基于SWMM的管網(wǎng)變化對城市水文特征的影響分析

張 濤 張行南,2 張文婷,2 王 祥

(1.河海大學水文水資源學院,南京 210098;2.河海大學水資源高效利用與工程安全國家工程研究中心,南京 210098)

隨著城市化進程的不斷加快,城市地區(qū)下墊面發(fā)生了顯著變化,地表不透水面積增加、地表匯流時間加快、地下排水管網(wǎng)老化,由此導致的地面積水問題越來越嚴重,給人們生活生產(chǎn)帶來了諸多不便.為解決此問題,各地都在進行排水管網(wǎng)改造,并取得了一定的成績,緩解了積水壓力.然而,地區(qū)管網(wǎng)密度增加,改變了管道控制范圍內(nèi)雨水的匯流路徑和匯流時間.對該區(qū)域的產(chǎn)流、下滲及洪峰具有一定的影響.

以SWMM為基礎(chǔ),在南京市雨花臺區(qū)小行-西善橋排水片區(qū)建立模型,利用模擬結(jié)果,分析雨水管網(wǎng)改造前后該地區(qū)水文特征的變化.

1 SWMM模型原理

SWMM是一個動態(tài)的降雨-徑流模擬模型,可以進行城市地區(qū)某一場次或者長期的水質(zhì)和水量的模擬,曾在我國天津、上海等地區(qū)有過應用[1].該模型主要運用在小的城市流域徑流水質(zhì)預報、河道排澇模擬與計算、雨水排水系統(tǒng)的設計校核及管理[2],由產(chǎn)流模型、地表匯流模型和管網(wǎng)水動力學模型組成.

1.1 產(chǎn)流模型

降雨轉(zhuǎn)化為凈雨的過程稱為產(chǎn)流過程.根據(jù)土地利用狀況和地表排水走向,SWMM模型將研究區(qū)域劃分為若干子匯水區(qū)域,并根據(jù)每個子匯水區(qū)域水文特征的差異性分為3部分:有洼蓄量的不透水地表、無洼蓄量的不透水地表及透水地表.各部分單獨進行產(chǎn)流計算,子匯水區(qū)域的產(chǎn)流量為各部分產(chǎn)流量之和.

(1)有洼蓄量的不透水地表產(chǎn)流量計算.該部分的降雨損失主要為洼地填充,故產(chǎn)流量為

式中,R2為有洼蓄量的不透水地表產(chǎn)流量(mm);P為降雨量(mm);D為填洼量(mm).

(2)無洼蓄量的不透水地表產(chǎn)流量計算.該部分降雨損失主要為雨期蒸發(fā),故產(chǎn)流量為

式中,R1為有洼蓄量的不透水地表產(chǎn)流量(mm);P為降雨量(mm);E為雨期蒸發(fā)量(mm).

(3)透水地表產(chǎn)流量計算.該部分降雨損失主要包括填洼和下滲,故產(chǎn)流量為

式中,R3為透水地表產(chǎn)流量(mm);i為降雨強度(mm/s);f為下滲強度(mm/s).

1.2 下滲模型

SWMM提供了3種下滲模型:Horton下滲模型、Green-Ampt下滲模型以及SCS曲線數(shù)下滲模型.其中,Horton模型主要描述下滲率隨降雨時間變化的關(guān)系,不反映土壤飽和帶與未飽和帶的下墊面情況.Green-Ampt模型則假設土壤層中存在急劇變化的土壤干濕界面,即非飽和土壤帶與飽和土壤帶界面,充分的降雨入滲將使下墊面經(jīng)歷由不飽和到飽和的變化過程.SCS曲線數(shù)模型將下滲過程分為土壤未飽和階段和土壤飽和階段兩個階段分別進行計算[3].

1.3 地表匯流模型

地表匯流計算的任務是把各子匯水區(qū)域的凈雨過程轉(zhuǎn)化為子流域的出流過程.在SWMM中,它是通過把匯水子區(qū)域的3個組成部分近似作為非線性水庫處理而實現(xiàn)的,也即聯(lián)立求解連續(xù)方程和曼寧方程,屬于集總式結(jié)構(gòu).

