基于SWMM模型的S县城雨水系统优化模拟

林利森 熊子鹰 赵少远

〔摘 要〕为了有效调度城市雨水系统中的灰色管渠部分，使之能与绿色基础设施联动作用，最大限度地控制城市雨水，对S县城雨水系统进行优化模拟并建立SWMM模型。结果表明，通过改造S县雨水系统，当地在典型降雨下的径流峰值能延迟约9 min出现，5 a重现期以下超载管道和超载节点数比改造前降低了90%以上，排放口流量明显降低。

〔关键词〕 SWMM;雨水系统;优化模拟

中图分类号：TU992    文献标志码：B  文章编号：1004-4345（2024）03-0051-04

Optimization Simulation of Rainwater System in County S Based on SWMM Analysis Model

LIN Lisen1， XIONG Ziying2， ZHAO Shaoyuan2

（1. Jiangxi Water Investment Construction Group Co.， Ltd.， Nanchang， Jiangxi 330029， China;

2. Jiangxi Water Group Co.， Ltd.， Nanchang， Jiangxi 330029， China）

Abstract  In order to effectively regulate the gray pipe culverts of the urban rainwater system， enabling them to interact with green infrastructure and control urban rainwater to the maximum extent， this study is made on the optimization simulation of the rainwater system in County S， and a SWMM model is developed. The results by renovating the rainwater system in County S show that the local peak runoff under typical rainfall condition can be delayed by about 9 minutes， and the number of overloaded pipelines and nodes below the 5 a recurrence period has decreased by more than 90% compared to the number before the renovation， and the flow rate of discharge outlet has also been significantly reduced.

Keywords  SWMM; rainwater system; optimization simulation

收稿日期：2023-11-20

作者简介：林利森（1975—），男，高级工程师，主要从事工程建设与管理工作。

1   研究背景

近年来，我国学者将低影响开发理念引入城市雨水系统设计当中，利用建模技术在城市雨水控制利用与雨水资源化回收领域取得了一系列成果。为解决控制目标的适用性问题，刘建彪[1]提出了一套适用于LID雨水系统的水文分析方法，以径流总量为主要指征，科学地评价LID雨水系统对于地表雨水的削减效果。蒲政衡[2]在青岛市李沧区海绵城市试点区内构建了降雨径流模型，证实了LID设施可以增加雨水的渗透，降低雨洪发生风险，尤其在低重现期对雨水径流总量和峰值具有显著控制效果。然而，随着研究的深入，国内学者也发现了一些问题，例如LID理念的核心内容“低影响”，过于强调新型雨水调蓄设施，而未将长期以来占主导作用的传统雨水管道、沟渠等灰色基础设施统筹考虑。在LID系统设定中，灰色设施仅作为雨水转运的空间通道，却未能与绿色设施产生联动效果。为了更好地达成城市排涝的目的[4]，本文在以S县城为例研究构建其雨水系统时，综合考虑了灰色和绿色基础设施的协调联用，以期最大限度地控制城市雨水，为我国内涝防治和雨水控制利用提供参考。

2   雨水系统组成

本次模拟构建的雨水系统组成如图1所示，包括入渗系统、转输系统、调蓄系统和排放系统。其中调蓄系统作为控制超常规降水量的辅助措施，应在有条件的情况下敷设。

图1  雨水系统优化形式

雨水排放最前端是入渗系统，通过对城市地表、屋面等结构采取相应的改造措施，如铺设绿色屋顶、下垫面透水铺装等，可以提升区域内的入渗量，从总量上控制住了径流量的增长幅度。转输系统通过雨水控制单元对地表径流的汇流过程产生影响，其中灰色基础设施将流入管渠系统的径流向下游输送，绿色基础设施将汇集于自然地面上的地表径流沿城市绿色下垫面向下游输送。转输过程中，雨水会在压力水头的作用下，在灰色—绿色界面上向低压方向做竖向流动，形成双排水的效果。排放系统位于雨水系统的最下游，借助灰色管渠系统或绿色自然地面，最终将雨水排入水体。

3   研究区域雨水系统优化与建模

3.1  研究区域概况

S县位于江西中东部，地处赣、闽交流的主要通道，倚靠武夷山脉，其有据可考的建城历史长达

1 762年。S县自然生态资源丰富，风景优美，全县森林覆盖率73.29 %，是国家认证的国家级生态示范区、国家重点生态功能区，地貌特征是山多平地少。S县四季分明，气候较温和，属亚热带湿润性山区气候，年平均气温18.0 ℃，年平均降水量1 800.8 mm，最大年降雨量为2 462.6 mm;最小年降雨量为

