基于城市暴雨洪水模型的市政内涝防治设计

摘 要：随着生态环境不断恶化，暴雨频率不断增加，暴雨洪水灾害对城市排水系统运行带来了极大挑战。城市既有排水系统难以满足排水需求，不仅造成下游地区防洪压力巨大，而且易引发严重内涝。开展城市暴雨内涝模拟研究能够为城市防灾减灾及排水规划设计提供重要理论依据。该文依托西安市某片区降雨、下垫面、管网数据进行暴雨管理模型（SWMM）构建，分析3、5、50年一遇常规降雨下3 h降雨过程，对片区相应重现期降雨下的管道超载及排水能力进行有效评估，并在此基础上进行低影响开发设施（LID）应用研究。结果表明，管道超载率随降雨量增大而增大，50年一遇降雨条件下为最高60%；片区管网排水能力不高，内涝风险随降雨量增大而增大，最大为44%；设计生物滞留池后，内涝风险降低幅度超40%。

关键词：暴雨管理模型；管道超载；内涝风险；生物滞留池；市政

中图分类号：TU992 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2024）29-0064-04

Abstract： With the continuous deterioration of the ecological environment and the increasing frequency of rainstorm， rainstorm and flood disasters pose a great challenge to the operation of urban drainage system. The existing drainage system in the city is unable to meet the drainage needs， which not only causes huge flood control pressure in downstream areas， but also easily leads to serious waterlogging. The research on urban rainstorm waterlogging simulation can provide an important theoretical basis for urban disaster prevention and mitigation and drainage planning and design. This paper builds a storm water management model （SWMM） based on the rainfall， underlying surface， and pipe network data of a certain area in Xi'an， analyzes the 3 h rainfall process under the 3， 5， and 50 year return period conventional rainfall， effectively evaluates the pipeline overload and drainage capacity under the corresponding return period rainfall in the area， and on this basis， conducts the application research of low impact development （LID） facilities. The results show that the pipeline overload increases with the increase of rainfall， and the highest is 60% under the condition of 50-year rainfall; the drainage capacity of the pipe network in the area is not high， and the waterlogging risk increases with the increase of rainfall， the maximum is 44%; after the biological detention pool is designed， the waterlogging risk is reduced by more than 40%.

Keywords： rainstorm management model; pipeline overload; waterlogging risk; biological detention pool; municipal public works

城镇化进程造成原有生态植被、水文、地形、地貌出现大范围破坏，城市排水难以外排，引发城市内涝灾害。针对城市雨洪排水能力进行评估及优化设计具有重要社会经济意义。目前存在较多的理论研究方法对城市排水性能进行预测分析，但计算过程多依赖经验公式，导致结果存在较大偏差。暴雨管理模型（SWMM）依托研究区域降雨、下垫面、管网等基本数据，以概化形式模拟排水系统运行状况，具备良好可靠性，能够为城市管网规划、防灾减灾等提供决策参考。

1 城市内涝灾害频发的主要原因

1.1 雨洪管理落后

国外雨洪计算模型被广泛应用于城市排水设计、规划及养护维修中。但是国内对于雨洪管理模型的研究力度不足，计算软件开发力度和雨量数据资料的缺乏使得雨洪管理落后，无法在管理方面应对城市降雨从而造成内涝灾害。

1.2 排水设计标准较低

排水设计标准落后，局部管道设计管径偏小，且管道老化明显，管道排水能力严重不足，易引发管道堵塞，导致城市出现积水等情况。

2 SWMM模型概述

2.1 基本理论

暴雨管理模型（SWMM）作为动态水文模拟模型，能够实现对城市连续降雨时间的水量模拟。模型内置多类型模块，径流模块利用产汇流理论处理降雨、径流及相关污染承载容量；管网汇流模块则利用渠道、管网、蓄水等排水设施传输水量，能够对不同时间步下的子流域水质、水量进行跟踪计算，还能够模拟管道中水深、流量及污染物浓度等。SWMM模型建立前，需要准确搜集当地计算基础数据：降雨数据，模型构建需要当地实际降雨数据，并且进行设计流量校正；管网数据，准确的管网规划及参数有助于模型计算结果准确可靠，排水管网数据主要包括管径、管道长度、标高、曼宁系数、雨水井深度、进出口损失系数、最大及初始流量，模型参数应用前需要进行必要校正；下垫面数据，主要包括区域坡度、高程及土壤类型，研究区域需要划分成多个子汇水区，并以之为基础开展空间单元的模拟计算；边界条件，作为模型计算的基础条件，区域不同排水体及排水结构条件均可作为研究边界，需要依照实际环境进行边界条件设置。

