论

(1) 利用双排水系统理论，可分析模拟出服务区地下和地表系统的排水情形；并且可准确快速地分析地下管网和地表系统的积水状况，同时可以找出积水点及最大积水深度。

(2) 通过对服务区建设透水沥青路面、透水铺装、下凹式绿地等LID设施，可有效缓解服务区积水问题。但是对于排水要求较高或者LID改造困难的地方，可以通过管径优化使得区域排水更加安全可靠。

(3) 采用双排水理论进行积水深度分析，对新老服务区排水系统优化设计具有一定的理论指导意义，对于其它类似区域也有借鉴作用。