基于SWMM的老旧小区雨水系统模拟研究

刘卿瑞

【摘  要】随着我国城市化水平不断提高，城市规模不断扩大，城市洪涝问题日益突出。论文选取东北地区某老旧小区，利用暴雨管理软件SWMM构建了该区域降雨径流模型，模拟了不同重现期设计下的雨水管网运行状况。在此基础上，模拟了低影响开发（LID）措施组合布设的径流控制效果。研究得出，采用LID措施后可以有效控制区域径流总量、削低流量峰值、改善节点溢流情况。

【Abstract】With the continuous improvement of urbanization and the expansion of city scale in China， the problem of urban flood is becoming more and more serious. This paper selects an old community in the Northeast region， uses the storm management software SWMM to construct a rainfall runoff model in this area， and simulates the operating conditions of the rainwater pipe network under different return period designs. On this basis， the runoff control effect of a combination of low-impact development （LID） measures was simulated. The paper concluded that the use of LID measures can effectively control the total regional runoff， reduce the peak flow rate， and improve node overflow.

【關键词】SWMM;城市内涝;雨水系统;LID

【Keywords】SWMM; urban waterlogging; rainwater system; LID

【中图分类号】TU992                                             【文献标志码】A                                                 【文章编号】1673-1069（2021）03-0174-04

1 引言

随着我国城镇化进程的快速推进，城市洪涝造成的危害和影响揭示了市政基础设施建设与安全保障之间的矛盾。在遭遇高强度降雨时，地面降雨能够短时间内在该区域内形成地表径流，增加管网排水压力，极易形成城市内涝[1]。低影响开发LID以分散式小规模措施对雨水径流进行源头控制，以达到缓解城市内涝，改善城市生态环境的目的。暴雨管理模型SWMM是由美国环境保护署开发的基于水动力学的降雨径流模拟模型[2]，该模型集成了降雨、径流等多种模块，能够对单场及连续降雨的径流和排水情况进行动态模拟，LID模块能够模拟LID设施影响下的径流量、峰值流量和蓄水量等参数的变化情况[3]。朱培元、蔡庆拟等[4，5]在不同降雨情景的条件下，对不同LID设施对雨洪径流的控制效果作了分析研究。王峰等[6]从城市规划方面出发作出了相应的研究，基于对不同LID设施的分析，制定了在建设工程过程中的不同LID措施技术标准，并对中山市中心城区作出了低影响开发技术规划。论文以东北地区某区域为研究对象，通过建立SWMM模型，对不同重现期设计暴雨下的降雨径流进行模拟计算，为该地区暴雨洪水控制研究提供技术支持。

2 研究区域概况

研究区域位于128°12′30″E～128°50′30″E，47°45′56″N～47°48′30″N，属中温带大陆季风气候区，四季分明，冬季严寒、干燥而漫长，夏季温热而短暂。降雨集中在夏季，年平均降水量为750～820mm，降雨量随时空分布不均，这种气候特点决定了地区夏季洪涝情况频繁发生。研究区域总面积约为12.38ha，其中建筑用地3.76ha，道路占地0.61ha，硬化铺装3.22ha，绿地面积4.79ha，研究区域不透水面积占比为61.31%（见图1）。

3 模型构建

3.1 模型概化

根据研究区域管线数据，利用ArcGIS进行处理和提取分析，构建管网空间拓扑关系，简化管网结构;根据地形、街道、测算所得用地布局及属性等特点划分子汇水区域。研究区域概化如下：共划分子汇水区域91个，管段65条，计算节点56个，出水口1处。雨水管网概化图如图2所示。

3.2 模型参数

SWMM模型的水文模块主要有Horton模型、格林—安普特模型和径流曲线数模型三种入渗模型。其中Horton模型通常适用于较小流域的模拟研究，模型应用容易，参数需求少，入渗率和降雨条件的相关数学关系能够准确反映出来，应用范围较广，因此本文选用Horton模型。

SWMM模型中的地表汇流过程通常采用非线性水库模型，包含透水区、不透水区和管道的曼宁系数为关键性参数，参考SWMM用户手册并结合研究区域的实际情况确定最终取值。SWMM模型中将子汇水区概化为有洼蓄量不透水地表、无洼蓄量不透水表面及透水地表三部分。透水地表和不透水地表的洼蓄量与土地利用实际情况相关性较强，通过参考SWMM用户手册，确定无洼蓄量不透水面积百分比为即时径流表征参数，变量缺省数值为25%，蓄水反映时段集中于洼地蓄水前至降雨后，随子汇水面积不同而改变。参考SWMM用户手册附录，确定该模型地表坡度及子汇水面积宽度和子汇水区不透水面积百分比等取值需根据实际情况进行设置。由于研究区域日蒸发量较小，对模型模拟几乎无影响，故不作为测试指标。具体参数如表1所示。

3.3 设计雨型和雨量

1957年凯弗（Keifer）和丘（Chu）基于暴雨强度公式提出了芝加哥雨型，1975年澳大利亚的Pilgrim和Cordery研究了一种无级序平均法推求设计雨型，目前国内外常用的短历时雨型主要是这两种。根据研究区域的实测降雨资料，芝加哥雨型基于大量实测降水资料且得到的设计雨型更接近于实际降雨雨型，因此本文采用芝加哥雨型法2h设计暴雨雨型。

