基于SWMM模型模拟的现状城市排水管网评估

李 昂，刘加强，汪思颖

(徐州工程学院环境工程学院，江苏徐州 221111)

作为城市重要基础设施，城市雨水管网担负着收集雨水、及时排除市区和流经市区雨水的任务。城市化的快速发展，不透水面面积的急剧增加，城市雨水管网设施建设的相对滞后，使得一些城市面临内涝问题，严重影响市民的生活和城市的正常运转。因此，各地加快了对老旧管网改造的步伐，而防洪排涝工作在城市规划建设中也占据着越来越重要的地位[1-2]。开展城市管网数字化研究，利用模型模拟分析城市雨水管网运行现状，并应用于排水管网的优化与改扩建中是十分必要的。

自20世纪70年代起，许多国家已开始利用数学模型模拟城市地表径流对降雨事件的响应过程，用于城市防洪规划和管网的优化[3]。暴雨洪水管理模型(storm water management model，SWMM)是一个以水动力学为基础的降水-径流模拟模型[4-5]，主要用于城市某单一降水事件或长期水量和水质的模拟。该模型最早开发于1971年，是国内外工程人员规划涉及城市雨水管网、污水管网以及混合排水管网的常用工具。Pomeroy等[6]以美国53年的降雨资料为基础，利用SWMM模型进行水文和水动力学模拟。李彦伟等[3]利用SWMM模型对所选区域排水系统的运行现状进行模拟，并有针对性地提出管网改造方案，为城市排水管网优化设计、管网改扩建和管道养护提供了技术支持。邵朋昊[7]在城市排水管网模拟研究中，将SWMM模型与ArcGIS集成，实现了大量城市排水管网数据的有效管理，也可方便甄别出排水压力较大的地区或管段。宋耘等[8]基于SWMM构建一维雨洪模型，利用南京市2011年“7·18”暴雨资料，模拟暴雨期间南京市易涝区——鼓楼区广州路段的内涝情况，通过地表积水量与最大积水深度函数关系的拟合，分析得出易涝区积水开始时间、积水持续时间、最大积水深度，为及时有效支撑防洪除涝应急决策提供参考依据。冉小青等[9]以某市区道路为研究对象，通过概化、率定及验证后,运用SWMM模型模拟2、10、100年一遇设计降雨条件下道路出口的径流过程，并对下凹式绿地、透水砖和透水路面3种典型海绵措施组合方案的雨洪控制效果进行分析。严一鸣等[10]以某市规划改造小区为研究对象，通过SWMM和鸿业海绵软件分别对传统和新型种植屋面两种改造方案进行模型构建，并进行径流控制及污染物削减能力模拟评估。由此可知，基于SWMM模型模拟分析排水管网运行现状，对提升管网系统排水能力、提出管网优化设计方案、缓解内涝风险具有指导意义。黄棚兰等[11]利用SWMM模型对某小区污水管网在动态条件下的水力状态进行模拟，按照24 h用水统计规律分配居民用水平均日用水量，并在污水管网模拟过程中加入因降雨径流而入流污水管网造成的影响，结果表明，SWMM模型可评价雨水入流对污水管网运行的影响。王兆礼等[12]基于SWMM和TELEMAC-2D模型构建出新的耦合模型TSWM，并以广州长湴地区为例，对不同重现期暴雨开展数值模拟，较准确地模拟了研究区的内涝情况，并可实现城市内涝精细化模拟。姚焕玫等[13]将研究区划分为若干150 m×150 m的子汇水面积作为模拟单元，采用SWMM模型和ArcGIS系统，构建南宁市区地表径流及非点源污染精细化雨水径流模型，并利用SWMM低影响开发模块，结合不同改造目标对南宁某高强度海绵城市模式示范区进行情景改造模拟，并提出将单位成本投资作为工程效益评估指标，能更客观、真实地指导南宁海绵城市建设改造。

本文主要根据徐州市南部某汇水区雨水管网现状，利用SWMM模型对该区进行暴雨模拟，分析不同降雨重现期下雨水管网的排水情况以及汇水区内的积水情况，从而为完善现状雨水管网、减少城市内涝提供依据。

1 研究区概况及模型构建

1.1 研究区概况

研究区位于徐州市南部，汇水区总面积约为15.36 km2，现状用地主要为建设用地、绿地和林业用地。其中，建设用地面积约为9.86 km2，约占总用地面积的64.2%；绿地面积约为0.77 km2，约占总用地面积的5.0%；林业用地面积约为3.75 km2，约占总用地面积的24.4%；其他用地面积约为0.98 km2，占总用地面积的6.4%。如图1(a)所示，研究区地势整体表现为西高东低的特点，高程在29～198 m，地势高差较大，如图1(b)所示。

图1 研究区区域Fig.1 Research Area

研究区属于雨污分流排水体制，雨水管道管材多采用钢筋混凝土管，管径为d600～d2000，部分为排水管渠，断面尺寸为B×H=2.5 m×1 m，管线全长约为5.88 km。区域内有河流1条，全长约为5.1 km，自西向东接入其他河流。

1.2 降雨数据

降雨过程线是指一个时间段内的降雨量在单位时间上的变化过程，可通过直线图或者曲线图来表示，通常把用来表示降雨过程线的全过程称为降雨模拟。有多年完整降雨资料的地区，可以采用实测资料进行模拟；当降雨资料匮乏时，可根据理论或者经验公式合成降雨曲线后输入模型进行模拟。常见雨型有均匀雨型、模式雨型、芝加哥雨型、P&C雨型、Huff雨型、CSC雨型、Yen & Chow雨型(三角形雨型)。

