SWMM模型在城市排水防澇規(guī)劃中的應(yīng)用

曹萬春

【摘要】采用SWMM模型對研究區(qū)內(nèi)雨水管網(wǎng)進(jìn)行系統(tǒng)概化研究，分別在現(xiàn)狀和規(guī)劃下墊面條件下，模擬了不同暴雨重現(xiàn)期下城市排水系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，對模擬結(jié)果中低于設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的雨水管道進(jìn)行重新規(guī)劃設(shè)計(jì)，反復(fù)模擬校核，確保所有雨水管網(wǎng)滿足設(shè)計(jì)重現(xiàn)期要求。結(jié)合城市地形，利用不同暴雨重現(xiàn)期長歷時(shí)雨型對城市內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行模擬分析，提出超標(biāo)暴雨的應(yīng)對措施，為合理制定排水防澇方案提供科學(xué)依據(jù)，同時(shí)可供其他城市排水防澇系統(tǒng)規(guī)劃參考。

【關(guān)鍵詞】SWMM模型；城市排水防澇規(guī)劃；內(nèi)澇評估

【中圖分類號】TU992

【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A

1、引言

隨著我國城市化進(jìn)程的加快，城市下墊面硬質(zhì)化越來越嚴(yán)重，加上極端氣候的出現(xiàn)，城市內(nèi)澇災(zāi)害事件頻頻發(fā)生，發(fā)生的范圍越來越廣，造成的危害也越來越嚴(yán)重。城市內(nèi)澇很大部分原因在于在城市快速發(fā)展過程中，對城市排水防澇工作不夠重視，排水管道建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)過低，防治城市內(nèi)澇的措施簡單化，城市排水防澇規(guī)劃不夠科學(xué)合理。在排水管網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)中，一般仍采用傳統(tǒng)的雨水設(shè)計(jì)流量計(jì)算公式，該計(jì)算方法在計(jì)算管道非壓力均勻流存在一定的缺點(diǎn)，一方面難以根據(jù)降雨過程線計(jì)算管道流量過程，另一方面當(dāng)管道處于超載狀態(tài)（即壓力流）或受水體水位頂托時(shí)，不能應(yīng)用于管道流量計(jì)算。目前，很多發(fā)達(dá)國家已采用數(shù)學(xué)模型模擬降雨過程，把排水管渠作為一個(gè)系統(tǒng)考慮，并用數(shù)學(xué)模型對雨水管網(wǎng)進(jìn)行系統(tǒng)規(guī)劃管理。因此，利用模型對城市暴雨徑流進(jìn)行模擬研究，為城市排水防澇規(guī)劃提供科學(xué)依據(jù)，是未來城市排水防澇規(guī)劃的主要研究方向之一。

本文基于暴雨洪水管理模型（SWMM），對研究區(qū)內(nèi)排水管網(wǎng)排水能力進(jìn)行模擬評估，在不同暴雨重現(xiàn)期下對城市排水防澇系統(tǒng)進(jìn)行能力評估，模擬分析研究區(qū)內(nèi)兩條主要排水河道連通的必要性，旨在為研究區(qū)制定排水防澇規(guī)劃方案提供技術(shù)參考。

2、SWMM模型簡介

暴雨洪水管理模型（SWMM）是由美國環(huán)境保護(hù)局（EPA）開發(fā)，免費(fèi)向公眾發(fā)布的一個(gè)動(dòng)態(tài)降雨一徑流水文水力模型，主要用于城市區(qū)域降雨徑流水量和水質(zhì)的單一事件或連續(xù)事件模擬。SWMM模型由水力、水質(zhì)等不同計(jì)算模塊組成，通過對城市雨水管網(wǎng)、河道、泵站等概化，根據(jù)城市特征合理選擇相關(guān)參數(shù)，可以模擬不同時(shí)段任意時(shí)刻每個(gè)子匯流區(qū)域所產(chǎn)生的水量和水質(zhì)，同時(shí)可模擬備管道和河道中流量、水深與污染物濃度等情況，用于指導(dǎo)城市排水系統(tǒng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)與校核，對城市不同條件的雨洪進(jìn)行模擬和評價(jià)。SWMM模型近年來被廣泛應(yīng)用于指導(dǎo)城市排水防澇規(guī)劃中。

