應用暴雨管理模型SWMM優(yōu)化設計城市排澇泵站規(guī)模

【摘要】在濕潤地區(qū)的平原圩區(qū)，建立一種從降雨到地表匯流的暴雨管理模型（SWMM模型），優(yōu)化設計城市排澇泵站規(guī)模。建立降雨、下墊面（匯水區(qū)）參數(shù)、管網(wǎng)基礎參數(shù)、河流水系、擬建排澇泵站的SWMM降雨徑流-管渠水動力模型，以充分發(fā)揮河流水系的調(diào)蓄能力、市政排水的除澇要求為控制條件，優(yōu)化排澇泵站的抽排規(guī)模，并對市政排水管網(wǎng)提出優(yōu)化建議。

【關(guān)鍵詞】暴雨管理；SWMM模型；城市排澇；城市排水

Abstract：In order to，This essay studies optimizing scale of city drainage pumping station using SWMM storm management model on Wet Plain Polder Area. Input boundaries include rainfall， underlying surface flux， pipe network flux， river cross-sections. By analyzing storage of river channel and drainage demand，reasonable advises and optimizing plans are also provided.

KeyWord：Storm Management；SWMM model； City Drainage；City Flood Control

1 前言

當前，城市快速發(fā)展，河流水系遭受破壞，水面率急劇下降，地面快速硬化、排水設施建設滯后、極端天氣頻現(xiàn)等造成了城市內(nèi)澇嚴重，各地頻現(xiàn)積澇成災現(xiàn)象。如何有效應對城市排水防澇已成為影響經(jīng)濟發(fā)展、人居環(huán)境的重大問題，找到一種合適的確定排水防澇設施規(guī)模的方式方法，即可以節(jié)約工程投資、亦充分發(fā)揮市政管網(wǎng)、河流水系的功能，同時亦可排查現(xiàn)狀市政管網(wǎng)存在問題，對規(guī)劃市政管網(wǎng)提出建議。

2 SWMM模型建立

1）SWMM模型介紹

模型分為以下幾個核心模塊：徑流（RUNOFF）模塊、輸送（TRANSPORT）模塊、擴充輸送（EXTRAN）模塊和蓄存/處理（TORAGE/TREATMENT） 模塊。SWMM模型不包括受納水體計算模塊，但是提供了美國環(huán)?？偩珠_發(fā)的WASP模型和DYNHYD模型接口。SWMM模型還包括很多服務模塊，如同及模塊、繪圖模塊、聯(lián)合模塊、降雨模塊等。各模塊之間的關(guān)系如圖2-1所示。

圖2-1

2）設計暴雨確定

以安徽省馬鞍山市慈湖河流域中下游兩岸的圩區(qū)建立泵站為例， 設計雨量采用馬鞍山站實測雨量資料（選用馬鞍山氣象站1953～2010年共58年實測降雨資料，并對10分鐘、30分鐘、1小時、6小時雨量系列經(jīng)插補后，采用P-Ⅲ理論曲線進行適線）與1995年《安徽省長短歷時年最大暴雨統(tǒng)計參數(shù)等值線圖》兩種方法分別計算，根據(jù)慈湖河流域特性，經(jīng)分析比較后選用。慈湖河流域中心點各時段設計雨量成果見表2-1。

降雨過程依據(jù)“84辦法”分析確定。最大1小時雨量與最大24小時雨量的比值，查得暴雨衰減指數(shù)（n），確定其3小時雨量占24小時雨量的比值，降雨過程采用不同時段設計雨量內(nèi)含的形式分析確定，20年一遇、10年一遇24小時降雨過程見圖2-2、圖2-3。

3 排澇泵站規(guī)模優(yōu)化

排澇泵站規(guī)模確定原則為滿足地形對泵前水位的要求，各個集流井位置滿足淹沒水深小于15cm，淹沒時間小于1h作為確定澇區(qū)控制條件，排水分區(qū)最高控制水位確定為為了保證設計暴雨頻率下，泵站流域范圍內(nèi)不產(chǎn)生澇區(qū)采取的最高水位。

以南塘匯水分區(qū)為例，南塘水系位于金家莊區(qū)中部，天門大道西側(cè)，位于慈湖河中下游左岸，河道全長約2.6km，匯水面積2.01 km2。

現(xiàn)狀河道起點與湘苑小區(qū)東側(cè)DN800管涵銜接，先沿天門大道由西向東至曙光路西側(cè)約400m處，再向曙光路向北至馬鋼新區(qū)圍墻南側(cè)現(xiàn)狀同意二泵站處，由泵站抽排至馬鋼新區(qū)內(nèi)排水渠道中，再由馬鋼4#泵站抽至慈湖河。

