基于SWMM的内涝防治设施的优化改造模拟

2020-12-17南昌水业集团有限责任公司江西南昌330000

安徽建筑 2020年12期

万坚（南昌水业集团有限责任公司，江西南昌 330000）

近年来，我国多数地区的降雨呈现雨期集中，强度加大的特点，并且城市化进程的加快也使得地面下垫面的性质发生变化[1]，洪涝灾害的发生更是严重影响了居民的日常生活[2]。

目前，国内排水负荷较重，依赖于传统的市政排水系统的改造和相近的“灰色措施”，不能从根本上解决城市内涝问题。结合国外先进的雨洪管理方面的先进经验和理论成果[3]，LID的理念和技术[4]体系作为一种可持续城市雨水控制方法，能有效地收集利用雨水资源，显著降低城市地表径流，从而减少路面积水。

1 SWMM模型的研究实例

1.1 研究区概化

研究区位于南昌市西北部，地势西北高、南东低，坡度约为1%～2%，历年平均年降雨量在1600mm左右，主要用地有：村庄、湿地公园、农田、部分荒地及水库组成，占地面积约82.32ha。

利用SWMM模型构建研究区雨水系统模型，管网尺寸和埋深等通过实际原有的测绘数据得到，汇水区和坡度等参数通过ArcGIS统计的方法获取[6]。将研究区域划分为54个子汇水面积，雨水管线84根，检查井51个，排水口3个。研究区现状及概化图分别见下图1、图2。

1.2 模型参数设置

基于SWMM模型原理，参考相关文献[7]，SWMM用户操作手册和实地勘测值确定相关参数。有无渗透性的粗糙系数为0.24和0.012，地面坡度为1%～2%，有无渗透性洼蓄深度分别1.5mm和5mm，管道曼宁系数为0.013；汇流计算采用非线性水库模型。根据研究区域下垫面的实际情况，确定各子汇水区域的有无洼蓄量不透水地表面积占该区域总面积的百分比，取值在20%～50%。参考国内外研究成果[7]，确定最大、最小入渗率，入渗衰减常数分别为70mm/h，10mm/h，4h-1；采用动态波进行演算。

1.3 模型参数率定

以2017年3月5日的降雨流量的监测数据对SWMM模型进行参数率定，根据降雨监测数据，降雨径流结果与测定结果如图3，模拟的径流量值接近实测数据，流量参数吻合度较高[8]。参数率定采用Monte Carlo法，并用Nash-Sutcliffe系数来评价模拟结果，曲线与监测时间序列的吻合程度，见式（1）。

图1 研究区现状图

图2 研究区概化图

式中RNS为纳什系数；QS为i时刻的实测值；Qm为i时刻的模拟值；QP为观测数据的平均值。

纳什系数越接近于1，说明模拟结果与监测曲线吻合程度越高；纳什系数大于0.7，则表示模拟值与实测值较吻合。本试验中，率定流量的纳什系数为0.948，则率定结果验证了SWMM模型的可靠性与准确性。

图3 SWMM模型流量率定结果

2 内涝防治设施的优化改造

2.1 不同降雨条件的设定

本研究旨在分析内涝防治系统的排水能力，故选用南昌地区2012年8月21日至8月22日的典型特大暴雨，以及根据南昌的暴雨强度公式，采用芝加哥雨型生成器[9]，降雨历时为120min，雨峰系数为 0.35，设计重现 1a、3a、5a、10a、30a、50a。

南昌市降雨强度公式：

其中q为设计暴雨强度（mm/min），P为重现期（a），t为降雨历时（min）。

2.2 改造措施的选择

内涝防治设施未优化前，研究区域的透水性地表仅占总面积的22.5%，雨水管径分别为 DN400，DN600，DN800，未设置雨水调蓄池及相应的大型管渠和泵站设施。

根据《室外排水规范》内涝防治设施的组成[10]，优化改造分为三个层面，进行单一优化比较。雨水系统优化改造措施如下：措施A（源头控制层面）。通过海绵城市建设，与LID雨水系统的构建，综合采取“渗”、“滞”、“蓄”、“净”、“用”、“排”等措施，最大限度地减少城市开发建设对生态环境的影响。由此，对研究区设置LID设施，根据现有的地形条件，对研究区合理敷设雨水花园、绿色屋顶、透水铺装、渗渠等LID设施。措施B(雨水管渠层面），研究区属于老城区，即将参与城中村的改造，并且人口密度不大，也便于雨水管网的改造。将原有管径DN400，DN600，DN800分别加大至 DN600，DN800和DN1000，同时依据现有条件改变管渠埋深。措施C（排涝除险层面），将极易发生溢流的检查井J17和J51就地建造成雨水池SU2、SU3，连接的相应管段管径不发生变化。并且将子汇水S51，即现有水库，利用现有地势条件改造成一个大型调蓄池，并用大管渠相连接。

