基于SWMM的村镇易涝小区雨水系统改造与优化研究

苏金海　黄鑫　胡昊　范伟　杜建康　韦伟　朱曙光

摘要 以某村鎮居民小区内涝防治工程为例，应用SWMM雨水管理模型模拟该小区在多个重现期下雨水系统改造效果，分析雨水管道泄流能力、雨水井最大水深、排放口峰值流量等水力特征；考察增加海绵设施后子汇水区径流量、雨水井最大水深和排放口峰值流量等水力特征，并通过雨水井积水深度随时间的变化曲线分析了雨水井累积雨水量。结果表明：无海绵设施的情况下，改造后雨水管网重现期提升至20 a，GQ32雨水管道泄流能力提升2.70%～22.81%，雨水井最大积水深度下降值为0.024～1.651 m，PFK1水流频率下降4.69%～8.02%，PFK2水流频率下降4.72%～8.12%。增加海绵设施的情况下，改造后雨水井积水深度下降0.020～0.298 m，PFK1峰值流量下降0.051～0.144 m3/s，PFK2峰值流量下降0.043～0.143 m3/s；雨水径流削减率随重现期的增加而减少，最高达28.68%。该研究结果可为村镇居民环境优化提供思路和技术支撑。

关键词 SWMM；雨水系统改造；海绵设施；积水深度；泄流量

中图分类号 TU992 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2023）06-0208-08

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2023.06.049

Research on the Renovation and Optimization of Rain System in Waterlogged Areas Based on SWMM

SU Jin－hai1， HUANG Xin2，3， HU Hao2，3 et al

（1. Anhui Shui’an Construction Group Co.， Ltd.， Hefei，Anhui 230601;2. nhui Key Laboratory of Water Pollution Control and Wastewater Resource，Hefei， Anhui 230601;3. College of Environment and Energy Engineering， Anhui Jianzhu University， Hefei， Anhui  230601）

Abstract Taking waterlogging prevention project of a residential area as an example， SWMM rainwater management model was used to simulate the effect of the renovated project of rainwater pipe system in many multiple return periods，  the discharge capacity of rainwater pipe， maximum water depth of rainwater well， peak discharge of drainage mouth and other hydraulic characteristics were analyzed. The hydraulic characteristics such as the runoff in the sub－catchment area， the maximum water depth of the rainwater well and the peak flow of the discharge port after adding the sponge facilities were investigated. The accumulated rainwater in the rainwater well was analyzed by using the curved line integral of water depth of rainwater well with the time. The results showed that the return period of rainwater pipe increased to 20 a under the conditions of no sponge facilities after rainwater pipe renovated，GQ32 rainwater pipe’s discharge capacity increased by 2.70%-22.81%， the maximum water depth in the rainwater well decreased 0.024-1.651 m， the peak flow frequency of PFK1 decreased by 4.69%-8.02%， the flow frequency of PFK2 decreased by 4.72%-8.12%. Under the conditions of adding sponge facilities after the construction， the water depth of rainwater well further decreased 0.020-0.298 m， the peak flow of PFK1 decreased 0.051-0.144 m3/s， and the peak flow of PFK2 decreased 0.043-0.143 m3/s. The reduction rate of rain runoff decreased with the increase of return period， the highest value reached 28.68%. This study results could provide ideas and technical supports for the optimization of environment of rural residents.

