雨水管渠不同斷面形式對排水能力的影響
——基于SWMM模型

楊婷婷，吳艾歡，呂 謀，高興樺

(1.青島理工大學環(huán)境與市政工程學院，山東 青島 266033；2.青島亞通達鐵路設備有限公司，山東 青島 266100)

蓬勃發(fā)展的現(xiàn)代城市給我們帶來便利的同時，也埋下了很多隱患。城市道路的建設中，大量的混凝土和柏油馬路使得降雨只能通過人工敷設的排水管道排放，不但增加了徑流污染還使土壤喪失了本身下滲的能力。雨季來臨時城市雨水管道紛紛癱瘓，出現(xiàn)城中“看海”現(xiàn)象[1]。為解決這一現(xiàn)象，實現(xiàn)城市新建、改擴建項目建設后的雨水徑流污染負荷持續(xù)降低，并保證建設地塊及周圍排水防澇的安全性，需要在城市規(guī)劃初期增加LID控制，并考慮不同雨水管渠不同斷面形式的排水能力。

SWMM是一個以水動力學為基礎的降水-徑流模型，并且可以進行水質(zhì)模擬。SWMM是EPA于1971年開發(fā)的第一個綜合性城市徑流分析模型，經(jīng)過大量科技人才不斷創(chuàng)新與突破，目前已經(jīng)發(fā)展到SWMM Version 5.1。對于常見的低影響開發(fā)的LID控制，比如：雨水花園[2]、透水鋪裝[3]、綠色屋頂[4]、下沉式綠地[5]等SWMM均可以精確模擬[6]。此外，SWMM自帶管渠幾何特性編輯界面，對于排水圓管、矩形、半橢圓形、馬蹄形等常見或是不常見管渠斷面形式可靈活模擬使用。復合斷面(倒凸形)可以在SWMM的IRREGULAR下進行準確編輯。

1 區(qū)域概況

該區(qū)屬受海洋影響的暖溫帶季風型海洋性氣候。春季干旱多風，夏季濕熱多雨，秋季降溫緩慢，冬季干燥少雨雪。地面風場特征：該區(qū)域主導風向為SSE風，次主導風向為NNW風，平均風速為5.2 m/s。全年平均氣溫為12.2 ℃，極端最高氣溫為37.4 ℃，極端最低氣溫為-16.4℃。年平均降水量為775.6 mm，相對濕度平均為73%。利用ArcGIS全國矢量圖可以看出此地人員密集。

該市為海濱丘陵城市，地勢東高西低，南北兩側(cè)隆起，中間低凹。其中山地約占全市總面積的15.5%，丘陵占25.1%，平原占37.7%，洼地占21.7%。全市海岸分為岬灣相間的山基巖岸、山地港灣泥質(zhì)粉砂岸及基巖礫質(zhì)海岸等3種基本類型。淺海海底則有水下淺灘、現(xiàn)代水下三角洲及海沖蝕平原等。

2 SWMM模型構(gòu)建

2.1 雨水管網(wǎng)概化

雨水管網(wǎng)概化的信息錄入包括檢查井節(jié)點、管道高程、管道埋深以及子匯水區(qū)域的劃分等，見圖1。由于城市管網(wǎng)信息量較大，管道錯綜復雜，手動輸入工作量巨大，本文采用鴻業(yè)市政管線將該市排水系統(tǒng)進行優(yōu)化處理后再導入SWMM，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的精確性[7]，減少了管道信息誤差，從而保證了模擬結(jié)果的可靠性。研究區(qū)域面積305.2 hm2，其中有192.276 hm2的現(xiàn)狀不滲水面積(為整個研究區(qū)域面積的63%)，主要是建筑屋面和硬化路面；而綠地可透水面積為112.924 hm2(為整個研究區(qū)域面積的37%)。

圖1 SWMM雨水管網(wǎng)概化圖

2.2 LID控制敷設

該市新城區(qū)已完成建設初期城市規(guī)劃，并在市區(qū)布置LID措施，主要為透水鋪裝、雨水花園和下沉式綠地，并初見成效。在本次SWMM模擬中，LID控制已順利運行。

2.3 降雨模型及參數(shù)布置

降雨模型重現(xiàn)期選擇P=1.5、3、10 a，暴雨強度計算公式選擇該市最新的暴雨強度公式，選擇r=0.4的雨峰系數(shù)，取t=1 min的時間間隔，降雨歷時為2 h。暴雨強度變化見圖2～圖4。

