淺談SWMM模型在城市排水管網(wǎng)改造中的應(yīng)用

張琳 史尋剛

【摘要】本文以北方某城市排水（雨水）防澇綜合規(guī)劃為例，討論了SWMM模型在城市排水管網(wǎng)改造中的應(yīng)用情況，案例以現(xiàn)狀排水管網(wǎng)為基礎(chǔ)，用SWMM模型模擬了不同暴雨強(qiáng)度下，道路積水情況，分析產(chǎn)生積水的主要原因及改造措施，為管網(wǎng)改造提供科學(xué)依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】城市排水防澇；SWMM；雨污合流；低影響開發(fā)

城市排水防澇系統(tǒng)是現(xiàn)代城市的重要基礎(chǔ)設(shè)施，它對(duì)于確保人民生命財(cái)產(chǎn)安全、維持城市安全運(yùn)行和改善水環(huán)境具有重要意義。然而，異常氣候?qū)е露虤v時(shí)、強(qiáng)降雨頻發(fā)；下墊面條件的改變使得同頻率暴雨下產(chǎn)流量增大；此外，水流逆坡、下游出口不明確、部分道路豎向規(guī)劃不合理等現(xiàn)場(chǎng)導(dǎo)致部分路面大范圍積水，同時(shí)由于缺乏與園林景觀專業(yè)之間的相互協(xié)調(diào)，致使本可作為雨水滯、滲、調(diào)、蓄設(shè)施的天然綠地沒能發(fā)揮其應(yīng)有的作用，造成城市內(nèi)澇積水，影響城市安全運(yùn)行，對(duì)城市排水防澇系統(tǒng)提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

本文以北方某城市排水防澇綜合規(guī)劃為例，闡述了SWMM在城市排水管網(wǎng)改造中的具體應(yīng)用。

1、模型概述

SWMM由美國環(huán)保署（United States Environmental Protection Agency，簡(jiǎn)稱USEPA）在20世紀(jì)70年代開發(fā)，是最廣泛應(yīng)用于城市排水系統(tǒng)管理的模型之一。SWMM對(duì)雨水管、合流制管道、自然排放系統(tǒng)都可以進(jìn)行水量、水質(zhì)的模擬，包括地表徑流、排水管網(wǎng)輸送、貯水處理及與受納水體的相互影響等過程，可廣泛應(yīng)用于各級(jí)城市排水系統(tǒng)的模擬。

2、模擬過程

2.1降雨規(guī)律分析與下墊面解析

2.1.1設(shè)計(jì)雨型選取

目前，雨型主要包括市政雨型和水文雨型。水文雨型最小時(shí)間間隔為1小時(shí)，雨型一般為24小時(shí)，主要用來模擬長(zhǎng)系列、大流域的降雨。市政雨水最小時(shí)間間隔為5分鐘，雨型一般為2小時(shí)，主要用來模擬短歷時(shí)暴雨。由于造成城市內(nèi)澇的多為短時(shí)強(qiáng)降雨，暴雨時(shí)間約為1至2小時(shí)，因此選擇市政雨型進(jìn)行內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。

（1）雨型選擇

目前國內(nèi)外普遍采用的設(shè)計(jì)暴雨方法有芝加哥暴雨過程線法、Pilgrim and Cordery和Huff法等。其中，芝加哥法可由暴雨強(qiáng)度公示推求，方法簡(jiǎn)單可靠，國內(nèi)外使用較多，且芝加哥法降雨雨型有較高的峰值，有利于檢驗(yàn)城市排水防澇系統(tǒng)在最不利的短時(shí)強(qiáng)降雨下的負(fù)荷和風(fēng)險(xiǎn)，而且近年來各地短時(shí)強(qiáng)降雨頻發(fā)，因此通過芝加哥暴雨過程線求得設(shè)計(jì)暴雨的時(shí)程分配。

（2）雨峰系數(shù)選擇

雨峰系數(shù)r（0

2.1.2下墊面解析

在模型建立前，需要將研究區(qū)域劃分成若干個(gè)子匯水區(qū)，再根據(jù)子匯水區(qū)的地表性質(zhì)概化為透水區(qū)域與不透水區(qū)域，由于匯水區(qū)的劃分受地形及地表覆蓋的影響，因此本文利用Arc GIS軟件按照屋面、植被、道路、水系、公共設(shè)施等類型分別對(duì)研究區(qū)域內(nèi)地表類型進(jìn)行解析，解析成果矢量圖見圖1：

2.2模型參數(shù)識(shí)別

2.2.1水文參數(shù)識(shí)別

水文參數(shù)主要是反應(yīng)匯水區(qū)特征的參數(shù)，匯水區(qū)利用Arc GIS的水文分析工具，基于DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行劃分，并結(jié)合衛(wèi)星影像圖進(jìn)行邊界的調(diào)整。

在本次建模過程中，根據(jù)調(diào)研所掌握的大量數(shù)據(jù)信息共概化2128個(gè)匯水區(qū)，要參數(shù)包括匯水區(qū)的面積，不透水率、寬度、坡度等，主要利用GIS方法對(duì)主要參數(shù)進(jìn)行初步識(shí)別，并利用監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)校核。參數(shù)識(shí)別結(jié)果見圖2a。

2.2.2水力參數(shù)

