基于SWMM的城市排水管網承載力評價與優(yōu)化研究

陳明輝，黃培培，吳 非，黎海波

(1．東莞市地理信息與規(guī)劃編制研究中心，廣東 東莞 523129； 2. 武漢大學 測繪學院，湖北 武漢 430079)

一、引 言

長期以來，受“重地上，輕地下”所欠下的舊賬的影響[1]，市政排水管網系統(tǒng)滯后性逐漸凸顯。包括東莞在內的國內大中城市頻繁廣泛受淹[2-3]，也說明了現有排水系統(tǒng)在規(guī)劃、設計、體制和管理上存在一定的缺陷。而以城市氣象為依據，結合地理信息系統(tǒng)(GIS)[4-5]，建立城市排水管網水力模型[6]，給出定量模擬、可行性評估論證及應對策略，可減少內澇災害的發(fā)生。國外排水管網動態(tài)模擬模型歷經40余年，應用較廣的有降水-徑流模擬模型(storm water management model，SWMM)及INFOWORKS等[7-12]，其中SWMM是美國于1971年開發(fā)的動態(tài)降雨徑流模型，被應用于城市排水管網承載力分析，解決城市排水及環(huán)境整治等工程。本文將構建東莞市區(qū)SWMM模型，實現匯水區(qū)的自動劃分和屬性數據的自動獲取，展開排水管網系統(tǒng)的承載力分析，給出內澇易發(fā)區(qū)域和成因分析，以及排水管網淤積影響性分析等。

二、SWMM水力模型構建

1. SWMM模型簡介

SWMM模型是動態(tài)的降水-徑流模擬模型，可用于模擬城市某單一降水時間或長期的水量和水質，在世界范圍內被廣泛應用于城市暴雨洪水、合流制下水道、排污管道及其他排水系統(tǒng)的規(guī)劃、分析和設計。SWMM徑流模塊綜合處理各子流域所發(fā)生的降水、徑流和污染負荷。而匯流模塊則通過管網、渠道、蓄水和處理設施、水泵等進行水量傳輸，對雨水管、污水管、合流制管道、自然排水系統(tǒng)進行水量和水質的模擬。

2. SWMM建模

1) 研究區(qū)的確定：選擇地表徑流、排水體制具有鮮明對比而空間相鄰的東莞市莞城區(qū)和南城區(qū)。其中莞城是老城區(qū)，面積約11.3 km2，人口約17.38萬，人口密度較大，城市化程度高，城區(qū)土地利用類型基本為住宅用地，排水體制為合流制占主導，管線總長約234.1 km；南城為新城區(qū)，面積約58.4 km2，人口約31.01萬，人口密度較莞城區(qū)小且空間差異大，靠近莞城區(qū)城市化程度高，南部多為果園林地，排水體制為分流制占主導(占98%)，管線總長約789.7 km。

2) 技術方法路線：如圖1所示，首先建立數據庫，包括數字高程模型、土地利用類型、水文參數、管道普查數據等；其次由數據庫結合GIS和SWMM劃分匯水區(qū)，建立管道模型，完成水力模型的構建；然后對建立的模型進行校核和暴雨情景設定，針對模型模擬結果，進行內澇點的空間分布、管道承載力及淤積模擬的評價分析；最后給出內澇成因總結和整治方案，并對整治方案進行優(yōu)化模擬。

3) SWMM建模結果：基于莞城和南城1 m分辨率DEM數據，結合管網普查數據，利用ArcGIS空間分析中的水文模塊分別劃分莞城和南城的匯水區(qū)。在匯水區(qū)劃分的基礎上，根據管網普查數據，在SWMM中進行匯水區(qū)調整，檢查連通性，排除逆坡及管網不通等問題，輸入降雨驅動數據并添加雨量站，最終劃定南城和莞城的匯水區(qū)。圖 2為南城和莞城的SWMM建模結果。其中，南城共289個匯水區(qū)，289個管道節(jié)點，292條排水管道，1個雨量站點，48個排水口；莞城共126個匯水區(qū)，185個管道節(jié)點，307條排水管道，1個雨量站，18個排水口。

圖1 SWMM構建及排水管網承載力評價與優(yōu)化流程圖

圖2 南城和莞城匯水區(qū)劃分及SWMM模型

三、排水管網承載力評價

根據研究區(qū)排水管網設計標準統(tǒng)計結果，排水管網大多只達到一年一遇的設計標準，舊城區(qū)未改造的排水管網低于一年一遇的標準，部分地區(qū)只有0.5年一遇的標準。本文按照平均狀態(tài)(一年一遇情景)對現狀排水管網承載力進行模擬和評價。

1. 承載力分析與評價

(1) 典型管道選取指標

① 由于支管較多，選擇南城和莞城的主要管道作為試點分析；② 選擇附近都出現過內澇點的干管；③ 干管服務區(qū)要盡可能大。綜合以上3點指標，南城排水管網概化為292條主要管道，選擇其中29條主要管道來衡量南城排水能力，1、2、3號為主干管(如圖 3所示)，其他為支管，其中1號干管附近在一年一遇情景下內澇較為嚴重。莞城排水管網概化為137條主要管道，由于是老城區(qū)，排水設施陳舊，支管較多，選取1、2、3主要管道衡量莞城排水管網承載力，其中1號管北段、2號管南段及3號管南段附近在一年一遇情景下都有涉及內澇情況，且服務面積相對較大。