Key words SWMM；Rainwater pipe system’s renovation；Sponge facilities；Depth of water;Water discharge

近年来，随着我国美丽乡村建设的加快，许多村镇硬化率不断上升，许多村镇雨季内涝严重［1］，一些地势低的老旧小区情况更为严重，对村镇居民生活和出行造成了严重影响。老旧小区雨季发生内涝主要有以下原因：①合流制排水管问题。许多村镇居民小区在此前设计时采用雨污合流制排水管。随着硬化率的上升，合流制管道在暴雨季节已经无法满足泄流能力要求［2］。②雨水管老化破损。很多村镇居民小区的雨水管年久失修，破损、堵塞、腐蚀严重，导致雨水不能及时排除［3］。③雨水口堵塞。很多村镇的雨水井井底布满垃圾和淤泥，下雨时雨水将地面上的颗粒垃圾和泥沙一起冲刷到雨水口，造成雨水口堵塞［4］。④地面硬化率增加。随着新农村建设进程的加快，地面硬化率也不断增加，不透水面积比例增加，雨水径流量增加。唐炉亮等［5］研究表明雨水管网改造是治理内涝的一个有效途径。为避免发生内涝，村镇居民小区雨水管改造和海绵设施的增加显得尤为重要，而雨水管改造能否达到预期效果需要利用相关模型进行预测。雨水管理模型（SWMM）能够很好地模拟地面雨水径流和雨水管道的泄流量，评估雨水井和雨水管道的泄流能力［6-7］。笔者以安徽某村镇居民小区雨水系统改造为例，利用SWMM水力模型对该小区雨水系统改造工程进行模拟研究，评估改造后的运行效果，旨在为相关建设项目提供参考。

1 研究区概况

研究区地势比较平坦，整体坡度为3%～4%，主要土地利用类型为住宅，总占地面积约3.88 hm2，总建筑面积3.60 hm2。为解决小区内涝问题，对小区进行室外雨污排水管升级改造，扩大原雨水管道管径。利用SWMM软件构建雨水管网水力模型，对改造后的雨水管道排水能力进行评估。研究区如图1所示。

2 降雨数据构建

研究区属于北亚热带季风气候，春夏季节雨水偏多。王睿等［8］收集了该地多个雨水站40多年的暴雨资料，对传统暴雨强度公式加以改进，最终得出该地暴雨强度公式：式中，i为暴雨强度，单位为mm/min；t为降雨历时，单位为min；P为重现期，单位为a。利用上述暴雨强度公式模拟研究区降雨数据，应用芝加哥雨型器分别模拟重现期为2、5、10、20、50 a时的降雨情况。峰值比例r取0.4，历时120 min。模拟的降雨过程如图2所示。

3 模型构建

将研究区进行概化，按照地形走势，共设置31个子汇水区（ZMJ）、58个雨水检查井（J）、59根雨水管（GQ）和2个排放口（PFK），如图3所示。下渗模型选用Horton模型，演算模型选用运动波，时间演算步长取10 s，模型重要参数

取值见表1。

4 模拟结果与分析

将用芝加哥雨型器构建的降雨数据输入到SWMM模型中，分别模拟雨水管道改造前和改造后的管段流量、节点水深和排放口泄流量。

4.1 主要管段流量分析

根据小区雨水管道管底坡度和管径的变化，选取概化区域的主干管段GQ3、GQ13、GQ23、GQ25、GQ32、GQ58，对其最大流量和最大水深进行分析。以重现期20 a为例，改造前后主干管段泄流量如图4所示。从图4可以看出，当重现期为20 a时，改造后主干管段最大泄流量均大幅度提升，GQ58最大泄流量提升最大，改造前最大泄流量为0.781 m3/s，改造后最大泄流量为0.913 m3/s，泄流能

力提升16.90%。主干管段纵剖面见图5。从图5可以看出，当重现期为2 a时，改造后雨水井积水深度略微下降，改造前和改造后雨水管网均能满足泄流能力要求；当重现期为20 a时，改造前主干管段大部分管段已为压力管段，且雨水漫出雨水井；改造后雨水管虽有部分管段为压力管段，但雨水并未漫过雨水井，勉强能达到雨水泄流能力。