研究区域暴雨强度计算采用黑龙江省规划设计研究院推导的暴雨强度公式：

式中：p表示重现期，a;t表示降雨历时，min;g表示地面综合径流系数。

根据公式（1）分别推求重现期为5a、10a、20a时的设计暴雨强度，并利用芝加哥雨型法2h设计暴雨雨型推求t=2h、时间间隔为15min的设计降雨过程线。不同重现期下设计降水过程线如图3所示。

3.4 LID措施布设

3.4.1 LID措施选择

根据《海绵城市建设技术指南》，低影响开发措施中共有透水铺装、渗井、绿色屋顶、渗透塘、植被缓冲带、生物滞留池等22种设施可进行选择。根据研究区域地理因素和气候特点，LID措施选择如下：绿化用地主要以雨水花园和下凹式绿地为主;广场和人行道主要以透水铺装为主;城市道路绿化带、小区道路、建筑周围绿地以生物滞留池为主，且需分散布置;接收屋面雨水以蓄水池为主，此外部分区域根据实际条件和需要添加雨水桶和渗透渠。本文在未改变管网现状的情况下对研究区域进行LID改造，不仅可以改善生态环境，又能降低因大规模改造而产生的经济成本。

研究区域内停车带原有的砖铺砌下垫面改造成渗透下垫面及换铺抗冻融生态陶瓷砖，改造面积为15354m2，改造率为47.6%。绿地按照不透水面积与雨水花园面积5：1的比例来建造雨水花园，改造面积为19621m2，改造率为41%。

3.4.2 LID参数设置

在借鉴国内外已有研究成果的基础上，根据研究区域的实际情况，将多种措施添加至研究地区范围内，研究该地区雨水系统受其影响规律，各项参数的取值范围如表2所示。

根据研究区域用地划分，综合考虑子汇水区的实际状况，采用SWMM中的LID模块，向研究地区内添加多种措施，添加各项措施后的子汇水区概化图如图4所示。

4 模拟结果分析

4.1 现状管网防涝能力评估

在现有基础上，将历时2h的降雨数据导入InfoWorks水力模型，由水力模型的模拟结果分析，研究区域现有雨水管道中，雨水排放能力滿足1年一遇的管道约3.5km，排放能力满足2年一遇的管道约2km，排放能力小于1年一遇的管道约121.88km。由此可见，研究区域城市雨水管道不仅覆盖率低，且现有管道管径普遍偏小，在1年一遇的降雨强度下，达到97.2%的管网会出现溢水积水现象，满足2年一遇的管道更是少之又少，缺乏对大雨暴雨的排泄能力。

4.2 LID措施前后径流总量对比分析

将降雨时间为2h，不同重现期下的雨量时间序列输入SWMM雨量计属性中，作为研究区域模拟的降雨数据，不同重现期的径流模拟结果列入所得数据表4中。可以看出，随着降雨强度不断增大，地表径流也随之增加，雨水系统所需要承受的排水压力也越来越大。研究区域加入LID措施后，区域内的地表径流总量减小。

4.3 LID措施前后流量峰值对比分析

将出水口节点峰值流量列入表5中，对于研究地块雨水干线出水口节点，加入LID措施前后峰值流量进行对比，加入LID后峰值流量减少50%左右。

4.4 LID措施前后节点溢流情况对比分析

在降雨重现期为5、10和20年的条件下，将添加LID建设的研究部分进行SWMM模拟，并将改造前后管网超载情况对比列入表4中。根据表6可知，LID改造可显著降低超载节点的数目，并可有效减缓管网承载过量等问题。出水口节点在暴雨重现期为5年、10年和20年，积水深度5年为5.2cm、10年为16.3cm、20年为18.5cm。对比可见，通过LID改造建设比现状管网发生内涝的几率减少近40%，降雨重现期为5年时，降低了积水量并可达到良好的内涝防治效果。

5 结论

①降雨强度越大，传统雨水管渠系统超载越严重，管网节点出现超载溢流，导致溢流总量增加，积水时间延长，提高了城市内涝的风险。

②通过SWMM模拟，对比分析研究区域LID改造前后雨水径流控制效果，可知研究区域加入LID措施后，区域内的地表径流总量约减少67%、峰值流量削减50%左右、发生内涝的几率降低近40%。

③本文着重探讨低影响开发理论在解决城市内涝问题的可行性，对建设海绵城市具有一定的指导作用。在进行城市排水系统建设时，因地制宜，对地块进行LID改造，可以有效控制径流总量、削低流量峰值、改善节点溢流情况。

【参考文献】

【1】张建云，王银堂，胡庆芳，等.海绵城市建设有关问题讨论[J].水科学进展，2016，27（06）：793-799.

【2】王建婷，董增川，孙艳伟，等.基于海绵城市的生物滞留池水文效应分析[J].水电能源科学，2017，35（10）：42-45+50.

【3】栾慕，袁文秀，刘俊，等.基于SWMM-MIKE11耦合模型的桐庐县内涝风险评估[J].水资源保护，2016，32（02）：57-61.

【4】朱培元，傅春，肖存艳.基于SWMM的住宅区多LID措施雨水系统径流控制[J].水电能源科学，2018，36（03）：10-13.

【5】蔡庆拟，陈志和，陈星，等.低影响开发措施的城市雨洪控制效果模拟[J].水资源保护，2017，33（02）：31-36.

【6】王峰，俞绍武，胡爱兵，等.《中山市中心城区低冲击开发规划》研究与探讨[J].给水排水，2014，50（12）：30-34.