在模型中，為反應(yīng)不同類型的下墊面對降雨產(chǎn)匯流的影響，每個(gè)子匯水區(qū)域由透水區(qū)、有洼量的不透水區(qū)和無洼量的不透水區(qū)組成。對無洼量不透水區(qū)，降雨量即為凈雨量；有洼量不透水區(qū)，凈雨量為降雨量扣除填洼量。對透水面積除了填洼量的損失外，還有下滲損失，模型中提供了霍頓方程、格林一安普特方程和徑流曲線數(shù)三種方法計(jì)算下滲量。管網(wǎng)中的水流模擬采用連續(xù)方程和動(dòng)量方程模擬漸變非恒定流，模型中提供了穩(wěn)定波、運(yùn)動(dòng)波和動(dòng)力波三種演算方法。

3、規(guī)劃區(qū)概況

3.1項(xiàng)目概況

規(guī)劃區(qū)位于長江三角洲地區(qū)，東臨長江，西接老山山丘，屬于山丘平原緩沖交界地帶。規(guī)劃區(qū)域總面積34.5平方千米，是國家級新區(qū)的核心區(qū)域，區(qū)域內(nèi)整體地勢西高東低，高程在3.53-61.4米之間，珠西河以西地面高程多在10米以上且坡度變化明顯。規(guī)劃區(qū)域西側(cè)受山洪影響，東側(cè)面臨長江洪水威脅，除西側(cè)山丘區(qū)外，整體地勢低于長江洪水位，排澇形勢嚴(yán)峻。根據(jù)研究區(qū)地形特點(diǎn)、水系分布、水利工程布局、洪水特性將研究區(qū)分為三個(gè)排澇分區(qū)（詳見圖1）。西部山丘區(qū)地勢自西向東遞減，地形高差較大。雨水以自排為主；南部區(qū)和北部區(qū)地勢平坦，屬于沿江平原圩區(qū)，雨水主要由管網(wǎng)收集排入內(nèi)河后，經(jīng)雨水泵站抽排至七里河和城南河，而后排入長江。

3.2下墊面條件分析

研究區(qū)內(nèi)現(xiàn)狀建成面積約為38.2%，現(xiàn)狀水面率約為7.6%，現(xiàn)狀綜合徑流系數(shù)約為0.5。研究區(qū)未來將被打造成為國家級新區(qū)的核心區(qū)，是集歷史文化休閑、國際健康服務(wù)、商務(wù)社交、科研設(shè)計(jì)和居住為一體的核心區(qū)域。城市他快速發(fā)導(dǎo)致區(qū)域下墊面的不透水性比例上升，導(dǎo)致雨水匯流時(shí)間變短，暴雨期間河道水位上升更快。同時(shí)，作為城市化核心區(qū)，河網(wǎng)間距過大導(dǎo)致排水路徑過長，管道排水會(huì)受到河道高水位的頂托與倒灌，城市易形成內(nèi)澇；汛期長江潮位、外河水位和山丘區(qū)泄洪的影響加大了該地區(qū)防洪排澇壓力。為此，采用SWMM模型對該區(qū)域防洪排澇問題進(jìn)行研究。

4、模型構(gòu)建

4.1.1排水管網(wǎng)概化及子匯水區(qū)劃分

采用GIS軟件導(dǎo)入雨水主干管（包括管網(wǎng)節(jié)點(diǎn)）、河道，檢查模型中管網(wǎng)的拓?fù)潢P(guān)系，設(shè)置水力模型參數(shù)（包括管道的埋深、坡度、粗糙度、河道的斷面等）。規(guī)劃區(qū)域內(nèi)共概化雨水管線646段，總長約131.5千米，排水口83個(gè)，河道75條，總長約29千米，泵站8座。根據(jù)現(xiàn)狀雨水管道分布、現(xiàn)狀城市水系道路布局及地形坡度，以泰森多邊形為基礎(chǔ)，結(jié)合人工手動(dòng)修正劃分子匯水區(qū)，共劃分了645個(gè)子匯水區(qū)，匯水總面積為31.9平方千米。

4.1.2相關(guān)參數(shù)設(shè)置

根據(jù)各子匯水區(qū)中透水性不同的各類用地比例，通過GIS加權(quán)平均計(jì)算各子匯水區(qū)的不透水率。子匯水區(qū)面積、坡度、寬度具有顯著的空間特征，可以通過GIS對規(guī)劃區(qū)的處理計(jì)算得到。本次采用動(dòng)力波方法模擬管道中流量演算，采用霍頓下滲模型模擬降雨下滲過程。模型其他水文參數(shù)結(jié)合各子匯水分區(qū)特征及地勘資料，依據(jù)SWMM雨水管理模型用戶手冊而定。匯水分區(qū)參數(shù)設(shè)計(jì)取值如表1所示。