2.2 计算原理

SWMM模型计算中主要采取的计算单位为划分子汇水区，依据子汇水区不同计算参数进行产流分析，通过汇流计算获取子汇水区情况。SWMM下渗计算过程主要采取霍顿公式；管道产流过程则采取圣维南方程组计算；地表产流则采取非线性水库法计算，上游流域径流及降水构成非线性水库入流量，出流量则由地表径流、蒸发、渗入构成，洼地蓄水深则代表水库蓄水能力，地表径流产生条件为水深大于蓄水深度，并且对连续方程（1）、曼宁方程（2）进行联立求解[1]

式中：V为积水容量，V=Ah，m3；H为水深度，m；T为时间，s；A为流域面积，m2；q为出流量，m3/s；j为净雨量，mm；b为汇水区宽度，m；Hp为蓄水深度，m；k为汇水区计算坡度；n为曼宁系数。

mcBfXXir9rRglIp/rlNKXQ==3 工程概况

3.1 项目特点

西安市区某研究片区位于城市主干路交叉口东北位置，河道东侧，片区面积为5.5 km2，气候类型为湿润型大陆季风气候。片区多年平均降雨量525 mm，平均年降雨日接近80 d，集中降雨发生在7—9月份，夏季容易出现城市内涝灾害[2]。片区高程表现为北低南高，高差差异较小，整体较为平缓，土地类型包含市政道路、建筑、林地、草地，路网规划如图1所示。

3.2 数据分析

3.2.1 降雨数据

依据西安市降雨统计资料可知，西安市区降雨较为集中，且降雨历时分布不均匀，表现为单峰降雨形式。该研究片区位于西安市主城区，根据西安市雨型，利用芝加哥雨型生成器进行降雨设计，设计公式如式（3）

q=，（3）

式中：q为降雨强度，L/（s·ha）；t为降雨时间；P为降雨重现期。

雨型系数设计为0.354 81，获取降雨重现期3、5、50年一遇3.0 h降雨模拟数据，降雨量分别为7.2、9.0、16.2 mm，设计降雨过程如图2所示[3]，其中，60～80 min时间段内降雨量占比最大，约为75%。

3.2.2 下垫面资料

研究片区下垫面主要包括市政道路、建筑、林地、草地4种土地，片区内部不存在河道、湖泊。土地利用类型的曼宁系数可通过规范确定，土地利用类型的下渗率则可采取现场双环入渗法确定，市政道路、建筑、林地、草地的曼宁系数及稳定下渗率分别为0.013、0 mm/h；0.016、0 mm/h；0.19、15.8 mm/h；0.18、8.3 mm/h[4]。

3.2.3 管网数据

片区管网信息从西安市排水防涝规划资料中整理获取，片区管道建设主要沿着道路进行布设，管道设计长度3.8 km，设计管径为800～1 800 mm；雨水井共有85个，设置有15个排水口。模拟计算中，初始设置中假设管网具备较低含水量，管网排水性能不受影响，且管道损坏程度及堵塞情况相对较轻，不考虑其对管道过水能力的影响。

4 模型分析

4.1 模型构建

采取SWMM模型对片区排水管网及关联涉水工程进行概化，依据西安市城市规划划分汇水子分区数量132个，排水管道概化则通过管道布局CAD图进行，共概化81条排水管道，概化总长度3.8 km。SWMM模型计算过程中，上边界选取为降雨过程，排水口作为下边界，排水口主要分布于河道与研究片区交界位置，需排水至片区外。

