乐亭县雷刚农业园区“7·27”降雨排水分析

王小旭

（唐山市水利规划设计研究院，河北 唐山 063000）

1 研究背景

EPA（Environmental Protection Agency，环境保护署）SWMM（Storm Water Management Model，暴 雨 洪水管理模型） 是一个动态降雨-径流模拟计算机程序，该模型为半分布式水文模型，该计算程序开源，算法透明，方便学习交流。主要用于区域径流水量和水质的单一事件或者长期（连续）模拟。 本次模拟计算由于重点考虑雷刚农业园区“7·27”降雨过程模拟，故未考虑其水质情况。 应用SWMM通过暴雨过程推求洪水，相较于传统方法更具有专对性，且可以模拟实际发生降雨过程而产生的对应洪水。

2021年度， 唐山市平均降雨量达到1080mm以上， 且降水历时较长， 造成唐山市南部县区部分涝灾。 根据乐亭县汤家河雨量站记录，7月27日—8月1日，降雨量累计达到314mm，占乐亭县全年平均降水量的51%，雷刚农业园区在此次降水中受灾较重，园区内部分果树死亡。 本次采用SWMM软件，依据汤家河雨量站7月27日—8月1日降雨过程， 园区内地形、沟渠、涵管等采用实地考察测量，建立降雨-径流模型，分析此次受灾原因，并为园区未来排水规划提供建议。

2 研究区概况

乐亭县雷刚农业园区位于乐亭县胡家坨镇甘草坨村西南500m，紧邻西曾线南侧，园区内主要种植果树，占地面积20.93hm2，园区内依靠路边开挖土质边沟排水，最后边沟汇于西曾线公路排水沟，进园道路通过在排水沟下埋涵管连接， 涝水最终通过公路排水沟排入大钊渠。

3 模型建立

3.1 子汇水区划分及参数设置

本次模型计算范围为乐亭县雷刚农业园区整个园区面积，为20.93hm2，根据实际踏勘，园区内被进园区内道路分成6个地块， 各个地块之间道路旁边有人工开挖梯形土质排水沟，本次模型建立依据地形高程测量情况确定流向并结合园区实际排水情况，对子汇水区与排水沟渠进行联接，使得渠道排水系统流量分配与实际情况相符。子汇水区主要属性：

（1）坡度。 根据现场高程测算结果，项目区地势总体平缓，东高西低，北高南低，根据测算得到子汇水区域平均坡度为0.02%。

（2）不透水面积及糙率。 研究区主要为果林园区，不透水面积主要有园区搭建建议彩钢房，及部分硬化道路，不透水面积较小，根据实际面积量算，不透水面积按照子透水面积10%计算， 透水区域及不透水区域糙率依据相关文献及SWMM用户手册确定，透水区域主要为林地，糙率取值为0.6，不透水区域为彩钢房及硬化道路，糙率取值为0.015。

（3）下渗。 SWMM软件对于子汇水区下渗具有CN模型、Green-Ampt模型和Horton模型3种模型，综合比选以上3种模型， 本次由于地块地类面积较小且土壤类型单一， 确定选取参数设定较为简单的Horton模型，根据实际现场探勘，研究区域内主要土壤类型为潮土，最大入渗速率确定为75mm/h，最小入渗速率确定为18mm/h，衰减常数确定为3.5h-1，模型区子汇水区域概化情况详如图1， 相关计算参数如表1。

图1 模型区子汇水区域概化情况

表1 模型区子汇水区域属性

3.2 排水管渠概化及参数选择

根据实际勘察结果， 园区内主要通过路边人工开挖土质边沟排水， 部分进园道路下设涵管跨越土质边沟，材质为混凝土管，故排水管渠主要为梯形土质边沟及圆形混凝土管， 相关设计尺寸根据实际测量结果。 糙率依据相关文献及SWMM用户手册确定，其中土质排水沟糙率选取为0.03， 混凝土管涵糙率选取为0.012。 排水管渠设计参数如表2。

