某工业园区降水径流模拟及雨水管网安全评估

王 瑜,郭众一

(1.天津市建筑设计研究院有限公司,天津 300074; 2.中国汽车工业工程有限公司，天津 300113)

制造业迅速发展，全国多地规划新建工业产业园区以满足对生产企业统一集中管理的需求，其用地性质及相关规划文件决定了此类工业园区一般具有建构筑物占地面积大、厂房跨度大、绿地率及海绵设施设置率低的特点。因此，这种工业园区开发模式对所在场地径流条件的影响相较于城市片区开发模式更显著，具体表现为场地径流峰值增大、雨水汇流时间减短、降水以“快排”模式进入厂区雨水管网等，从而导致园区内雨水管网系统各节点的运行状态由波动连续模式逐渐转换为“空闲-忙碌-空闲”的离散模式。

同时，园区内生产厂房作为工业建筑，在设计阶段为保证其结构安全性，屋面坡度一般大于3%，因此雨水汇流时间短，瞬时流量大，多采用虹吸式雨水系统。虹吸雨水排入厂区管网时对系统冲击较大，会降低雨水系统的安全性，轻则积水内涝，重则影响园区内正常生产，对工业企业造成经济损失。

综上所述，工业园区内雨水系统排水安全应得到充分重视。目前，暴雨洪水管理模型(SWMM)在场地径流模拟[1]、区域水文现状研究[2]以及海绵城市区域规划[3]等方面有较多应用，本文以山东青岛某工业园区为例，通过应用SWMM模型对园区内雨水管网排水流量进行模拟，对雨水管网的排水安全性进行评估，并给出排水系统优化建议。

1 SWMM模型构建

SWMM模型通过输入降雨资料、场区管网等条件参数，建立动态的降雨-径流模型，能够综合考虑时变降水以及不同下垫面类型对降水下渗截留的影响[4]，通过参数的调整[5-6]能够使模型进行数据模拟时表达海绵设施等对径流产生的影响。

1.1 模型基本参数

经查阅地方气象资料，该研究区域暴雨强度公式为：

其中，q为设计暴雨强度，L/(s·hm2)；P为设计暴雨重现期，a；t为降雨历时，min。

本文模型中雨量计输入数据采用暴雨连续时间序列，模拟雨型采用芝加哥单峰雨型[7]，重现期P=5 a，暴雨历时120 min，峰值比例r=0.46。本文模型中采用的时间序列降雨数据如图1所示。

1.2 子汇水分区划分

根据下垫面类型以及子汇水分区出口节点，将厂区内屋面、道路以及绿地分为28个子汇水分区，保证每个汇水分区内降水都只有一个出口途径，本文所构建模型的汇水分区划分示意图如图2所示。

1.3 LID设施设置

低影响开发设施(LID)作为海绵城市建设的重要组成部分，能够在降雨过程中捕获一定量的表面径流，进而削弱场地开发对研究区域水文条件的影响。同时，不同LID设施组合还能对雨水径流污染负荷进行削减[8]，以满足后续雨水回用单元的处理要求。本文研究范围内LID设施设有绿色屋顶、透水铺装路面、绿地及下沉式绿地和下沉广场。

其中S21,S22,S23为办公楼绿色屋顶，径流系数取0.40，下渗模型选用考虑了降雨初期土壤湿度亏损[9]的修正Green-Ampt法；S4～S11和S16为厂区透水铺装路面，LID参数中设置不渗透百分比为40%；S1,S12,S13和S28为厂房屋面，径流系数取1.0，坡度5%。其余未特别定义的子汇水面积以通用参数配置。

2 降雨模拟及雨水系统评估

2.1 厂区雨水管网降水模拟

依次将厂区内各汇接点内底标高和室外雨水管管径、标高、管长信息输入模型，前述时间序列降雨数据载入到模型雨量计中作为各子汇水分区的降雨输入，对厂区雨水管网进行径流模拟。图3为降雨初期局部水位剖面线。

图3所示为连接汇接点J16,J17,J22和J23的雨水管道在降雨初期的模拟水位线。由图2可知J16汇接点位于厂区雨水主干管，同时接纳经C20雨水管排入的S21～S23的屋面雨水，J16上游干管服务汇水面积大且雨水在管道内流行时间长，屋面雨水经C20雨水管排入J16汇流时间短，水流叠加导致J16水位在一段时间内相较于相邻汇接点处于较高位置。这种现象在J2,J10,J11,J12和J13这类复杂汇接点都有出现，因此在工业园区的设计过程中，需考虑屋面虹吸雨水排入复杂汇接点时引起汇接点内水位上升的现象，避免高水位造成厂区雨水冒溢。

通过SWMM模型能够模拟各汇接点雨水流量的汇入情况，选取J2,J6,J10,J16和J22汇接点为研究对象，分析各节点内汇入流量随时间的变化关系。图4为上述汇接点的汇入流量统计情况。

如图4所示，J2,J6,J10汇入流量峰值分别出现在58 min,62 min,70 min处，J6,J10作为下游节点，雨水汇入流量峰值较上游节点有所增加且峰值时间延后。由平面定位可知J2～J6管段为13.4 m，较J6～J10管段的10.1 m距离更长，但J6汇流峰值时刻延后时间为4 min，而J10为8 min。因S5～S10为透水铺装路面，其作为海绵设施能够在一定程度上起到径流调节的作用，这种对径流峰值的调控作用也能进一步提高雨水系统的安全性。

2.2 雨水系统安全评估

根据厂区雨水管网降雨模拟结果可知，复杂汇接点内水位常处于较高位置，尤其是J22这类靠近管网末端的节点。图4中J22汇入流量出现两个极大值，于64 min达到第一个极值是因右侧S28屋面虹吸雨水汇入，早于上游J10的峰值时间；雨水持续自上游汇流至J22，在74 min 又形成第二个极值。与J22类似，J16在接入S21～S23屋面雨 水后随即上游雨水到达该节点，其汇入流量持续增加达到峰值。

因此，若该类复杂汇接点上游邻近区域又接入其他屋面虹吸雨水，在雨水重现期进一步加大时，可能会出现雨水冒溢厂区的情况。设计阶段应合理划分汇水区域，避免将接入虹吸雨水等大流量雨水流量节点相邻布置，并应考虑设置海绵设施等措施以削弱地表径流对雨水系统的影响，确保雨水系统的良好运行。

3 结论

1)由SWMM模型径流模拟结果可知，绿色屋顶和透水铺装等海绵设施能够推延下游汇接点达到径流峰值的时间，有效平衡节点上下游雨水汇入流量，缓解排水系统压力。

2)通过厂区雨水管网进行径流模拟，能够反映各汇水区域尤其是复杂汇接点流量对雨水系统的影响，根据模拟结果进一步优化汇接点位置以及海绵设施布设，为厂区排水系统设计提供有效参考。

3)通过对管段流量进行模拟，选取峰值流量对工程设计进行校核，可以有效分析管网承载能力，保证雨水系统的排水安全性和有效性，避免因厂区内涝造成的损失。