基于SWMM模型的城市排水管道優(yōu)化研究

王嘉儀，趙連軍，張 華，牛文麗

(1.黃河水利科學研究院，鄭州 450003；2. 國家能源局大壩安全監(jiān)察中心，杭州 311122； 3. 河海大學港口海岸與近海工程學院，南京 210098)

據國家防汛抗旱指揮部統(tǒng)計，2015年有154個(截至8月18日)城市因暴雨洪水發(fā)生內澇受淹，受災人口255 萬人，直接經濟損失達81億元。2014年，包括北京、上海、廣州等大城市在內的125座城市發(fā)生了內澇；2012-2014年，平均每年有100多個城市受到外洪內澇的威脅；北京、深圳、浙江余姚等地因澇導致人員傷亡事情歷歷在目。因城市建設的局限性，強降雨導致城市內澇已成為一種常態(tài)，大多數城市往往是“逢雨必澇，逢澇必癱”，各種媒體上關于城市內澇災害的報道屢見不鮮。城市內澇災害頻發(fā)，不僅影響經濟社會的正常發(fā)展，造成了巨大的經濟損失，而且影響城市居民的工作和生活秩序，給人民生命財產造成了嚴重威脅。當前如何解決城市洪水問題，具有緊迫的現實意義和重要的科學意義。

目前，現代化數值模擬技術、遙感和ArcGIS技術和計算機科學的發(fā)展迅速，使得通過分析城市洪澇災害的形成機制和原因，進而精確預報預測城市洪水過程成為可能。城市洪水過程的模擬大致來講主要有3種模型：水文模型、水動力模型和簡化模型[1]。

1 SWMM模型

SWMM模型是由美國環(huán)境保護署研發(fā)的第一個集地面水文、水質和地下管網計算為一體的典型水文模型，可用于城市區(qū)域降雨徑流、合流制管網、污水管道和其他排水系統(tǒng)的規(guī)劃設計、情景分析和方案評估[2]。使用SWMM模型對城市內澇進行模擬時，首先需要對模擬的計算域進行離散，即將整個計算域分為若干個子區(qū)域，并對每個子區(qū)域的水文特征差異性進行概化，其次需要確定子匯水區(qū)的出口和用于連接出口的排水管道。該模型對數據要求低、計算效率高，在全球范圍內得到了廣泛應用。

基于SWMM構建城市雨洪模型需要降雨資料、地形數據和排水管網系統(tǒng)資料，可以劃分為實際數據、合成數據和參考數據3類，見表1。

表1 模型基礎數據類型及獲取方法Tab.1 Type and acquisition of model based parameter

SWMM模型的快速構建需要一個強大的工具對空間數據進行管理，ArcGIS可以高效的獲取、創(chuàng)建、分析和顯示各種類型的地理和空間信息數據，將圖形和數據有機地結合在一起，充分地表達數據的地理圖形信息。本文結合研究區(qū)域規(guī)劃地形圖，利用ArcGIS的水文分析功能、泰森多邊形法和人工手動修正相結合的方法進行子匯水區(qū)劃分，并分析統(tǒng)計出每個子匯水區(qū)的特征長度、平均坡降和不透水面積率等。

2 實例分析

2.1 區(qū)域概況

鄭州市地處中原腹地，面積約7 500 km2，市區(qū)地勢呈西南高、東北低，西部多丘陵山區(qū)，東部為平原，海拔在75～1 512 m，西部到東部自然坡降為0.34%，落差近30 m。本次選擇鄭州市鄭東新區(qū)新規(guī)劃區(qū)域----運糧河組團進行模擬分析，該區(qū)位于鄭州市區(qū)東38.5 km處，規(guī)劃總用地面積31.42 km2，見圖1。

圖1 運糧河組團項目區(qū)域規(guī)劃設計圖Fig.1 Design drawing of project planning on Yunliang River Zutuan District

2.2 模型構建

該區(qū)域屬于規(guī)劃項目區(qū)，整個區(qū)域被概化為節(jié)點474個(其中52個排放口)、管道422條(其中閉合矩形管道7根，剩余均為圓形，總長度為505.8 m)，子匯水區(qū)見圖2。

圖2 子匯水區(qū)劃分概化圖Fig.2 Conceptual diagram of catchments area and pipeline

在已劃分的子匯水區(qū)基礎上，利用ArcGIS的Spatial Analyst 工具和Extract Values To Table工具，提取出各個子匯水區(qū)的平均不透水率和平均坡度，不透水面積率在15.3%～75%之間，平均值為72.9%；平均坡度為0.000 1%～0.620 5%之間，平均值為0.205 4%。

