基于SWMM西湖雨水排水系统排水能力达标性模拟分析

潘 洋 姜应和

(武汉理工大学土木工程与建筑学院，湖北 武汉 430000)

1 概述

近年来我国城市化进展迅速，未开发的自然渗透性地面逐渐被替换成不渗透性的屋顶和路面，城市化后的区域径流系数大幅上升[1]。而现有的老城区排水管网设计的排水标准普遍较低，同等暴雨重现期条件下，难以满足新的下垫面的雨水排放需求，容易出现管网漫流、局部区域滞水，呈现近年来热门的内涝现象[2,3]。城市暴雨管理模型(Storm Water Management Model，SWMM)常用于模拟雨水排水系统[4-6]，笔者以天门市西湖汇水区为研究对象，利用SWMM对现状西湖排水系统进行模拟，评估现状排水系统排水能力的达标性。

2 区域概况及模型构建

2.1 研究区域概况

天门市处于湖北省中南部，江汉平原北部，属于亚热带季风气候，受东亚季风的影响，降水过程频繁，暴雨日数多[7]。西湖汇水区位于天门市主城区西北部，地貌呈现为四面地势较高、中部地势较低的形态。研究区域面积约261.7 hm2，主要为陆羽大道以南、天门河以北、西湖路以西、水厂路以东的老城区。雨水经管道收集后排入西湖，一般情况下直排天门河，当天门河处于洪水位时经西湖电排站抽排至天门河。

2.2 SWMM概化模型构建

SWMM是美国环保局专为城市研发的动态降雨—径流模型，包括水文、水力、水质和低影响开发模块[8,9]。根据西湖汇水区的雨水管网及地形资料，构建该区域的SWMM概化模型，由于研究区域面积大小约为2 km2，属小汇水流域，可假设区域内降雨均匀分布。

将研究区域概化为116个子汇水区、83个管段、83个节点、1个蓄水池，其结果如图1所示。蓄水池的原型便是该汇水区的西湖，作为调蓄排涝的湖泊，是整个西湖汇水区雨水汇聚的中心。除汇入西湖的管道连接到调蓄湖之外，另设一泵站连接调蓄湖泊，当调蓄湖水位上升至起排水位时，泵站便开始工作，将西湖内含雨水的湖水抽排至天门河，因此西湖可起到一定的调节径流量的功效。

2.3 模型参数确定

SWMM模型参数主要分为两类：一类是本身具有实际物理意义的参数，如管道直径、管道长度、管底标高、地面标高、管底坡度、子汇水面积等，可以通过查阅雨水管网资料或直接从地形图测量获取；另一类是模型推导过程中衍生出来的参数，如管道曼宁系数、地表曼宁系数、不透水地表的洼蓄量、透水地表的洼蓄量等，可通过查询模型手册或参照相关文献取值。

模拟采用Horton入渗模型，研究区域最大渗入速率取76.2 mm/h，最小渗入速率取3.30 mm/h，下渗速率衰减常数取4 h-1，排干时间取7 d；地表径流的汇流计算采用非线性水库模型，排水系统流量的水力模型选用动力波。

汇水区产流参数取值如表1所示。

表1 汇水区产流参数取值

2.4 模拟雨型设定

对于天门市老城区，原有雨水排水系统的暴雨设计重现期P=1年，而新颁布的GB 50014—2006室外排水设计规范(2016年版)要求人口规模如天门市的排水系统至少满足暴雨设计重现期P=2年，故本文的设计暴雨重现期分别取1年和2年，评估现状排水系统在P=1年和P=2年暴雨事件情境下的排水性能。

本文模拟以排涝评估为目的，设计降雨采用24 h长历时雨型。评估天门市设计降雨量按《湖北省暴雨参数图集》计算求得，P=1年和P=2年时24 h设计降雨量分别为50.57 mm和103.01 mm。

天门市缺乏系统的暴雨雨型统计分析结果，武汉市与天门市较近，可借用《武汉市排水防涝系统规划设计标准》中的“武汉市24小时暴雨逐时雨量分配表”，雨型分配如图2所示，降雨峰值出现在第16小时。

