基于SWMM的山丘城区防洪排涝能力分析

2021-11-24顾正华王庭辉盛娇樱

河海大学学报（自然科学版） 2021年6期

马勇，顾正华，王庭辉，黄培，盛娇樱

(1.浙江大学建筑工程学院，浙江杭州 310058； 2.南通和信工程勘测设计院有限公司，江苏南通 226006)

随着城市化进程的不断加快，城市地区水文过程发生了巨大的变化。人类活动使越来越多的自然陆域被不透水地面覆盖，天然水面锐减，径流系数增大，城市防洪排涝面临着巨大的风险，人民群众的生命财产安全受到威胁[1-3]。城市防洪排涝压力一般来源于上游客水的洪水压力和城区降雨形成的排涝压力，对受山洪影响的山丘城区而言，山洪影响往往是这些城区的主要防洪压力。山丘城区暴雨强度大、汇流时间短，极易形成山洪灾害。因此合理分析山丘城区防洪排涝能力，研究其提升措施十分必要。

截洪沟是城市建设中常用的山洪防治设施之一[4]，现有截洪沟规模设计主要以公式法为主[5-6]。公式法首先求取截洪沟控制区域的最大洪峰流量，然后设计截洪沟断面使其过流能力大于或等于该洪峰流量。但公式法忽略了截洪沟上下游控制面积的不同，且无法对沿程变断面或多出水口的截洪沟进行计算。现有公式法如GB 50014—2006《室外排水设计规范》(2016年版)采用降雨强度、汇水面积以及径流系数的乘积来计算截洪沟控制区域最大洪峰流量，但由于前期降水量对区域产流影响巨大[7-9]，径流系数也不相同，单纯根据经验选取某单一径流系数来计算径流量是不准确的。此外公式法还忽略了计算时段内截洪沟流量过程的分配，且多出水口截洪沟的计算涉及非恒定流的计算，这时公式法已不适用。

对于山丘城区的防洪排涝模拟，建立防洪排涝模型的上边界条件需要提供山洪的流量过程，现有模拟方法往往以初损后损法计算产流、单位线法计算汇流来提供上游的边界条件，该方法忽略了截洪沟对山区汇水的影响。此外，城市是受人类活动高度影响的地区[10]，对于上游产汇流条件发生较大变化的地区，其下游的防洪排涝措施应根据上游改变后的产汇流条件重新计算校核。本文以江阴市敔山湾地区为例，基于SWMM(storm water management model)建立了考虑截洪沟影响的山丘城区水文水动力模型，在校核了现有截洪沟规模和区域防洪排涝能力的基础上，提出了截洪沟整治方案和核心区排涝改进方案。

1 研究区域概况

敔山湾地处江阴市中心城区与东部三大经济区——江阴国家高新区、云亭街道、周庄镇之间的衔接点上，东起定山，西至白屈港，北至芙蓉大道，南至名豪山庄，核心区总面积5.17 km2，设金云、迎瑞两个社区，由敔山(耙齿山)、定山、羊头山三山合围而成。敔山湾地区位于湿润季风区，雨量充沛，主汛期为每年5—9月，汛期平均降水量为546.7 mm，最大梅雨量为902 mm(1991年)。

敔山湖位于敔山湾核心区域的中心，湖泊通过金井河、北横河与白屈港河连接。与金井河连接处建有混凝土溢流坝，与北横河连接处建有橡胶坝；金井河与白屈港河连接处为带有泵站的金井河节制闸，闸孔净宽10 m，抽水泵站排涝设计流量为1 m3/s；北横河与白屈港河连接处为北横河闸站，闸孔净宽8 m，抽水泵站排涝设计流量为9 m3/s。由于区域内长山大道改道影响，拟将金井河混凝土溢流坝拆除，代以控制闸，并规划建设金井河与北横河连接的南北向河道，河宽12 m。

敔山湾核心区外为山丘地形，其产生的山洪通过核心区与山区之间的截洪沟排入雨水系统，再通过雨水系统进入敔山湖。核心区雨水通过雨水管网排入敔山湖、北横河或金井河。根据2020年江阴敔山湾开发发展有限公司防汛应急预案，敔山湾核心区警戒水位为4.7 m，在应急响应状态下，闸站管理部门可以降低北横河橡胶坝高度，将敔山湖水位预降至4.2 m。当白屈港水位处于4.3 m以上时，将北横河橡胶坝高度降到最低(敔山湖水位与北横河水位持平)，直接用北横河闸门控制水位。当内河水位高于外河水位5 cm时，自然泄洪；当内河水位高于外河水位不足5 cm时，流量较小，为防止后续外河水位上涨引起倒灌，闸站管理部门关闭金井河闸门、北横河闸门，开启排涝水泵强排。由于金井河混凝土溢流坝的拆除，需要对原防汛应急方案进行补充：在应急响应状态下，金井河与敔山湖相连处的闸门处于完全打开状态。