參考國內外相關文獻報道[3-5]，根據該區(qū)域的地面特征設定其經驗參數為：透水區(qū)和不透水區(qū)曼寧系數分別取0.24和0.024，透水區(qū)和不透水區(qū)洼蓄量分別取6.5和3.5 mm，最小和最大入滲率分別取3.82和78.1 mm/h，衰減系數取2h-1，通過輸入SWMM模型計算分析知徑流系數為0.6，符合規(guī)劃區(qū)徑流系數0.5～0.6的要求。

2.3 管道承載力復核及優(yōu)化設計

在已建好的運糧河組團區(qū)排水管網模型基礎上，根據開封市暴雨強度公式，選用芝加哥降雨過程線模型合成重現期P=1年、雨峰系數r=0.4、降雨歷時T=120 min的單峰型合成降雨作為模擬降雨輸入，計算2年一遇和5年一遇降雨的內澇情況如圖3和圖4所示，結果表明節(jié)點J326為發(fā)生溢流最早且最嚴重的區(qū)域。

選取節(jié)點J326進行典型積水點優(yōu)化分析，由圖5可知節(jié)點J326到排放口O51之間，一共有5個管渠，其中L372和L373為圓管，管徑分別為1和1.1 m，L386、L388和L405為矩形涵管。

管道的設計管徑直接影響了管道的過流能力，分別設計兩種管道優(yōu)化方案進行對比分析，方案一：將節(jié)點J326下游管道L372管徑分別擴大10%和20%；方案二：將節(jié)點J326下游管道L372和L373管徑分別擴大10%和20%，選擇重現期為1年、2年、3年、5年情況下，模擬管道內的水流變化情況。

圖3 2年一遇暴雨重現期節(jié)點溢流圖Fig.3 Return period of two years

圖4 5年一遇暴雨重現期節(jié)點溢流圖Fig.4 Return period of five years

圖5 節(jié)點J326下游管道布設示意圖Fig.5 Sketch map of pipeline layout on the lower part of J326

由圖6和圖7可以看出，1年重現期降雨時，將節(jié)點J326下游圓形管道管徑統(tǒng)一擴大，比單獨改變一個管道的管徑能更好地降低管道內的最大過流水深。當降雨重現期超過1年后，將節(jié)點J326下游圓形管道管徑統(tǒng)一擴大，可以推遲管道滿管運行開始時刻，降低滿管運行時長。

圖6 1年暴雨重現期下，管道L372水深過程Fig.6 Water depths of pipeline L372 under return period of one year

圖7 2年暴雨重現期下，管道L372水深過程Fig.7 Water depths of pipeline L372 under return period of two years

由表2可以看出：①節(jié)點J326下游管道L372和L373管徑均擴大10%時，節(jié)點可滿足1年一遇降雨不發(fā)生溢流；超過1年且不超過10年一遇重現期降雨，與下游管道管徑均不變相比，節(jié)點的溢流時間最大可以縮短35%，總溢流量減少約65%。而僅改變L372管道時，節(jié)點的溢流時間最大縮短僅為10%左右，總溢流量減少約7.5%。②節(jié)點J326下游管道L372和L373管徑均擴大20%時，超過1年且不超過10年一遇重現期降雨，與下游管道管徑均不變相比，節(jié)點的溢流時間最大可以縮短90%，總溢流量最大減少約94%。而僅改變L372管道時，節(jié)點的溢流時間最大縮短僅為20%左右，總溢流量最大減少約16%。

表2 節(jié)點J326下游管道優(yōu)化對節(jié)點溢流情況對比表Tab.2 Correlation table of overflow conditions of node J326 with pipes' Optimization

注：H為溢流持續(xù)時長，min；Q為總溢流量，m3。

3 結 語

城市雨洪模型SWMM發(fā)展至今已形成較為完善的模型框架，本文將ArcGIS作為分析處理工具與SWMM模型聯合運用，顯著地提高了建模的效率和精度，為設計、管理部門快速決策提供科學依據，可最大限度地減少洪澇災害所造成的損失，可提高城區(qū)防汛管理的現代化水平，實現城市防汛與城市建設及社會經濟的協(xié)調發(fā)展。

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[1] 胡偉賢，何文華.城市雨洪模擬技術研究進展[J].水科學研究進展,2010,21(1)：137-144.

[2] 劉 俊，郭亮輝，張建濤，等.基于SWMM模擬上海市區(qū)排水及地面淹水過程[J].中國給水排水,2006,22(21)：64-66.

[3] Campbell C W，Sullivan S M．Simulating time-varying cave flow and water levels using the Storm Water Management Model[J]．Engineering Geology，2002，65(8)：133-139．

[4] 傅新忠. SWMM在城市雨洪模擬中的應用研究[D]. 浙江金華：浙江師范大學, 2012.

[5] Burian S J，Streit G E，McPherson T N，et al. Modeling the atmospheric deposition and stormwater washoff of nitrogen compounds[J]. Environmental Modelling &Software, 2001，16(5)：467-479．