圖3 南城和莞城排水管網概化及承載力分析試點分布圖

(2) 排水管承載力評價

圖 4(a)、(c)、(e)給出了南城1、2、3號管在一年一遇情景下管道充滿度情況。從圖中可以看出南城主干管可以輕松應對一年一遇降雨情景，并未出現過載情況，且管道剩余空間非常充足，未出現任何過載管段和雨水井滿溢現象，也說明在歷史統(tǒng)計中出現的內澇現象可能是由支管設計標準低或地形等因素造成的。

圖4 南城和莞城主干管(1、2、3號管)在一年一遇情景下充滿度情況

圖 4(b)、(d)、(f)給出了莞城1、2、3號管在一年一遇情景下管道充滿度情況。管道在一年一遇情景下已出現不同程度的滿載，且管道管徑較小，其整體充滿度較高。同時結合其他主要管道承載力分析可知，莞城排水管網系統(tǒng)基本可應對一年一遇暴雨，但總體主干管的充滿度較高，存在部分現滿載，尤其是3號管出現多段滿載、多個雨水井滿溢。說明在老城區(qū)，由于管道規(guī)劃不合理、設計標準偏低及地形等因素，管道系統(tǒng)的功能不能較好體現，內澇情況較南城嚴重。

2. 排水管道淤積情景模擬與評價

管道淤積往往是誘導內澇發(fā)生的又一重要因素，淤積因設計缺陷、施工不規(guī)則、日常養(yǎng)護不力及公民自覺意識不夠等造成。受限于淤積資料的缺乏，本文以人為縮小管徑的方式假設管道被淤積，在一年一遇情景下，僅模擬主干管淤積一半情景下內澇的發(fā)生狀況。

圖 5和圖 6給出了南城和莞城部分主干管淤積假設前后內澇點分布及管道充滿度圖。南城在一年一遇情景下淤積前現6個內澇點，淤積后內澇點在北部原內澇點附近增加2處(圖 5(a)、(c))，且淤積后上游管道充滿度較淤積前有大幅增加、滿載管點增多(圖 5(b)、(d))；莞城在一年一遇情景下淤積前現8個內澇點，淤積后內澇點增加2處(圖 6(a)、(c))， 且淤積后上游管道充滿度也較淤積前有大幅增加，但下游管道受上游淤積影響充滿度有所降低(圖 6(b)、(d))。

圖5 主干管淤積假設前后南城內澇點分布(上)及主干管充滿度圖(下)

圖6 主干管淤積假設前后莞城內澇點分布(上)及主干管充滿度圖(下)

四、內澇成因分析及整治模擬優(yōu)化

1. 內澇點特征總結

1) 內澇易發(fā)區(qū)域多位于居民區(qū)，尤其莞城的內澇黑點多出現在居民區(qū)，多是受地形因素影響，如漏斗地形等。部分居民區(qū)內澇點則是由于地表排水口不足、排水不及時導致的。

2) 通過多情景研究表明，隨著降雨級別的提升，內澇的嚴重程度也逐漸加深。在五年一遇降雨情形下，除了地形因素外，大部分的內澇點是由于管道管徑小、排水能力不足導致的。而十年一遇以上情景下，南城和莞城區(qū)排水系統(tǒng)基本癱瘓，尤其是居民區(qū)。

3) 另外，南城和莞城內澇原因還具有不同之處。南城內澇多因地形導致(如漏斗地形)、設計標準偏低、地表排水口不足排水不及時導致的。莞城除以上原因外，老城區(qū)管網設施陳舊、規(guī)劃偏低，布局混亂，地表排水口少且管徑小，增加了內澇風險，使得莞城內澇較南城嚴重。

2. 內澇整治方案設定與模擬優(yōu)化

本文內澇整治方案設定與優(yōu)化時，以水力模型驅動數據相關的標準偏低因素為切入點，進行管徑增加方案的設定和優(yōu)化。選擇內澇均因下游管道過細的兩段管道，模擬中擴大下游管徑進行優(yōu)化試驗。優(yōu)化方案為：將南城一處內澇點下游3段管徑由1 m、1.2 m、1.2m分別擴大為1.5 m，將莞城一處內澇點下游3段管徑由0.6 m、0.8 m和1 m分別擴大為1 m、1.2 m和1.2 m(如圖7、圖8所示)。

優(yōu)化試驗結果表明，南城優(yōu)化前有多段管道現滿載，優(yōu)化后整體管道充滿度得到很大程度的改善，只出現一個積水點，且該積水點下游管道并未出現滿管現象。莞城優(yōu)化前的滿載管點通過優(yōu)化后均消失，而該管段周圍的3個內澇點全部得到改善。表明了因設計標準偏低問題導致的內澇現象可以通過擴大管徑改善。但其他涉及地形、排水口不足問題的內澇點還應因地制宜，尋求最佳整改方案。

圖7 南城一內澇點下游管徑擴大前后管段充滿度情況

圖8 莞城一內澇點下游管徑擴大前后管段充滿度情況

五、結束語

本文構建了基于GIS和SWMM的城市排水管網水力模型，評價了東莞市具有代表性的新舊城區(qū)(南城和莞城)排水管網承載力現狀，討論了在一年一遇情景下管道承載力、內澇點空間分布、管網淤積模擬及內澇整治優(yōu)化的效果。該研究為建立東莞市排水防汛、內澇預報與整治研究提供了輔助決策支持平臺，為深入研究全市排水管網承載力和提高城市水環(huán)境提供了引領示范和有益參考。在下一步的工作中，將考慮基于云服務平臺的視頻水位監(jiān)測系統(tǒng)，結合云平臺的水文監(jiān)測數據校核模型，彌補國內排水管網水力模型研究中校核數據匱乏的缺陷，以提高模型精度，更好地服務于城市內澇預警決策支持。

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