降雨数据采用国内常用的芝加哥雨型及徐州市暴雨强度公式合成暴雨数据[14]。慕瑞琪等[15]对52场较为完整降雨的研究结果表明：暴雨雨型基本呈单峰形，60、120 min雨型雨峰位置均处于前部，120 min雨峰系数r=0.29，雨峰时段雨量占总雨量的16.78%；60 min雨峰系数r=0.41，占总雨量的23.13%[16]。本研究中雨峰系数取0.4，降雨历时取120 min，分别模拟1、2、3、5 a这4个不同重现期的降雨，降雨过程线如图2所示。徐州市暴雨强度计算[17]如式(1)。

(1)

其中：i——降雨强度，mm/min；

t——暴雨历时，min；

P——暴雨重现期，a。

图2 2 h历时雨量数据Fig.2 2 h Rainfall Duration Data

1.3 径流系数

利用泰森多边形对研究区划分子汇水区，根据现状雨水管道及排水方向进行手动调整。不渗透系数对于SWMM模型的精度具有重要影响，其值是根据子汇水区内不同的用地性质进行加权平均计算得出。不同下垫面对应径流系数如表1所示。

表1 各下垫面对应径流系数[18]Tab.1 Runoff Coefficient Corresponding to Each Underlying Surface[18]

1.4 水文模型参数设置

水文模块包括地表产流模型和地表汇流模型。SWMM提供了3种地表产流模型，分别是Horton模型、Green-Ampt模型以及Curve-Number模型。其中，Horton模型适用范围较广，可应用不同土壤类型试验所得参数，且模拟结果较好[19]。本研究中选用Horton产流模型，最大入渗速率为76 mm/h、最小入渗速率为3.3 mm/h、衰减系数为4 h-1；汇流模型采用非线性水库模型。不渗透地表、渗透地表和雨水管道的曼宁n值分别为0.015、0.24和0.013[20]，不渗透、渗透洼地的蓄水量分别为1.5、7.6 mm，地表坡度根据研究区地面标高计算可得，流量演算利用动态波进行模拟。

1.5 模型率定

模型在应用之前，应进行校核和验证。选用2019年9月研究区监测的一场实测24 h降雨量数据，结合片区实际积水深度对模型进行验证，积水点位置如图1(a)所示。模型率定结果如图3所示。积水深度模拟数据与实际观测数据拟合较好，表明模型的模拟结果是基本可靠的。

图3 降雨量分布与模型率定结果Fig.3 Rainfall Distribution and Model Calibration

2 模拟结果及分析

2.1 雨水管网排水能力分析

分别将重现期为1、2、3、5 a的2 h历时降雨数据输入模型，分析汇水区内雨水管网的排水能力，统计结果如图4所示。

图4 汇水区管网评级Fig.4 Drainage Network Classification

从分析结果来看， 小于1年一遇排水量的约有48%，满足1～2年一遇排水量的约有47%，满足2～3年一遇排水量的约有2%，满足3～5年一遇排水量的约有3%，大于5年一遇排水量的管涵约有0。

2.2 积水情况分析

分别将重现期1、2、3、5 a的2 h历时降雨数据输入模型，统计分析汇水区积水面积和积水深度，以评价汇水区的内涝程度，结果如图5所示。

图5 不同重现期汇水区淹没区域模拟分析图Fig.5 Simulation Analysis of Waterlogging Region of Rainoff Areas in Different Recurrence Periods

从分析结果可以看出，随着降雨重现期的增大，汇水区积水面积和积水深度也随着增加。重现期为1 a时，未淹没区约占总汇水面积的95.88%，淹没区约占总汇水面积的4.12%；积水深度在0～0.2 m的约占3.41%，0.2～0.4 m的约占0.46%，0.4～0.6 m约占0.18%，0.6～0.8 m的约占0.05%，大于0.8 m的约占0.02%。重现期为2 a时，未淹没区约占总汇水面积的94.49%，淹没区约占总汇水面积的5.51%；积水深度在0～0.2 m的约占4.57%，0.2～0.4 m的约占0.54%，0.4～0.6 m的约占0.25%，0.6～0.8 m的约占0.09%，大于0.8 m的约占0.06%。重现期为3 a时，未淹没区约占总汇水面积的92.98%，淹没区约占总汇水面积的7.02%；积水深度为0～0.2 m的约占5.94%，0.2～0.4 m的约占0.59%，0.4～0.6 m的约占0.28%，0.6～0.8 m的约占0.11%，大于0.8 m的约占0.10%。重现期为5 a时，未淹没区约占总汇水面积的91.55%，淹没区约占总汇水面积的8.45%，淹没区面积最多，为1.30 km2；积水深度0～0.2 m的约为1.10 km2,约占7.17%，0.2～0.4 m的约占0.69%，0.4～0.6 m的约占0.32%，0.6～0.8 m的约占0.14%，大于0.8 m的约占0.13%。

3 结论与建议

(1)2 h历时降雨情况下，汇水区内雨水管网排水能力小于1年一遇排水量的约有48%，1～2年一遇排水量的约有47%，2～3年一遇排水量的约有2%，3～5年一遇排水标准的约有3%，大于5年一遇排水量的管涵约有0。

(2)2 h历时降雨情况下，重现期为5 a时的淹没区面积最多，为1.30 km2，占汇水区总面积的8.45%，其中积水深度多小于0.2 m，约为1.10 km2，约占总面积的7.17%。

(3)汇水区域在降雨时发生不同程度积水的原因主要在于城镇化高速低质发展、短时集中降雨天气增多、排水管网设计标准偏低以及城市排水系统日常维护管理相对滞后等。在今后的城市建设中，可利用模拟分析结果有针对性地提出改造方案，以提高城市排水防涝设施规划、建设、管理和应急水平。