考虑GQ32为子汇水区末端主干管段，支管汇入流量较大且管径变化相对较小，因此GQ32是概化区域的最不利管段。对其泄流能力进行分析，GQ32管道最大泄流量对比见表2。从表2可以看出，雨水管道改造后泄流能力提升较为明显，当重现期为2 a时改造后GQ32管段泄流能力提升2.70%，当重现期为20 a时改造后GQ32管段泄流能力提升22.81%。随着重现期的增加，雨水管道泄流能力显著增加。

4.2 重要节点水深分析

根据小区雨水井深度及雨水管管径变化，选取主干管道上的重要节点，编号分别为J5、J18、J21、J24、J25、J33，对其在不同重现期下最大积水深度进行分析，结果如表3所示。

从表3可以看出，当重现期分别为2、5、10、20 a时雨水管道改造后雨水井最大积水深度明显降低。当重现期为2 a时，J18节点改造前后最大积水深度下降值和径流削减率均最大，改造后最大积水深度下降0.492 m，径流削减率为63.48%。当重现期为5 a时，J5节点改造前后径流削减率最大，達87.67%。当重现期为10 a 时，改造前J5、J18、J21节点部分雨水井无法达到泄流要求，此时J18节点最大积水深度已达2.000 m，超过雨水井深度，雨水将漫出路面，造成地面积水；改造后J18为最不利节点，其最大积水深度为0.963 m，能满足泄流要求。当重现期为20 a时，J18、J21节点雨水井最大积水深度高达2.000 m，不能满足泄流要求，但改造后J18、J21节点雨水井最大积水深度明显降低，J18节点雨水井最大积水深度下降0.543 m，J21节点雨水井最大积水深度下降0.579 m，均能满足泄流能力要求。当重现期为50 a时，改造前后雨水管和雨水井均不能满足泄流要求。

重现期为20和50 a时改造前后重要节点水深随降雨时间的变化如图6所示。从图6可以看出，重要节点（雨水井）水深均在降雨1 h后达到最大，改造后重现期为20 a时重要节点水深明显降低；当重现期为50 a时由于改造前后均不能满足泄流要求，重要节点最大水深无明显变化，说明该改造方案不能满足重现期为50 a时的泄流要求。

4.3 排放口流量分析

研究区2个排放口的水流频率、平均流量、峰值流量和总排放量如表4所示。

由表4可以看出，不同重现期下改造后水流频率略有下降，PFK1削减百分比为4.69%～8.02%，PFK2削减百分比为4.72%～8.12%，说明改造后雨水管道内水流速度变缓，这对雨水管道起到了保护作用。改造后排放口平均流量有所提升，原因可能是雨水管径扩大，雨水泄流能力提升，并且随着重现期的增加，排放口平均流量增加越明显。

5 增加海绵设施

SWMM模型作为国内外主要的低影响开发预测模型之一，它能够较好地模拟在海绵设施调控下的雨水径流量、峰值流量和蓄水量等参数的变化［9］。在雨水管道改造的基础上，再增加海绵设施，利用SWMM模型的低影响开发（LID）模块分别模拟改造后有无海绵设施2种情况下的雨水径流情况。根据研究区地形地貌和气候特征，选择下渗道路、透水停车场、种植沟和绿色铺装4种海绵设施。新增海绵设施面积与比例如表5所示，海绵设施布置示意图如图7所示。

5.1 增加海绵设施后雨水径流衰减分析

增加海綿措施可以有效减少地面径流量，缓解地面积水压力。通过SWMM模型模拟计算雨水管网改造后有无海绵设施汇水区径流总量情况，如表6所示。增加海绵设施可以有效减少雨水地表径流量，重现期为2 a时径流削减量达401.50 m3，重现期为20 a 时径流削减量达464.56 m3。刘卿瑞［10］研究老旧小区增加LID措施布置后，研究区域内地表径流总量减少约67%；熊向陨等［11］研究不同海绵设施的径流效果，研究发现径流削减率从22.76%到33.89%不等，这表明海绵设施可以有效减少地表雨水径流量，海绵设施的类型、面积不同，径流削减率也不同。从表6可以看出，重现期分别为2、5、10、20、50 a时，海绵设施对地面雨水的径流削减率分别为28.68%、23.07%、18.55%、16.37%和14.78%。随着重现期的增加，径流削减率逐渐减小，这主要是因为随着重现期的增加，暴雨强度增大，海绵设施总蓄水量不变，径流削减率呈现降低趋势。因此，在雨水管网改造的基础上增加海绵设施可以截流部分雨水，减少雨水径流量，降低洪峰流量，但这种削减效果随着重现期的增大而变弱。