式中,W為子匯水區(qū)的寬度(m);n為曼寧粗糙系數(shù); d為水深(m);dp為滯蓄深度(m);S為子排水小區(qū)的坡度(m/m);V為子排水小區(qū)總水量(m3);t為時間(s);A為排水區(qū)表面積(m2);i*為凈雨強度(m/s);Q為出流量(m3/s).

1.4 管網(wǎng)水動力學模型

SWMM中管道的流量演算通過質(zhì)量和動量平衡方程(圣維南流量方程[4])來確定,并提供了3種求解方法:連續(xù)流量演算法、運動波演算法以及動力波演算方法.

式中,Q為出流量(m3/s);A為過水斷面面積(m2);h為管內(nèi)水深(m);t為時間(s);x為沿水流方向管道長度(m);Sf為阻力坡度;S0為管道底坡.

(1)連續(xù)流量演算.假設每一個計算時段內(nèi),流量是一致和連續(xù)的,該方法簡單闡述了上下游之間管道入流流量過程線,曼寧方程將流速和水深建立關(guān)系.

(2)運動波演算.這種演算方法使用每個節(jié)點簡化的動力方程建立連續(xù)性方程,連續(xù)性方程需要假設水體表面坡度等于管道坡度.通過管道可被輸送的最大流量是假設充滿管道的曼寧方程計算值.進入管道入口的超過這個值的流量或者在系統(tǒng)中損失或者在入口頂部存儲然后重新流入管道.

(3)動力波演算.動力波演算采取完整的一維圣維南流量方程,因此產(chǎn)生了理論上最精確的結(jié)果.這些方程包括連續(xù)性方程和動量方程以及節(jié)點的流量連續(xù)性方程.該方法可以描述有壓流.當水深超過最大可能水深時就產(chǎn)生洪水,多余水量或從系統(tǒng)中流失或存儲于高于節(jié)點處而后重新進入排水系統(tǒng).

2 SWMM模型在研究區(qū)域的應用

2.1 匯水子區(qū)域劃分及管網(wǎng)概化

本文以南京市雨花區(qū)小行-西善橋排水服務片區(qū)為研究對象,該區(qū)域總面積8.02km2,采用雨污分流排水體制,具有相對獨立的排水管網(wǎng).排水管網(wǎng)資料由南京市雨花臺小行-西善橋片區(qū)2009年以前的雨水管網(wǎng)布置圖和2010年的現(xiàn)狀雨水管網(wǎng)布置圖在ArcGIS中數(shù)字化得到.利用ArcGIS水文分析模塊對研究區(qū)域DEM進行處理,提取水流方向、匯流累積量、水流長度、河流網(wǎng)格、河網(wǎng)分級,實現(xiàn)自然流域劃分[5],考慮到區(qū)域內(nèi)道路及大型建筑物對水流的約束作用,再將自然匯水區(qū)細分為55個子匯水區(qū)域.

由于研究區(qū)內(nèi)節(jié)點(雨水口、檢查井、人孔)眾多,故在子匯水區(qū)域出水口設置時只考慮了對模擬結(jié)果影響較大的節(jié)點.

2.2 模型建立

將上面得到的各種資料信息,按照SWMM工程文件的格式制作成研究區(qū)工程文件,建立起研究區(qū)模型.如圖1～2所示.

2.3 模型參數(shù)率定

SWMM參數(shù)大致分為兩類:地表輸入?yún)?shù)和下水道輸入?yún)?shù).

該研究區(qū)內(nèi)涉及到的地表輸入?yún)?shù)包括子匯水區(qū)漫流寬度、子匯水區(qū)面積、區(qū)內(nèi)不透水面積百分比、坡度、地表糙率、洼蓄水深和下滲參數(shù);下水道輸入?yún)?shù)包括管道形狀、管徑、管長、糙率以及節(jié)點最大深度和管底高程.由于子匯水區(qū)漫流寬度的大小會影響流域內(nèi)積水量、流域匯流時間及出流過程線的形狀[6],本文中將其暫定為一個常數(shù),由真實降雨事件進行率定.其他參數(shù)可以通過計算或查閱規(guī)范獲得.

3 模擬結(jié)果及分析

選取南京市P=30%的24h降雨過程作為降雨輸入,降雨過程如圖3所示.