1 135.6 mm。当地4～6月的降雨量占全年降雨总量的48 %。历年24 h最大降雨量为178.2 mm。

3.2  降雨情景规划及产汇流过程模拟

3.2.1  降雨情景规划

本文采用芝加哥雨型[5]模拟生成的降雨情景作为模型背景，是因为考虑到芝加哥雨型的降雨模型较实际常规降雨峰值更明显，对雨水系统的要求更高。结合S县住建及气象部门的指导建议，得出S县的暴雨强度公式为：

q=。

式中：q为设计暴雨强度，L/（hm2·s）;p为设计重现期，年;t为降雨历时，min;公式中常数根据S县统计数据进行计算确定。

3.2.2  雨水产汇流模拟

本文采用非线性水库模型[6]模拟径流汇流，模型基本设定为将任意子汇水面积均视作非线性水库，其一般形式方程如下：

=。

式中：ic（t）为对应单位时间内的净雨强度，mm/min;Q（t）为对应单位时间内的系统排放量，m3/s;K为库容系数;n为无量纲指数，取值范围为0～1。

以Horton曲线[7]模拟下渗过程，其计算公式如下：

式中：f0为径流刚形成时单位时间内的下渗量，mm/h;f∞为径流在土壤饱和时刻，单位时间的下渗量，mm/h;

fp，t为t时刻对应的径流单位时间下渗量，mm/h;kd为下渗量的衰减速率，h-1;F（tp）表示tp时刻内达到的总下渗量，mm。

3.3  模型参数设置

根据雨水系统模型指导书和当地的实测的气象水文资料，对模型进行了初始设定的调试。之后运用大量真实数据对模型进行拟合度调教，不断反馈到参数值的调整上，最终保证模型计算出的预测值和真实值在可靠范围内。本文将这部分计算参数选定如表1。

表1  模型计算参数

3.4  模型参数率定

选取跟踪监测S县3场不同发生时间、不同降雨强度的降雨情境，获取其降雨过程数据，据此进行模型的参数率定。

以纳什效率系数（NSE）作为模型质量验证标准[8]，可以反映其拟合精准度。若NSE>0.7，则表明模型的质量较好，可靠度较高，模型推导出的模拟值和实测值拟合程度较高。NSE越是趋近于1，则模型的质量越好，模型置信度越高。

对上述降雨过程数据汇总形成校验数据源，输入模型对其可靠性进行验证，3场降雨输出的纳什效率系数NSE分别为0.86、0.91、0.83，均处于0.7～1.0之间。图2显示的是在2018年9月22日的降雨情境下实测过程和模拟过程的对比情况。可以看出，优化后的模型参数表现出良好的拟合可靠性，所以该模型用于模拟降雨情境是符合准确度要求的。

3.5  雨水系统优化

研究区下垫面的渗透性、蓄容量等指标有差异，因此需要规划每一小块子汇水区的雨洪控制单元敷设占比。考虑到研究区为S县城，短时间内不具备设置超标调蓄系统的条件，故本次雨水系统优化不考虑该部分内容。

为了使模型的研究条件更精准，首先需要做好资料准备工作（包括当地水文气象相关资料、SWMM应用的相关文献和手册等），通过这些资料确定在雨水排除过程中各项设施参数的一般设定，随后对照当地的地理卫星图文资料，获得各子汇水区的坡度i，最后参考S县规划，确定研究区域的划分等级。本文通过上述程序将S县研究区划分为5个等级，如图3所示。

4   结果与分析

4.1  径流情况模拟分析

以径流量为研究变量，利用模型计算出雨水系统改造前后的径流过程进行数据化呈现，同时研究了不同降雨重现期对径流情况产生的影响。囿于篇幅限制，本文仅以降雨重现期P =2 a和P =5 a两种降雨情境的径流过程进行分析，结果如图4所示。

根据图4所示的数据结果可知，降雨重现期P=

2 a与P =5 a时，径流量—时间曲线变化节点与降雨强度—时间曲线变化节点并非同步，这种结果符合现实情境。径流量峰值与降雨强度峰值存在时间差，其主要原因是研究区域下垫面始终存在非径流水文过程，如下渗、蓄滞、截留等，在这部分水文过程的影响下，降雨初始时刻不会形成径流。总体而言，径流量—时间曲线与降雨强度—时间曲线的变化趋势总是高度相似的，这种相似性所依赖的基础是降雨为城市径流出现之根源。

在以上论述的基础上，对不同降雨重现期下的径流曲线变化情况差异加以深入分析。在降雨重现期P= 2 a时，研究区雨水系统改造前后的径流量—时间曲线变化趋势基本一致，但是曲线两处拐点出现时间均有差异。降雨强度峰值出现时刻为45 min，改造前后雨水系统径流量峰值出现时间分别为

48 min和57 min，灰—绿联合雨水系统将径流峰值出现时刻推迟了12 min，且大幅降低了径流峰值;在雨水系统径流量迎来峰值之后，短时间内快速削减至低水平状态，随后平缓下降。这种现象表明，此阶段雨水系统绿色基础设施部分已经处于满负荷状态，主要是灰色基础设施在起排净雨水的作用。径流曲线在120 min出现第2个转折点，径流量以更加平缓的下降速度趋向于零，与现实情况相符。当P=5 a时，径流曲线相较于短降雨重现期情境下变化确实基本一致，径流量峰值出现时刻接近，改造前后雨水系统径流量峰值出现时间分别为48 min和54 min，延时效果不显著，在降雨停止之后，转折点出现的时间与前一重现期相差不大，但径流曲线在折点后以更陡峭的下降速度趋向于零，说明此时的灰—绿联合系统受到更大的冲击，但是仍在系统的承受范围之内。