5.2 增加海绵设施后重点节点水深分析

改造后增加海绵设施，雨水井最大积水深度均有所下降，选取重要节点J5、J18、J21、J24、J25、J33进行分析，重要节点最大积水深度见表7。从表7可以看出，雨水管道改造后进一步增加海绵设施，雨水井最大积水深度进一步降低。当重现期为2、5、10、20 a时，雨水井最大积水深度下降值为0.020～0.298 m，径流削减率为3.44%～61.15%。考虑到J5节点雨水井上下游雨水管管底落差较大，对J5节点雨水井分析发现，当重现期为20 a时，J5节点改造后无海绵设施时雨水井最大积水深度为0.381 m，增加海绵设施后雨水井最大积水深度为0.148 m，径流削减率高达61.15%。雨水井积水深度降低主要是因为海绵设施起到了滞留雨水的作用。

对比雨水管道改造后有无海绵设施，重现期分别为20和50 a时重要节点雨水井水深随时间的变化如图8所示。从图8可

以看出，增加海绵设施后重要节点雨水井最大水深峰值时间较改造后无海绵设施时略有提前，雨水井最大水深有所下降，表明海

绵设施可以滞纳雨水，减少雨水径流量，缓解排水设施压力。

在雨水井底面积（A）一定的情况下，雨水井积水深度（H）随时间（t）的变化曲线积分面积可表示雨水井累积雨水量，即Q=A∫Hdt。改造后增加海绵设施，重现期分别为20和50 a时各节点水深随时间变化曲线积分面积较无海绵设施的情况下有所减小，即雨水井累积雨水量减少，进一步表明改造后增加海绵设施起到蓄水、滞水的作用，能降低内涝风险。

5.3 增加海绵设施后排放口流量分析

增加海绵设施后，研究区域的2个排放口水流频率、平均流量、峰值流量和总排放量如表8所示。由表8可以看出，增加海绵设施后排放口水流频率进一步下降但下降幅度不大，这与增加海绵设施面积占总面积的比例有关［12］。当海绵设施占比较高时，雨水径流量会进一步削减，水流频率进一步下降。这与Frias等［13］采用SWMM模型对德拉萨尔勒大学拉古纳校区的模拟研究结果相似。增加海绵设施后排放口平均流量和峰值流量均有所降低。5个重现期下PFK1平均流量下降0.003～0.046 m3/s，峰值流量下降0.051～0.144 m3/s；PFK2平均流量下降0.002～0.037 m3/s，峰值流量下降0.043～0.143 m3/s。Xian等［14］等评估LID措施的有效性，也得出类似的结果。当重现期分别为2、5、10、20和50 a时，降雨时间内雨水口总排放量较改造后未增加海绵设施减少400～500 m3。这说明增加海绵设施可以降低雨水管内流速，减少流量，缓解雨水管排水压力，同时起到蓄水、滞水的作用，有效避免内涝现象。

6 结论与展望

该研究对多个重现期下改造前后的雨水管道、雨水井和排放口进行模拟研究，系统分析了雨水管道泄流能力、雨水井最大积水深度和排放口峰值流量等水力特征。结果表明：①改造后的雨水管道可以满足更大的暴雨强度，泄流能力显著提升；②改造后雨水井最大水深下降明显，并且随着重现期的增加，雨水井最大水深下降越来越明显；③改造后排放口平均流量增加，水流频率降低，减轻了下游雨水管泄流压力；④雨水井积水深度随时间变化的曲线积分表明改造后增加海绵设施雨水井累积雨水量减少，进一步表明海绵设施起到渗滞雨水的作用，降低内涝风险。