4.1.3設(shè)計(jì)暴雨

對該區(qū)域的暴雨強(qiáng)度公式采用芝加哥雨型進(jìn)行擬合，雨峰系數(shù)取0.4，時(shí)間間隔為5分鐘，則1年一遇、3年一遇、5年一遇3小時(shí)降雨量分別為51.4毫米、72.0毫米、81.6毫米、94.6毫米，雨峰強(qiáng)度分別為8.16毫米/分鐘、11.42毫米/分鐘、12.94毫米/分鐘、14.99毫米/分鐘。不同重現(xiàn)期、降雨歷時(shí)3小時(shí)，雨峰系數(shù)為0.4的設(shè)計(jì)暴雨見圖3。

城市內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)評估時(shí)，一般采用長歷時(shí)降雨進(jìn)行模擬（24小時(shí)）。由于研究區(qū)域長歷時(shí)雨型的統(tǒng)計(jì)資料比較匱乏，本次模擬根據(jù)暴雨強(qiáng)度公式和《江蘇省暴雨參數(shù)圖集》的研究成果，得出該區(qū)域不同重現(xiàn)期情況下小時(shí)降雨量和日降雨量值，詳見表2。然后根據(jù)《城鎮(zhèn)內(nèi)澇防治技術(shù)規(guī)范》附錄C計(jì)內(nèi)澇防治常用雨型選擇SCS Ⅱ型降雨過程作為長歷時(shí)雨型用于內(nèi)澇防治設(shè)計(jì)重現(xiàn)期的校核，其降雨過程線見圖4。

4.2模型模擬結(jié)果及分析

4.2.1管道排水能力分析

對區(qū)域內(nèi)現(xiàn)狀排水系統(tǒng)能力普查和評估的目的不僅在于評價(jià)目前的排澇狀況，更重要的是預(yù)警城市遭遇極端天氣帶來的危害，是規(guī)劃設(shè)計(jì)城市排水防澇系統(tǒng)的前提和依據(jù)。傳統(tǒng)上排水能力評估可采用推理公式法對不同重現(xiàn)期降雨標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行均勻流計(jì)算，將計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)狀管網(wǎng)進(jìn)行對比獲得。此類排水能力評估計(jì)算方法過于繁瑣，需對雨水管網(wǎng)進(jìn)行逐一計(jì)算核對，工作量較大，在規(guī)劃范圍較大時(shí)，雨水管網(wǎng)管段數(shù)量較多情況下無法做到一一計(jì)算核實(shí)?？紤]到內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)評估與超標(biāo)雨水應(yīng)對系統(tǒng)規(guī)劃計(jì)算的需求，本次采用水力模型進(jìn)行一維管網(wǎng)水力模擬，通過不同重現(xiàn)期降雨標(biāo)準(zhǔn)下各管段的水力坡降線來評估雨水管網(wǎng)的排水能力。

我國排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)雨水管道內(nèi)流態(tài)按滿管均勻流考慮，計(jì)算設(shè)計(jì)流量時(shí)的設(shè)計(jì)水力坡度取管底坡度。重力管渠中，形成壓力流但尚未溢出地面造成洪災(zāi)的水力狀態(tài)定義為“超載”，一般當(dāng)出現(xiàn)超載狀態(tài)時(shí)，可認(rèn)為管段流量超過設(shè)計(jì)能力。因此，在評估中，若管道出現(xiàn)超載狀態(tài)，則視為該段雨水管道的排水能力不滿足相應(yīng)重現(xiàn)期設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

分別采用1年一遇、3年一遇、5年一遇3小時(shí)設(shè)計(jì)暴雨對研究區(qū)內(nèi)現(xiàn)狀雨水管道的排水能力進(jìn)行評估，其結(jié)果見圖5，其中P為管道重現(xiàn)期。