表2 模型区排水管渠设计参数统计

SWMM软件对于管道汇流采用3种水力计算方式，分别为恒定流、运动波和动态波，本次研究区内土质排水沟及涵管虽然型式较为单一， 但由于人为开挖搭建，存在逆坡、漫流、闷孔等现象，恒定流及运动波无法满足上述现象的描述， 只有采用动态波可模拟上述情况下水流流动， 故本次管道汇流水动力条件选用动态波方程。

3.3 暴雨序列选择

本次模拟时段为2021年7月27日5：00至2021年8月2日0：00， 采用乐亭县汤家河雨量站实测降雨成果，降雨量累计达314mm，占乐亭县全年平均降水量的51%，降雨时间间隔为1h，汤家河雨量站实测降雨过程如图2。

图2 汤家河雨量站实测降雨过程

4 结果分析

4.1 一般项设置

上述条件设定完毕后，在SWMM软件中，一般项选择中，过程模型选择降雨、径流及流量演算，下渗模型选择Horton模型，演算模型选择动态波，模拟日期设定为本次模拟时段为2021年7月27日5：00至2021年8月2日0：00，演算时间步长为30sec，动态波设定中，惯性项选择阻尼，正常流动原则坡度和傅汝德数两者均选， 压力干管公式选择Hazen-Williams，然后进行运行模拟。

4.2 演算结果

通过执行模拟， 软件在计算完成之后可得到相关计算成果，本次将部分成果展示如下，主要为各主要节点在模拟范围内随降雨过程流量变化如图3，水深变化如图4，及西曾线公路排水沟模拟段内最大水深统计如图5。

图3 主要节点流量过程线

图4 主要节点水深过程线

图5 西曾线公路排水沟最大水位剖面线

通过结果分析，可见灌渠排水流量、水深与降雨量对应关系较好，且略微滞后于降水量过程线，与实际情况较为符合， 排放口流量及水位低于其他重要节点，主要原因为排放口设置了直径0.4m管涵，管内水流为有压流， 排放流量流量小于农业园区自产流量，根据统计成果，这段时间范围为2021年7月27日8：30至2021年7月28日14：30，历时33.5h，对应于本次模拟降水的主要过程。

通过分析西曾线公路排水沟模拟段内最大水位，排水沟由于认为搭建道路下设涵管过水，涵管底高程较高，使渠道部分渠底存在逆坡，且排放口管涵直径较小，排水沟排水受阻，园区内积水不能顺利排出。

5 结语

（1）通过上述计算分析、结合现场勘查及当地群众问询，雷刚农业园区受灾的主要原因：①本次降水持续时间较长，且雨量较大，园区地块果树根系土壤含水一直处于饱和状态。 ②园区西曾线公路排水沟排入大钊渠排放口直径较小，排水受阻，致使园区内产生涝水未能及时排出。 ③园区西曾线公路排水沟中间修建进园道路，下设涵管，涵管底高程较高，沟底存在较大逆坡，排水不畅。 ④根据实地勘查，园区内均为土质边沟，均系人工自行开挖， 沟底未形成一致坡比， 且部分地段存在逆坡，园区内部分生活杂物阻塞排水边沟。 ⑤农业园区地处沿海平原地区，地势较为平坦，园区子地块坡度较缓，自身排水亦较慢。

（2）通过SWMM软件分析，可定量得到子区域产流量及过程线、整个园区最大排水流量及排水时长，汇入边沟过流能力等，可有效查找出受灾原因，为问题分析解决提供参考。

（3） 建议园区应委托专业咨询设计机构进行规划设计，依功能进行合理规划布局。改造园区西曾线公路排水沟入大钊渠管渠， 园区内排水管渠应科学布设， 排水管径及沟渠尺寸不应小于子流域产生最大涝水流量，统筹园区内排水沟底宽及坡比设计。可将排水沟断面设置为砖混结构， 园区进场道路跨越排水沟建议设置为箱涵。 园区排水沟渠末端设置集雨池，充分利用雨洪资源。 园区配备相关排水设备，可采用机排方式，防止园区受灾。