4.2  溢流及过载情况模拟分析

以研究区雨水系统管道过载情况为对象进行数据化分析，结果如图5所示。

在降雨重现期P =0.5 a的降雨情境下，研究区原始系统与改造后的雨水系统管道过载情况差异很小，分别为1根管道过载和没有过载;当降雨重现期增加到P =2 a时，两种雨水系统管道过载情况出现明显差异，原始系统过载管道的数量已经大幅增加到82根，整体占比32.90%，而改造后的雨水系统只在最不利管道出现2处过载情况，仅为原始系统过载管道数量的2.44%;当降雨重现期进一步提高到P = 5 a时，改造前后的雨水系统过载情况差异仍然明显，过载管道数量分别为136根和8根，原始系统过载管道数量整体占比已经过半，上升到到54.62%，优化系统过载管道数量相对占比5.88%;当降雨重现期P=10 a时，改造前后雨水系统过载情况的差异在缩小，改造前后雨水系统过载管道数量分别为157根和20根，原始系统过载管道数量整体占比63.05%，优化系统过载管道数量相对占比上升至12.74%。

以研究区雨水系统节点积水情况为对象进行数据化分析，结果如图6所示。

在降雨重现期P =0.5 a的降雨情境下，研究区改造前后的雨水系统积水节点数量均为0;当降雨重现期增加到P =2 a时，改造前后雨水系统节点积水情况出现明显差异，积水节点数量分别为64、0，原始系统积水节点数量整体占比25.70%;当降雨重现期进一步提高到P= 5 a时，改造前后的雨水系统节点积水情况依然存在明显差异，积水节点数量分别为102、2，原始系统积水节点数量整体占比40.96%，优化系统积水节点数量相对占比1.96%;当降雨重现期P =10 a时，改造前后雨水系统积水节点数量差距仍然显著，分别为131、8，原始系统积水节点数量整体占比52.61%，优化系统积水节点数量相对占比上升，仅为6.10%，随着降雨重现期的增加，改造后的雨水系统展现出了良好的稳定性。

以降雨重现期P=10 a时的雨水系统最不利管道和节点为对象进行改造前后的过程分析。改造前的雨水系统最不利管道为G192，达到满流状态历时1.2 h，而改造之后因为联合了局部区域内绿色基础设施的排蓄能力，对G192的运行过程产生了非常有利的变化，在运行过程中没有出现满流状态，满管时长为0。原始雨水系统的最不利节点为J100，改造前后积水累计时长分别为2.50 h、1.03 h，改造后系统最不利节点积水累计时长仅为改造前的41.20%，积水总量分别为89.70 L、78.86 L，改造后相对占比89.71%，积水总量小幅下降。

4.3  雨水排放口情况分析

以系统出流量作为系统改造效果的评判指标，分析两种系统出流量的差异，结果如图7。

由数据可知，两系统排放口累计流量均与重现期呈现近似正相关，且原始系统的排放口累计流量比改造后系统的排放口累计流量高出42%～77%，两相对比，改造措施。在降雨重现期依次为P=2 a、P=5 a和P=10 a的情境下，原始系统总出水容积依次递增17.80万m3、12.15万m3、8.80万m3，对应的增长率呈现下降趋势，分别为73.70%、29.00%和16.30%。随着重现期增加，两系统总排放容积均相应增长，但是增量放缓、环比增长率下降。实际上，灰色基础设施排水能力相较更容易达到满负荷甚至超负荷状态，因此降雨重现期的增加肯定会引起系统内的积水量大幅上升，溢出水量在在总排放容积这个指标中没有体现。

以典型排放口峰值流量为分析对象，在降雨重现期分别为P =2 a、P=5 a和P=10 a的3种降雨情境下，双排水系统总出水容积相对于前一研究重现期的增长率分别为96.50%、37.54%和20.35%，这是因为联合了绿色基础设施的雨水调蓄效果之后，雨水系统在中低重现期情况下排放口总排放容积有显著下降，当P=0.5 a、P=2 a、P =5 a、P=10 a时，相比原始系统总排放容积分别下降了57.49%、52.57%、45.02%、42.37%，削减量增长幅度放缓，结果如图8所示。

5   结论与展望

1）构建雨水系统时综合考虑灰色基础设施和绿色基础设施，并依据现场情况合理选定优化设施，能够有效解决城市雨水问题。

2）综合考察径流削减率、管道超载数、节点溢流数等各项指标，可以从局部蓄滞水到系统末端出流全过程，更整体地评估雨水系统效果。

3）未来应当真正将绿色和灰色基础设施看作一个整体系统，对雨水在灰色和绿色基础设施中的流动状态和变化情况展开研究。

4）为使灰—绿色基础设施联合作用排除内涝的效能充分释放，需要在实际项目建设中辅以一定的配套工程设施。但是如何从技术经济角度更易建设该部分构筑物，还需要在后续的研究中做更多深入探索。

参考文献

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