利用SWMM模型可以对易涝小区改造方案的雨洪控制效果进行量化评价，可为工程设计提供科学依据。但是，构建SWMM模型时较多参数取值的选取依据往往很难做到因地制宜，尤其村镇居民区更很难在实际情况下验证，这是未来需要进一步改进和优化的方向。增加海绵设施可以有效减少雨水径流，当海绵设施增加到一定占比时，是否考虑不铺设雨水管道或减少管网铺设，是未来村镇海绵工程建设和雨水管网工程的方向；随着村镇海绵工程建设和防涝整治工程的实施，SWMM模型在模拟评估村镇海绵设施建设和雨洪灾害方面将发挥重要的预演作用。

参考文献

［1］ 孙亚军.SWMM模型的研究现状与进展［C］//中国环境科学学会.2015年中国环境科学学会学术年会论文集（第一卷）.北京：中国环境出版社，2015：792-794.

［2］ 李怀民，常晓栋，徐宗学，等.基于SWMM模型的坡地小区海绵城市改造效果评估［J］.南水北调与水利科技，2021，19（1）：43-49，82.

［3］ 吴烨璇，李树平，褚华强，等.雨水口截污技术发展综述［J］.净水技术，2020，39（6）：97-105.

［4］ 黄鑫，张乔丹，吴丹丹，等.我国新型雨水口的发展现状與展望［J］.安徽建筑大学学报，2021，29（2）：47-53.

［5］ 唐炉亮，胡锦程，刘章，等.基于SWMM的城市排水管网瓶颈分析与改造评价［J］.中国给水排水，2018，34（21）：112-117.

［6］ 施烨锋.基于SWMM的初期雨水截流效率［J］.净水技术，2020，39（S2）：121-125，141.

［7］ 张壹超，丁玥，郭文萱，等.基于SWMM的青岛市红岛片区海绵城市建设案例分析［J］.山西建筑，2020，46（21）：81-83.

［8］ 王睿，徐得潜.合肥市暴雨强度公式的推求研究［J］.水文，2016，36（1）：71-74.

［9］ 李思祎，张建丰，李涛，等.基于SWMM 模型的LID设施的雨洪控制效果分析［J］.中国农村水利水电，2019（6）：60-65.

［10］ 刘卿瑞.基于SWMM的老旧小区雨水系统模拟研究［J］.中小企业管理与科技，2021（3）：174-176，180.

［11］ 熊向陨，那金，潘晓峰，等.基于SWMM模型的海绵城市措施效果模拟研究：以深圳市光明新区为例［J］.给水排水，2018，44（4）：129-133.

［12］ 黄涛，王建龙，史德雯，等.汇流路径对SWMM模型水量模拟结果的影响［J］.环境工程，2020，38（4）：170-175.

［13］ FRIAS R A，MANIQUIZ－REDILLAS M.Modelling the applicability of Low Impact Development（LID）technologies in a university campus in the Philippines using Storm Water Management Model（SWMM）［J］.IOP conference series：Materials science and engineering，2021，1153（1）：1-12.

［14］ XIAN B C C，KANG C W，WAHAB M A，et al.Evaluation of low impact development and best management practices on peak flow reduction using SWMM ［J］.IOP conference series：Earth and environmental science，2021，646（1）：1-10.

基金项目 合肥市自然科学基金项目（2021015）；涡阳黑臭水体整治与污水处理国家PPP示范项目。

作者简介 苏金海（1964—），男，安徽淮南人，高级工程师，从事水环境治理技术方面的研究。

*通信作者，教授，博士，从事环境污染控制与资源化、环境模拟与评价等研究。

收稿日期 2022-04-18