暴雨強度公式：

式中：q為暴雨強度，L/(s·hm2)；P為重現(xiàn)期，a；t為時間間隔，min；A、C、b和n為公式參數(shù)值，取值見表1。

表1 不同重現(xiàn)期參數(shù)值

圖2 P=1.5 a的暴雨強度的降雨變化

圖3 P=3 a的暴雨強度的降雨變化

圖4 P=10 a的暴雨強度的降雨變化

3 結(jié)果分析

對研究區(qū)域的排水管渠進行斷面不同的比例設計。根據(jù)該市的雨水管道系統(tǒng)的管徑現(xiàn)狀，保證不同斷面形式的排水管渠的截斷面的面積相同。分別以圓管、矩形管渠和倒凸形斷面形式進行不同重現(xiàn)期暴雨強度下的模擬[8]。雨水管網(wǎng)復雜多變，很難將每一條管線進行截面積相同的斷面設計，由于雨水管網(wǎng)現(xiàn)狀中積水、冒溢現(xiàn)象一般集中于管網(wǎng)下游，現(xiàn)取靠近排放口PFK-Y1-12上游的雨水管道進行排水模擬。

3.1 重現(xiàn)期P=1.5 a

隨著降雨的發(fā)生，排水圓管、矩形管渠以及復合斷面(倒凸形)的流速曲線變化趨勢一致，流速先隨著時間下降再出現(xiàn)上升趨勢，最后隨著雨量的減少流速再逐漸削弱直到降雨結(jié)束。在降雨開始的1 h內(nèi)，由于匯聚的流量較少，3種管渠斷面形式的排水管道在流速上差異較小。在流速峰值未出現(xiàn)的降雨過程中，復合斷面(倒凸形)流速大于其他2種，具有較好的過流能力。

隨著雨水匯流的不斷進行，復合斷面(倒凸形)在t=1.3 h首先出現(xiàn)最大流速v=0.87 m/s；矩形管渠在t=1.8 h時，流速達到最大v=0.84 m/s；排水圓管的最大流速v=0.87 m/s，發(fā)生在t=2 h。隨后3種斷面流速逐漸減小。見圖5。

圖5 P=1.5 a降雨歷時流速

3.2 重現(xiàn)期P=3 a

在重現(xiàn)期P=3 a的降雨事件下，降雨初期矩形管渠平均流速較大，排水圓管和復合斷面(倒凸型)具有相同的變化趨勢。在降雨歷時t=1.5 h左右時，3種斷面管渠流速均達到最大值，t=1.4 h排水圓管最大流速v=1.10 m/s；t=1.5 h矩形管渠最大流速v=1.09 m/s；t=1.7 h復合斷面(倒凸形)最大流速v=1.13 m/s，見圖6。

3種斷面形式的排水管渠的峰值流速出現(xiàn)時間幾乎一致、峰值流速大小相差無幾。隨著匯流時間的不斷增加，各斷面流速均呈減小趨勢，復合斷面(倒凸形)后期流速較大，具有較強過流能力。

圖6 P=3 a降雨歷時流速

3.3 重現(xiàn)期P=10 a

10 a一遇暴雨發(fā)生時，3種斷面形式的管渠流速變化的總體趨勢與P=1.5 a以及P=3 a時變化趨勢一致，流速先增大再減小，見圖7。在各斷面流速峰值出現(xiàn)之前，復合斷面流速較大，能夠較快地輸送各子匯水區(qū)域面積徑流而來的雨水。而在流速峰值出現(xiàn)以后，各斷面流速下降的過程中，矩形管渠的流速相對來說較大，而復合斷面的流速最小。對整個降雨匯流過程來看，矩形管渠的排水管渠較好，輸水能力較強。

圖7 P=10 a降雨歷時流速

4 結(jié) 語

海綿城市建設雖已成為新城市新城區(qū)甚至新農(nóng)村的主流，但排水管道形式的選擇還是比較單一，全國約60%城市雨水管道設計至今仍局限于排水圓管和矩形管渠的選擇上。在解決城市內(nèi)澇問題的基礎上進行排水系統(tǒng)設計時，應因地制宜綜合考慮。暴雨模型SWMM的模擬運行可準確地為城市規(guī)劃、改造等提供大量數(shù)據(jù)參考。

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[1] 閆 磊, 熊立華, 王景蕓. 基于SWMM的武漢市典型城區(qū)降雨徑流模擬分析[J]. Journal of Water Resources Research, 2014,3(3):216-228.

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[3] 王俊嶺, 王雪明, 張 安,等. 基于“海綿城市”理念的透水鋪裝系統(tǒng)的研究進展[J]. 環(huán)境工程, 2015,33(12):1-4.

[4] 張勝杰. 利用暴雨管理模型(SWMM)對低影響開發(fā)措施效果的模擬研究[J]. 中國建設信息, 2013,(19):76-78.

[5] 蘇義敬, 王思思, 車 伍,等. 基于“海綿城市”理念的下沉式綠地優(yōu)化設計[J]. 南方建筑, 2014,(3):39-43.

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[8] Gao B, Zhuang B Y. Study on rain water drainage system plan based on SWMM[J]. Advanced Materials Research, 2013,790:125-128.