模型評估結(jié)果表明，研究區(qū)現(xiàn)狀排水能力在1年一遇以下的管網(wǎng)占32.2%，3年一遇以下的管網(wǎng)約占50.6%，3年一遇及以上管道約占49.4%，說明研究區(qū)雨水管渠排水能力略有不足。這主要是研究區(qū)南部屬于老城區(qū)，現(xiàn)狀雨水管道建設(shè)時(shí)間較早，設(shè)計(jì)時(shí)采用的設(shè)計(jì)重現(xiàn)期多為1～2年一遇，雨水管徑在偏小，為600～800毫米之間。此外研究區(qū)北部區(qū)屬于新建區(qū)，雨水管網(wǎng)敷設(shè)不完善，部分雨水管道服務(wù)范圍較大，導(dǎo)致現(xiàn)狀雨水管道重現(xiàn)期低于3年一遇標(biāo)準(zhǔn)。

部分現(xiàn)狀管道設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)偏低、規(guī)劃不合理，管道排水系統(tǒng)的功能無法很好地體現(xiàn)，存在內(nèi)澇嚴(yán)重的風(fēng)險(xiǎn)。根據(jù)現(xiàn)狀雨水管道排水能力的模擬評估結(jié)果，對研究區(qū)內(nèi)雨水管道重新進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計(jì)，改造模擬結(jié)果中低于1年一遇的雨水管。根據(jù)研究區(qū)的用地、路網(wǎng)布局，對缺少雨水管網(wǎng)的路段進(jìn)行規(guī)劃布置，然后重新劃分子匯水分區(qū)，構(gòu)建研究區(qū)規(guī)劃雨水管網(wǎng)的排水能力評估模型。根據(jù)規(guī)劃雨水管網(wǎng)的模擬結(jié)果，改造低于3年一遇的現(xiàn)狀雨水管網(wǎng)，對模擬結(jié)果中低于3年一遇的規(guī)劃雨水管網(wǎng)，進(jìn)行增大管徑重新規(guī)劃，然后重新構(gòu)建研究區(qū)規(guī)劃雨水管網(wǎng)的排水能力評估模型，直到研究區(qū)內(nèi)所有的雨水管網(wǎng)滿足3年一遇設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，北部區(qū)局部核心地區(qū)雨水管網(wǎng)滿足5～10年一遇設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。SWMM模型對管網(wǎng)排水能力的評估結(jié)果，可直接作為排水管網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)的依據(jù)，使雨水管網(wǎng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)更加合理，提高城市排水安全性。

4.2.2內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)分析

在雨水管網(wǎng)排水能力評估的基礎(chǔ)上，采用一維管網(wǎng)耦合二維地表徑流模型，對研究區(qū)50年一遇設(shè)計(jì)降雨工況下內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行模擬和評估。根據(jù)積水深度，結(jié)合現(xiàn)狀建設(shè)用地的重要性劃分內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)等級，根據(jù)《城市內(nèi)澇防治規(guī)劃規(guī)范》可分為4個(gè)等級內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，分別為內(nèi)澇低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)（Ⅳ級，0.15米<現(xiàn)狀最大積水深度≤0.3米），內(nèi)澇中等風(fēng)險(xiǎn)區(qū)（Ⅲ級，0.3米<現(xiàn)狀最大積水深度≤0.5米）、內(nèi)澇較高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)（Ⅱ級，0.5米<現(xiàn)狀最大積水深度≤1.0米）和內(nèi)澇高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)（Ⅰ級，現(xiàn)狀最大積水深度>1.0米）。研究區(qū)50年一遇降雨工況下內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)評估結(jié)果見圖6。

根據(jù)水力模型內(nèi)澇模擬結(jié)果，現(xiàn)狀內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)區(qū)總面積約3.7平方千米，占研究區(qū)總面積11%。規(guī)劃范圍內(nèi)澇低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)、中等風(fēng)險(xiǎn)區(qū)、較高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)和高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)面積占研究區(qū)面積的比例分別為6.22%、3.35%、1.29%、0.21%。內(nèi)澇存在較高風(fēng)險(xiǎn)主要集中在5個(gè)片區(qū)，結(jié)合現(xiàn)場調(diào)研得到的研究區(qū)內(nèi)實(shí)際內(nèi)澇積水區(qū)域，分析內(nèi)澇積水或風(fēng)險(xiǎn)較高的原因，逐個(gè)片區(qū)提出降低內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)的規(guī)劃方案。