根據(jù)項目方案設計，河口位置需要重建同意二泵站。河道整治起點位于新建同意二泵站處，先由北向南穿過北塘路至慈湖蔬菜批發(fā)市場，再由東至西穿過南塘花園及南塘嘉苑小區(qū)，最后與怡和嘉苑小區(qū)DN2000管涵相銜接。

1）SWMM模型建立

（1）管網(wǎng)水系

南塘分區(qū)的管網(wǎng)水系分布如圖3-1所示，根據(jù)河道概化原則，保持河道的水利特性與天然河道的水力特性相同，即輸水能力和調(diào)蓄能力與實際河道基本一致。把管網(wǎng)、河道的物理資料輸入模型中，建立管網(wǎng)-河道水系模型，共有管道56段，管網(wǎng)節(jié)點55個。模型中管網(wǎng)-水系分布如圖3-2所示。

圖3-1 南塘分區(qū)管網(wǎng)-水系圖

圖3-2 模型中管網(wǎng)-水系分布圖

（2）子流域劃分

在SWMM中，應將研究區(qū)域劃分成若干個子匯水區(qū)，根據(jù)各子匯水區(qū)的特性分別計算其徑流過程，并通過流量演算方法將各子流域的出流組合起來。

子流域劃分的個數(shù)取決于所模擬地區(qū)的面積、土地利用情況和模擬的精度要求。充足而且足夠精確的模擬地區(qū)的面積、土地利用情況等下墊面資料和管網(wǎng)分布情況是劃分子流域的基礎，但太多的子流域個數(shù)又增加了模型的復雜性，所以要努力找到模型精度和簡易程度的契合點。在充分研究了南塘分區(qū)下墊面信息和管網(wǎng)分布情況后，根據(jù)南塘分區(qū)的地形特點和道路分布將其概化為 69個子匯水區(qū)，各匯水區(qū)形狀面積不等，如圖3-3所示。

圖3-3 南塘分區(qū)子流域劃分圖

（3）基本參數(shù)確定

SWMM 模型需要的數(shù)據(jù)包括：曼寧系數(shù)、平均坡度（%）、不透水面積（%）、流域特征寬度、洼蓄量（透水區(qū)、不透水區(qū)）、粗糙率（透水區(qū)、不透水區(qū)）、管道埋深等。

根據(jù)現(xiàn)狀地形圖、規(guī)劃圖、SWMM計算手冊和率定成果（CN值為率定成果），確定相關(guān)參數(shù)的取值，南塘分區(qū)取值如表3-1所示。南塘分區(qū)模型如圖3-4所示。

圖3-4 南塘匯水分區(qū)模型結(jié)構(gòu)圖

2）泵站規(guī)模計算

采用不同設計頻率暴雨過程組合河網(wǎng)水系的規(guī)劃方案，泵站前池的最低控制水位（死水位）5.10m，最高控制水位（設計水位）6.70m，計算5年一遇、10年一遇及20年一遇暴雨條件下，同意二泵站的設計流量。河網(wǎng)水系規(guī)劃方案見表3-2，模擬成果見表3-3。同意二泵站10年一遇洪水過程見圖3-5，設計水面線成果見圖3-6。

4、結(jié)語

一般來說，采用模型優(yōu)化排澇泵站規(guī)模，應找到城市的低洼點、受澇敏感區(qū)等，并給定這些區(qū)域的溢出條件，以低洼點、受澇敏感區(qū)域不突破溢出條件設計原則。泵站前池、進水渠道、澇水收集系統(tǒng)，可分別采用設定多方案組合，控制溢出條件，確定各方案排澇，規(guī)模，并比較優(yōu)化。研究過程中亦發(fā)現(xiàn)，局部非低洼點、受澇敏感區(qū)也發(fā)生溢出現(xiàn)象，據(jù)推測多為市政管網(wǎng)設計不合理，可通過優(yōu)化局部管網(wǎng)消除溢出，即可對市政管網(wǎng)提出優(yōu)化建議。

參考文獻：

[1]符素華，王向量等.SCS-CN徑流模型中CN值確定方法研究.干旱區(qū)地理，2012.5，35（3）：415-420

[2]劉家福，蔣衛(wèi)國等.SCS 模型及其研究進展.水土保持研究，2010.4，17（2）：120-124

[3]中國水利水電科學研究院.暴雨洪水管理模型——EPA SWMM 用戶教程，北京，2011.7

作者簡介：龍鳳華（1982-），工作單位：深圳市水務規(guī)劃設計院，現(xiàn)職稱：工程師，主要從事水利水電工程設計。