圖3 P=30%的24h降雨過程

在2009年以前和2010年兩套雨水管網(wǎng)條件下進行模擬.為了方便兩種管網(wǎng)條件下的對比,采取了相同的子匯水區(qū)域劃分,把2009年工程中缺少管網(wǎng)的子匯水區(qū)域按照地形及水流方向?qū)⑵涑鏊谠O為鄰近的子匯水區(qū)域[7].受影響的子匯水區(qū)域包括: S14、S15、S18、S21、S25、S26、S27、S31、S37、S38、S43、S55.下面以模擬結(jié)果中這些子匯水區(qū)域的下滲量為例進行說明.受影響各子匯水區(qū)域在不同管網(wǎng)條件下的下滲量見表1.

表1 子匯水區(qū)域在不同管網(wǎng)條件下的下滲量

從表1中可以看出增設管網(wǎng)以后受管網(wǎng)影響的各個子匯水區(qū)域的下滲量呈減少趨勢,且不透水率低的子匯水區(qū)域減少量大,減少量在10%左右,不透水率高的子匯水區(qū)域減少量在4%左右,其他的減少量在6%左右,這是由于管網(wǎng)的增加改變了子匯水區(qū)域內(nèi)雨水的匯流路徑,減少了雨水的匯流長度,從而雨水在子區(qū)域內(nèi)停留的時間減少,導致下滲量減少.

此外,由于受影響的子匯水區(qū)域的產(chǎn)流要流經(jīng)作為其出水口的相鄰子匯水區(qū)域,這些子匯水區(qū)域內(nèi)的水文特征也發(fā)生了變化,最能反映其變化的就是其出水口的流量變化.下面以S39的出水口J13為例進行說明,子匯水區(qū)域S38在2010年管網(wǎng)條件下,出水口為J12,經(jīng)管道C12匯流到節(jié)點J13,而在2009年管網(wǎng)條件下S38的出水口為其臨近子匯水區(qū)域S39,然后經(jīng)S39匯流到節(jié)點J13.節(jié)點J13總?cè)肓髁咳鐖D4所示.

圖4 不同管網(wǎng)條件下節(jié)點J13總流量對比

從圖4可以看出節(jié)點J13的洪峰流量在2010年管網(wǎng)條件下比2009年管網(wǎng)條件下出現(xiàn)時間早且峰量大.這是由于2009年管網(wǎng)條件下S38的產(chǎn)流受S39的調(diào)蓄作用,使得到達節(jié)點J13的時間比直接經(jīng)管道傳輸?shù)絁13的時間長且增加了在該子匯水區(qū)域的下滲量.

4 結(jié) 論

通過在南京市雨花區(qū)小行排水服務片區(qū)建立SWMM模型,模擬分析2010年管網(wǎng)和2009年兩種不同雨水管網(wǎng)條件下研究區(qū)的產(chǎn)流、下滲以及洪峰流量的變化,得出由于管道增設改變了原來子匯水區(qū)域的匯流方向及時間,使得受影響區(qū)域徑流量增加、節(jié)點洪峰流量增加,洪峰出現(xiàn)時間提前、下滲量減少,且減少量與該區(qū)域不透水率有關(guān).可見市政排水管網(wǎng)的變化對城市水文特征有一定的影響,因此在制定防洪規(guī)劃時應對管網(wǎng)變化這一因素予以重視.

[1] 劉 俊,徐向陽.城市雨洪模型在天津市區(qū)排水分析計算中的應用[J].河海水利,2001(1):9-11.

[2] 王曉霞,徐宗學.城市雨洪模擬模型的研究進展[A].中國水利學會.中國水利學會2008學術(shù)年會論文集(下冊)[C].北京:中國水利水電出版社,2008:931-939.

[3] 王 磊.基于模型的城市排水管網(wǎng)積水災害評價與防治研究[D].北京:北京工業(yè)大學,2010.

[4] 芮孝芳.水文學原理[M].北京:中國水利水電出版社, 2004.

[5] 湯國安,楊 晰.ArcGIS地理信息系統(tǒng)空間分析實驗教程[M].北京:科學出版社,2006.

[6] 徐宗學,等.水文模型[M].北京:科學出版社,2009.

[7] Levis A.Rossman.Storm Water Management Model User's Manual[M].USA:National Risk Management and Research Laboratory Office of Research and Development U.S.Environmental Protection Agency,2004.