2.3 模拟结果

针对不同设计重现期下的优化改造措施，研究区域雨水系统的溢流特征情况如表1、表2。

未改造前不同重现期下排水能力情况表表1

不同重现期下雨水口溢流情况分析表表2

相对于未优化改造前，对比表1数据得表2知，单项优化措施A、B、C均在不同程度上降低了溢流的产生，从而都能在不同程度上缓解城市内涝的发生。分析表2数据，对于措施A、B，在重现期1a、3a、5a 下，溢流节点，溢流时间和溢流总量的削减率均相差0%～6.7%，并且在P=1a、3a时，削减率均为100%，都能保证管段不发生溢流；在P=5a时，溢流节点，溢流时间和溢流总量的削减率分别相差6.7%、0%和3%；在大重现期下，对于溢流的削减率也极其相似，相差都控制在0.8%～7.1%，对于P=10a、30a和50a，对比溢流时间、溢流总量及一六点个数，两者溢流削减率均保持在50%以上，仍然可以小程度上控制溢流情况，减缓路面积水情况。而对于措施C，仅在重现期为1年一遇时，没有检查井节点发生溢流；在P=3a下，相较于措施A、B，溢流的减少相差1.9%～58.8%；而在高重现期下（10a以上），措施C的溢流减少大部分大于措施A、B，削减率高于1.1%～15%，尤其在P=50a时，措施C相比A、B的溢流节点、溢流总量和溢流时间的减少相差较大。由此可见，措施C虽然对各个重现期的雨水溢流也都有减少，但是更适用于大重现期下。当强降雨时，雨水通过大型管渠流向雨水调蓄池中，并滞留在调蓄池中，从而减少路面积水，当需要时，又可将调蓄池中的水调用；但是小重现期，调蓄池对排水系统影响不大，因此溢流情况和改造前相似。所以，对于措施C而言，更适用于大重现期。

相对于不同重现期，措施A、B减缓溢流情况的途径也不相同。对于LID技术而言，从源头上做到“渗”、“滞”、“蓄”，从而减少水的径流，减缓雨量的洪峰时刻，降低径流系数，从而减少路面积水，防治内涝；对于雨水管渠设施，仍然以“快排”的方式为主，顾名思义，当降雨发生时，雨水以最快的速度通过管渠设施排走，也正是因为这样，容易使雨水管渠发生淤泥现象，并且维护管理都多有不便。见图4、图5径流过程图。

图4 P=1a下措施A、B和C的径流

图5 P=50a下措施A、B和C的径流

结合上图5分析，措施A和B虽然能在相近程度上减少溢流，改善城市内涝情况。但是相比较于措施B，分别在小重现期（P=1a）和大重现期（P=50a）下，措施A对于径流量的减少为7.35m3和10.1m3，径流峰值的延迟分别为7min和33min。对于加大管径和改变节点高程来说，径流和系统出流相比较未优化改造前而言并没有很大改变。因此，措施A的改造方案总体优于措施B，并更有持久性和稳定性。

基于以上分析，提出一种更优化的改造措施——组合措施，将措施A与措施C相结合，对研究区进行就地LID设施增设，并将S51改建成调蓄池，同时增设管渠连接，由于J17点比J51点更易发生溢流，并且J17点在排放口O2附近，所以仍保持J17点的改造。将2012年8月21日至22日的典型暴雨进行连续模拟，对比分析措施A、C组合方案。

显然，由表3得，组合措施能保证重现期在3年内各节点均不发生溢流。在重现期P=5a降雨条件下，组合措施相比于单项优化措施A、C，比较溢流节点、溢流总量、溢流时间削减率，说明在低重现期下，组合优化的效果与单项措施A相似，并优于措施C。由连续降雨模拟知，对比措施A、C，组合措施在一方面对径流峰值的减少为2.3m3，1.1m3，同时延缓雨峰时间和措施A、C相比，分别相差6min和11min；另一方面，它也能有效缓解溢流，相较于未改造情况下，削减率分别为41%、85%和76%，减少管渠溢流，防止路面积水，有效防治内涝的发生。由此可知，对于组合优化，不论是在径流的削减还是溢流情况，两方面的作用效果都明显优于措施A、B、C，在各降雨条件下均能有效地防治内涝。

3 结语

①通过单项措施的对比分析，LID技术在加大区域绿化的同时大幅度削减径流量，显著起到“渗”和“蓄”；而对于管网“快排”的方式，虽然能大幅度减少溢流情况，但在小雨情形下用途不大，管网也易于淤泥；而对于雨水池和调蓄池，在较大重现期下，对雨水溢流的削减可高达70%以上，对雨水能很好“滞、蓄、用”。LID技术与调蓄池，雨水池及管渠设施的联用，能充分体现海绵城市建设中“渗、滞、蓄、净、用、排”的六字方针，结合六位一体，完善内涝防治设施，对城市内涝的治理发挥重要作用。