4.2 模型率定

通过模型率定确定洼蓄深度、下渗率、管道糙率等参数，模型率定采取2023年7月片区降雨数据，降雨事件持续时间达6 h，降雨过程如图3所示。其中，降雨量主要集中于前3.5 h，总降雨量接近65 mm，最大降雨强度62 mm/h，降雨重现期20年。通过对现场降雨及淹没数据的测定，降雨3.5 h时的淹没面积达到1 560 m2；对片区SWMM模型管网糙率、下渗率、洼蓄深度等进行率定，模拟该降雨径流阶段，结果表明，模型3.5 h降雨淹没面积达到1 548 m2，相对误差小于1%。此外，地表积水主要集中于道路及草地位置，和实际观测相符合。由此可见，SWMM模型模拟的淹没区数据和实际吻合度较好，模型具备较好的可靠性。模型率定后的参数具体见表1，模型模拟时间步长设计为10 s，模拟时间设计为48 h[5]，以便排水管道能够充分排水。

5 计算结果分析

5.1 管道超载情况

管道超载率可通过超载状态管道长度占管网总长度比例计算而获取。不同降雨重现期下管网超载率统计如图4所示，结果表明，随降雨量增大，管网超载率不断提升；降雨为5年一遇时，管网超载率为55%，降雨增加至50年一遇时，管网超载率达到60%，且超载率增加幅度明显减缓[6]。

5.2 排水能力

通过SWMM模拟计算可知，排水能力小于1年一遇、1～5年一遇、5～10年一遇、大于50年一遇的排水管网分别占比15%、20%、20%、45%，由此可见，片区排水管网排水能力相对较弱，排水能力较弱的管网主要分布在汇水面积较大的下游区域。在研究片区排水管网排水能力较差区域设置内涝监测点，内涝风险大小的分级标准见表2，采取SWMM模型计算降雨重现期3年一遇、5年一遇、50年一遇出现内涝高风险的监测点占比，结果表明，随重现期增大，内涝高风险占比不断增大，重现期3年一遇、5年一遇、50年一遇出现内涝高风险占比分别为18%、21%、44%。经现场调查，高风险位置的地势相对较低，难以依靠自身高差进行排水；管道排水能力不足最终导致城市排水防涝功能不足，引发大量积水。

6 LID排水优化设计

6.1 LID设施

生物滞留池主要布置在片区上游，利用植物、微生物化学物理特性消减过量水量及污染物。

6.2 效果评价

采取生物滞留池作为LID设施，并对该措施实施前后进行模拟效果评比。生物滞留池模拟参数统计见表3。该LID设施主要布置在上游溢流出水口、径流系数较高的子汇水区，模型计算中假设50%LID设施面积中的径流会汇流到子汇水区透水区进行处理[7]。不同降雨重现期内涝风险占比对比如图5所示，结果表明，实施LID措施后，下游区高风险监测点占比明显减小，有效降低了内涝风险，片区排水防涝功能得到加大增强。

7 结论

城市降雨容易引发内涝灾害，针对城市雨洪管理的研究需要引起重点关注。SWMM模型能够依托片区降雨、下垫面、管网数据准确模拟城市雨水下渗、产汇流等情况，为后续评估城市排水能力提供理论参考。本文依托西安市某片区开展SWMM构建，重点分析3年一遇、5年一遇、50年一遇常规降雨下管道超载及排水能力，并在此基础上实施生物滞留池，以改善片区内涝风险。本文所做研究能够为类似项目建设提供一定参考。

参考文献：

[1] 江山，康丹，李琦，等.城市排水系统监测体系的设计与应用[J].中国给水排水，2023（22）：105-109.

[2] 邱健，孙全，张俊.九江市中心城区道路积水点改造思路及技术措施[J].中国给水排水，2022，38（4）：6-11.

[3] 吴沛霖，俞芳琴，王婷，等.基于SWMM的张家港市排水防涝风险评估[J].水文，2020（2）：31-37.

[4] 吕佳豪，侯精明，李东来，等.城市排水管网排口水位变化对城市洪涝过程的影响[J].给水排水，2023，49（5）：140-149.

[5] 刘艳海，李鸿，郭帅.南，北方3个城市排水管道缺陷统计分布特征比较研究[J].合肥工业大学学报：自然科学版，2023，46（7）：930-935.

[6] 侯精明，董美君，李东来，等.超标暴雨下城市雨水管网排水效果——以西安市沣西新城为例[J].地球科学与环境学报，2023，45（2）：427-436.

[7] 李文秋，张维，孙永利，等.城市排水系统旱季阶段性冒溢成因及对策建议[J].中国给水排水，2023，39（10）：17-22.