根据天门市24 h降雨量及每时段降雨比例分配，可得到P=1年和P=2年时的暴雨雨型曲线如图3所示，并对降雨量、平均降雨量、峰值降雨量进行统计，其结果如表2所示。

表2P=1年和P=2年设计暴雨雨型主要参数统计表

重现期/年24 h降雨量/mm平均降雨量/mm·h-1峰值降雨量/mm·h-1P=150.552.1119.67P=2103.034.2940.07

3 排水系统排水能力评估

分别在P=1年和P=2年重现期暴雨事件发生的情况下，模拟分析现状排水系统的节点溢流和管段超载情况。

3.1 节点溢流分析

以P=1年重现期暴雨进行西湖汇水区雨水径流模拟，该情景下发生溢流的节点统计如表3所示。

表3 P=1年时现状排水系统溢流节点汇总表

由表3可知，即使按设计重现期P=1年的暴雨对西湖汇水区进行雨水径流模拟，83个节点中仍有13个节点有溢流现象，溢流节点占比为15.7%。

为了更直观地把上述溢流节点呈现出来，以圈标记溢流点，圈的面积越大溢流越严重，数字代表节点编号，其溢流点分布如图4所示。

以P=2年重现期暴雨进行西湖汇水区雨水径流模拟，结果发现83个节点中有41个节点有溢流现象，溢流节点占比为49.4%，较P=1年时溢流节点占比15.7%有大幅上升。

P=2年暴雨发生时，节点总溢流量为46 560 m3，而当P=1年降雨发生时总溢流量仅为6 875 m3，溢流总量增加约6倍。溢流节点模拟结果表明，现状排水系统在P=2年重现期暴雨下的排水能力更不理想。

3.2 管段超载分析

暴雨重现期P=1年,P=2年时西湖汇水区现状管网超载情况如表4所示。

表4 P=1年和P=2年时现状管网超载情况

由表4可知，当暴雨重现期P=1年时，83个管段中有60个管段超载，占比为72.3%。在超载管段中，40%的管段超载时间处于0 h～1 h，12%的管段超载时间超过4 h；当暴雨重现期P=2年时，超载管段总数上升至72，占比为86.8%。在暴雨重现期P=2年时，仅有7%的管段超载时间处于0 h～1 h，25%的管段超载时间超过4 h；与P=1年时管段超载情形相比，超载时间超过4 h的管段数占比大大提高，超载时间处于0 h～1 h管段数占比大大降低。

利用SWMM统计暴雨重现期P=1年和P=2年时的高峰径流时间段(15:00～17:00)管网排水能力，结果如表5，表6所示。

表5 P=1年降雨高峰径流时间段管网排水能力

表6 P=2年降雨高峰径流时间段管网排水能力

由表5可知，在P=1年暴雨情形下，高峰径流时间段管段超载比例范围为20.5%～72.3%，说明在此期间，超过20%的管段持续处于超载状态；由表6可知，在P=2年暴雨情形下，高峰径流时间段管段超载比例范围为51.8%～86.8%，此期间超过1/2的管段持续处于超载状态，在15:30～16:00期间超负荷运行的管段数超过80%。

通过模拟现状排水系统在P=1年和P=2年降雨情景下的节点溢流和管段超载情况，可知现状排水管道系统难以达到预期的排水能力要求。之所以有些管段未能达到预期的排水能力，可能与三个原因相关：

1)该汇水区在开发建设时不渗透地面覆盖占比过高，城区雨水管网设计时径流系数取值稍小；

2)在过去，一些雨水管网未经专业人员设计，仅凭经验确定建设方案；

3)过去雨水管网设计依据的是短历时暴雨，未进行24 h长历时暴雨校核。排水能力不达标的主要原因是当初雨水管网设计时径流系数取值稍低。

4 结论

本文以天门市西湖排水系统为研究对象，构建SWMM概化模型，采用24 h长历时降雨及武汉市的雨型分布，分别在P=1年和P=2年暴雨事件情况下评估现状管网的排水性能，得出结论如下：

1)对现状排水系统的节点溢流分析结果表明：当P=1年时，现状排水管网溢流节点的比例为15.7%；当P=2年时，溢流节点占比为49.4%，溢流区域更广，总溢流量与P=1年的降雨事件相比增加了约6倍，溢流总量显著增加。

2)对现状排水系统的管段超载分析结果表明：当P=1年时，现状排水管网超载管段的比例为72.3%；当P=2年时，超载管段占比为86.8%；与P=1年时模拟结果相比，当P=2年时，管段超载时间超过4 h的管段数占比增大，超载时间处于0 h～1 h的管段数占比减少。

3)现状雨水排水系统排水能力难以达到预期的设计标准(P=1年)，更不能满足新标准对设计重现期(P=2年)的要求。之所以现状排水系统的排水能力难以达标，主要是因为城区雨水管网设计时径流系数取值偏小、部分雨水管网未经专业人员设计以及短历时设计的管段未进行24 h长历时暴雨校核，但主要原因是当初雨水管网设计时径流系数取值稍低。