結(jié)合模型管網(wǎng)排水能力分析和內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)評估分析，參考模型中河道水位、泵站流量的動(dòng)態(tài)變化情況，對研究區(qū)內(nèi)的水系、雨水泵站、雨水管道、綜合管廊（雨水衙函、雨水調(diào)蓄艙）采取合理的規(guī)劃措施后，可保證研究區(qū)應(yīng)對50年一遇暴雨內(nèi)澇積水基本消除。采用水力模型進(jìn)行規(guī)劃工況100年一遇超標(biāo)雨水內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)模擬。針對超標(biāo)準(zhǔn)暴雨內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，結(jié)合規(guī)劃用地布局，在有條件的道路兩側(cè)綠化帶設(shè)置植草溝，作為應(yīng)急行泄通道。充分發(fā)揮研究區(qū)內(nèi)部分道路下綜合管廊雨水調(diào)蓄艙空間作用，當(dāng)遭遇超標(biāo)準(zhǔn)暴雨時(shí)，部分內(nèi)澇積水可進(jìn)入管廊雨水調(diào)蓄艙。暴雨洪峰通過后，管廊調(diào)蓄艙空間的雨水經(jīng)排水渠或泵站就近排至河道。

珍珠河、城南河和七里河作為研究區(qū)內(nèi)主要排水河道，其河道排水功能是否正常直接關(guān)系到研究區(qū)的排水安全?，F(xiàn)狀珍珠河和城南河未連通，采用水文水力模型概化研究區(qū)所在防洪圈范圍內(nèi)區(qū)域排水通道以及山洪泄洪溝，研究珍珠河與城南河是否連通對主要防洪河道以及山洪泄洪溝的排水影響，模型概化圖如下圖8所示。

模型工況：潮位采用長江100年一遇潮位（10.60米），降雨采用50年一遇24小時(shí)設(shè)計(jì)降雨（283.8毫米）。分別模擬維持現(xiàn)狀（斷開）、規(guī)劃方案1（疏通暗涵）、規(guī)劃方案2（新開挖河道）三種方案下，研究區(qū)內(nèi)七里河、城南河、珍珠河水位變化情況，其結(jié)果如下圖9-11所示。

由模擬結(jié)果可知，珍珠河與城南河是否連通，對七里河、城南河行洪水位影響不超過5公分，原因在于通江河道七里河、城南河斷面過水能力足夠大，其洪水水位主要受長江潮位影響，受珍珠河與城南河是否連通影響較小。現(xiàn)狀七里河行洪能力能夠滿足排水要求，珍珠河與城南河連通后，可以增強(qiáng)水體流動(dòng)性，改善研究區(qū)水生態(tài)環(huán)境，利于應(yīng)急行泄調(diào)度。因此規(guī)劃近期疏通珍珠河一城南河連通暗涵?？紤]到研究區(qū)水面率不高，缺少水面生態(tài)空間，結(jié)合珍珠河連通段附近地塊建設(shè)情況，遠(yuǎn)期具備條件可考慮新開河道連通珍珠河與城南河。

結(jié)論：

本文通過構(gòu)建SWMM模型，考慮城市現(xiàn)狀及規(guī)劃下墊面，模擬分析不同暴雨重現(xiàn)期下城市排水管道的排水能力。找出不滿足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的排水管道，經(jīng)過反復(fù)調(diào)整規(guī)劃的排水管道，用模型反復(fù)模擬校驗(yàn)可保證城市排水管道滿足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，減少因排水管規(guī)劃設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)偏低導(dǎo)致的城市內(nèi)澇，促進(jìn)城市排水規(guī)劃更加科學(xué)合理。

考慮城市地形標(biāo)高，建立一維管網(wǎng)耦合二維地表徑流模型，對長歷時(shí)降雨條件下城市內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行模擬評估，利用評估結(jié)果調(diào)整規(guī)劃方案。同時(shí)模擬超標(biāo)準(zhǔn)暴雨條件下城市內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)，結(jié)合規(guī)劃用地布局，合理設(shè)置超標(biāo)雨水行泄通道，防止城市在應(yīng)對超標(biāo)暴雨時(shí)出現(xiàn)嚴(yán)重內(nèi)澇，威脅人民生命財(cái)產(chǎn)安全。

采用模型模擬分析了研究區(qū)兩條主要排水河道連通的必要性，為排水規(guī)劃方案的選擇提供了科學(xué)的理論依據(jù)，可提高排水規(guī)劃的專業(yè)性，增強(qiáng)實(shí)用性。