敔山湾汛情主要表现为来水快、涨势猛、退水慢、持续时间长、排洪困难、容易出现内涝，分析其原因主要有：(a)白屈港(敔山湾唯一泄洪通道)为太湖泄洪通道之一，汛期高水位持续时间长，容易造成行洪不畅；(b)规模建设用地增加了土地利用面积，但相应减少了调蓄面积，调蓄能力降低；(c)山地面积多，短时间的强降雨或持续降雨，很容易造成敔山湖水位迅速上涨，形成大范围区域内涝；(d)辖区防洪设计标准偏低；(e)原设计水系未建设到位。这些因素决定了敔山湾防洪排涝工作的重要性、长期性和复杂性[11]。

2 模型的建立

2.1 原理

采用美国环境保护署(Environmental Protection Agency，EPA)开发的暴雨洪水管理模型SWMM来建立研究区水文水动力模型。SWMM是一款动态的降水-径流模拟模型[12]，被广泛应用于城市排涝能力研究[13-15]。赵冬泉等[16]选取澳门雅廉坊小区作为研究区域，应用SWMM进行了流量预测；宋耘等[17]基于SWMM模型进行了南京典型易涝区的暴雨内涝模拟；Park等[18]对韩国蔚山广域市构建了SWMM模型进行调蓄池的设计。此外SWMM还被用于气候变化[19]、土地利用变化[20]对径流产生的影响以及城市区域的洪水流量预测。

SWMM首先将研究区划分为多个子汇水区，在每个汇水区内分别进行地表产流和汇流计算，其中子汇水区又可分为透水地面和不透水地面。地表径流经坡面汇流汇集到管道的节点，从而进入管道，再通过管道进行河道汇流到排水区出口，SWMM的径流计算模块结构概化如图1所示。SWMM采用超渗产流进行产流计算，产流计算方法包括Horton下渗模式、Green-Ampt下渗曲线法以及SCS径流曲线法，其中Horton下渗模式被广泛应用；采用非线性水库法计算坡面汇流；利用质量和动量守恒方程计算管道中的恒定流和非恒定流，计算方法分为恒定流法、运动波法以及动力波法，其中动力波法通过有限差分法求解完整的一维非恒定流Saint-Venant方程组来进行河道演算，理论上结果是最准确的。本次模拟选择Horton下渗模式和动力波法进行计算。

图1 SWMM径流计算模块结构概化Fig.1 Structure generalization diagram of runoff calculation module of SWMM

2.2 网格与计算条件

选择敔山湾核心区及上游山体区域为计算范围，建立上游山区的水文水动力模型以及总研究区域的水文水动力模型(图2)。考虑到雨水管道改变了城区汇流方式，无法根据高程数据进行区域汇水拓扑关系的划分，故在按照一定拓扑关系的前提下使用泰森多边形法划分子汇水区域。此外，根据雨水管网与检查井数据建立管道流向拓扑关系。在对敔山湖外圈截洪沟进行校核时将其离散化为每10 m一段的计算单元，通过A～R共18个出水口进入核心区雨水管道体系，最后对建立的水文水动力模型进行修正，删除未汇入敔山湖的区域。共建立子汇水区域1 725个，管道(河道)1 759段，检查节点1 752个，模拟区域地形概化见图2。

图2 地形概化Fig.2 Terrain generalization

截洪沟无蓄水功能，故校核规模计算不考虑下游回水顶托的影响，上游山区水文水动力模型的下游边界条件即将截洪沟出水口出流条件设为自由出流；根据文献[21]所选代表雨型与江阴市1970—2020年的实测最大1 h、3 h、6 h、12 h、24 h雨量资料，采取同频率放大法得到江阴市20年一遇的设计暴雨过程作为降雨条件。

研究区域水文水动力模型计算下游边界条件为外河百年一遇设计洪水位5.17 m，初始条件为内河水位3.8 m、敔山湖水位4.2 m，江阴市20年一遇的设计暴雨过程为降雨条件。考虑到敔山湖蓄水需求，排涝过程中将北横河泵站和金井河泵站设置成敔山湖水位高于控制水位时运行，低于控制水位时关闭。计算过程中橡胶坝高度全程降到最低，金井河和北横河闸门全程关闭，金井河和敔山湖连通处闸门全程开启。

2.3 模型校准

SWMM子汇水区域参数主要包括子汇水区面积、汇流宽度、不透水率、坡度、透水区地表洼蓄量、不透水区地表洼蓄量、透水区曼宁系数、不透水区曼宁系数等。这些参数分为校准参数和非校准参数，汇水区面积、汇流宽度、坡度均通过ArcGIS软件根据地形分析直接得出，不透水率根据土地利用类型查阅SWMM手册提供的推荐值得到，透水区地表洼蓄量、不透水区地表洼蓄量、透水区曼宁系数、不透水区曼宁系数等参数均根据该地区土地利用情况及SWMM手册推荐得出，下渗参数通过模型校准得出。节点和管道参数大多为非校准参数，管道曼宁系数为校准参数，采用SWMM手册推荐值。

模型校准采用综合径流系数法[22-23]。根据该地区土地利用类型查阅SWMM手册不同土地利用类型的不透水率，加权平均计算得到研究区域的不透水面积比率为39.94%，参照GB 50014—2006《室外排水设计规范》(2016年版)，该地区综合径流系数应处于0.4～0.6之间。通过无锡市暴雨强度公式结合芝加哥雨型生成2 a重现期180 min的降雨数据，输入模型计算得到径流系数为0.54；再以上述方法生成1 a重现期和3 a重现期180 min的降雨数据，输入模型计算得到径流系数分别为0.48和0.57，因此可以认为模型是可靠的。

由于山洪是敔山湖地区主要的致灾因素之一，需对该地区的截洪沟规模进行校核。截洪沟校核选取20年一遇暴雨为设计工况，模型参数和计算方法同模型校准过程，截洪沟出水口设置边界条件为自由出流，计算结果中发生溢流的位置如图3所示。对比敔山湖历史易溢流位置调查结果，历史易溢流位置均在模型计算结果中出现，进一步证明了模型的可靠性。由于敔山湾核心区处于建设进程中，实际建设完成情况和规划有较大区别，因此不对该区域的溢流位置进行验证。

图3 计算溢流点与历史易溢流位置Fig.3 Calculated overflow points and historical overflow points

3 分析与讨论

3.1 截洪沟整治方案研究

计算结果表明，敔山湾地区现有截洪沟大多不满足该地区防洪需要，需对现有截洪沟规模提出整治方案。在模拟过程中考虑到误差，若只有少量溢流节点短时间最大溢流深度小于10 cm可认为没有发生溢流，截洪沟整治方案见表1，现状出水口和整治方案出水口流量见表2。

表1 建议整治方案

SWMM的水动力计算模块为一维计算，无二维水动力过程，通过简化的溢流来保证水量平衡，故对现状规模不满足防洪要求的截洪沟，其整治方案洪峰流量应大于现状洪峰流量。根据表2，除D、G两个出水口，整治方案洪峰流量均大于现状洪峰流量。C、D对应的截洪沟相连，现状模拟情况下C对应的截洪沟溢流，D对应的截洪沟受C对应截洪沟水位顶托的影响，出现D出水口整治方案洪峰流量小于现状洪峰流量的情况，此外G、H、I为同一段截洪沟不同出水口，现状未考虑建设H出水口，整治方案中H对G对应截洪沟的排水起到分流作用。

表2 整治前后出水口洪峰流量

根据公式法计算的截洪沟洪峰流量未考虑流量过程的分配和前期降雨的影响，不同前期雨量过程会对研究区的洼地填蓄情况和土壤下渗速率有较大的影响，从而影响地表径流，故采用单一的径流系数来衡量截洪沟的洪峰流量大小未必合理。此外未考虑流量过程分配的公式法可能会低估截洪沟洪峰流量。以出水口为Q的截洪沟Q1Q2、Q2Q3为例，该控制区域平均坡度为0.21，控制面积6.967 hm2，20年一遇最大1 h降水量为83.4 mm。参照GB 51018—2014《水土保持工程设计规范》，选取地表种类为起伏的山地，推荐径流系数值为0.6～0.8，计算得到出水口流量为0.97～1.29 m3/s，小于计算结果的最大洪峰流量1.44 m3/s，而计算的最大1 h平均流量1.13 m3/s在此范围内,进一步说明了本文计算结果的合理性。

3.2 敔山湾核心区排涝能力分析

由于敔山湾地区排涝受上游山洪影响较大，故在对敔山湾核心区的防洪排涝能力进行分析时截洪沟规模采用整治方案。

防洪排涝能力分析计算条件与2.2节相同，控制水位为4.2 m，整个模拟过程持续时间为降雨开始以后48 h，模拟结果如图4所示。由于外河水位超过核心区警戒水位，故两闸门处于完全关闭状态，区域排水均通过泵站进行强排，外河水位对计算过程无影响。从图4可以看出，应急状态下敔山湖与北横河、金井河水位快速持平，在外河水位为设计洪水位5.17 m的情况下，敔山湖出现超警戒水位情形。由于该工况下北横河、金井河闸门关闭，排涝完全由北横河泵站和金井河泵站承担，所以认为敔山湖存在的主要排涝问题是敔山湖蓄水能力不足或泵站抽水能力不足。针对超大洪水应考虑增加敔山湖蓄水能力(扩大库容、降低敔山湖控制水位)或增加排涝泵站抽水能力来保证防洪排涝安全。

图4 原排涝方案模拟结果Fig.4 Simulation results of original drainage scheme

3.3 核心区排涝改进方案

考虑到北横河泵站抽水能力提升空间有限，研究排涝改进方案时增加泵站抽水能力是通过增加金井河泵站抽水能力来实现的。以将敔山湾地区水域水位控制在警戒水位4.7 m以下为目标，保持北横河泵站抽水能力为9 m3/s不变，通过模拟得到4种不同敔山湖控制水位为4.2 m、4.1 m、4.0 m、3.9 m条件下金井河泵站所需最小流量分别为20 m3/s、9 m3/s、4 m3/s和1 m3/s，相应防洪排涝能力模拟结果见图5。