管道水力數(shù)據(jù)包括管網(wǎng)系統(tǒng)和水系的高程和尺寸，本文主要從現(xiàn)狀排水管網(wǎng)圖（CAD）獲取相關(guān)信息，同時(shí)對(duì)關(guān)鍵位置進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量、校核，保障主干管網(wǎng)流向和高程與實(shí)際相符。其它包括地表洼地蓄量、Horton滲透量、管道粗糙度等參數(shù)均參照SWWM幫助手冊(cè)進(jìn)行設(shè)置。

2.2.3 模型參數(shù)率定

參數(shù)的可靠性是模型應(yīng)用的關(guān)鍵，本文分別以研究區(qū)域污水處理廠入口流量、主要泵站流量以及易積水點(diǎn)等相關(guān)信息進(jìn)行參數(shù)率定與驗(yàn)證。

（1）污水處理廠進(jìn)口流量驗(yàn)證結(jié)果

通過對(duì)旱天污水排放過程的實(shí)時(shí)模擬，并利用最近年份污水處理廠日平均水量對(duì)管網(wǎng)模型進(jìn)行旱天模擬評(píng)估計(jì)算，結(jié)果顯示：污水處理廠旱天入口流量為0.89m3/s，計(jì)算得日流量為76896噸，實(shí)際統(tǒng)計(jì)平均值為76751噸，百分標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.19%，模擬結(jié)果可靠。

（2）泵站流量驗(yàn)證結(jié)果

選取現(xiàn)有15座雨（污）水泵站中排水量較大的7座泵站進(jìn)行模型的驗(yàn)證，由模型率定驗(yàn)證結(jié)果（表1）可以看出：研究區(qū)域現(xiàn)狀管網(wǎng)模型除2號(hào)環(huán)泵站2013年8月7日（百分標(biāo)準(zhǔn)偏差34.3%）、5號(hào)泵站2013年6月24日（百分標(biāo)準(zhǔn)偏差-41.7%）數(shù)據(jù)外，其余泵站誤差均在模型驗(yàn)證要求的0.7%-23.3%范圍內(nèi)，滿足模型精度要求，模擬結(jié)果可靠。

（3）易積水點(diǎn)驗(yàn)證結(jié)果

利用現(xiàn)狀管網(wǎng)模型分析1年一遇降雨強(qiáng)度下，積水深度>15cm，積水歷時(shí)超過2小時(shí)的路段，并與歷史調(diào)查情況進(jìn)行比較，結(jié)果顯示：歷史調(diào)查發(fā)現(xiàn)22條易積水路段，管網(wǎng)模型模擬發(fā)現(xiàn)22條易積水路段，其中重合18條，結(jié)果證明模擬結(jié)果可靠。

總之，通過旱天污水廠進(jìn)水量、主要泵站不同降雨情境下的排水量以及與歷史易積水點(diǎn)的比較，均證明模擬結(jié)果可靠，可用于城市甲現(xiàn)狀排水能力、內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)估和規(guī)劃情景分析。

3、現(xiàn)狀排水系統(tǒng)評(píng)估

參照《城市排水（雨水）防澇綜合規(guī)劃編制大綱》要求：即發(fā)生城市雨水管網(wǎng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)以內(nèi)的降雨時(shí)，每條道路至少有一條車道的積水深度不超過15cm，積水時(shí)間不超過0.5h，因此，模型分別對(duì)1-5年不同重現(xiàn)期下積水時(shí)間大于0.5h的積水點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，分析各管段在現(xiàn)狀管網(wǎng)及泵站條件下的排水能力。

根據(jù)管網(wǎng)模型現(xiàn)狀排水能力評(píng)估，設(shè)計(jì)重現(xiàn)期小于等于1年的管長(zhǎng)達(dá)74.85km，積水概率高達(dá)52.6%，因此設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)偏低是城市內(nèi)澇的首要原因；其次，通過內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)與徑流系數(shù)分布，可以看出，城市化進(jìn)程加快導(dǎo)致徑流系數(shù)增加是城市內(nèi)澇的重要因素之一；此外，部分高風(fēng)險(xiǎn)積水點(diǎn)處在較低徑流系數(shù)區(qū)域或周邊，說明不透水率并不是造成城區(qū)內(nèi)澇的唯一原因，匯水區(qū)域面積過大、下游主干管網(wǎng)高負(fù)荷運(yùn)行是造成內(nèi)澇的另一主要原因。

小結(jié)：

通過對(duì)現(xiàn)狀排水管網(wǎng)系統(tǒng)的模擬評(píng)估，得出以下結(jié)論：

（1）在現(xiàn)有管網(wǎng)系統(tǒng)和泵站控制條件下，有44%的管道重現(xiàn)期小于1年一遇，部分截污干管設(shè)計(jì)重現(xiàn)期偏低是造成下游雨水難以及時(shí)排出的原因，因此在后期管網(wǎng)改造或規(guī)劃建設(shè)過程中，建議對(duì)管網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)分析、科學(xué)改造；

（2）大部易澇點(diǎn)或內(nèi)澇高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)徑流系數(shù)在0.6以上，建議對(duì)附近城市公園、廣場(chǎng)和道路綠地等進(jìn)行低影響開發(fā)改造，減少徑流排放量；對(duì)于涉及綠地率指標(biāo)要求的建設(shè)工程，如公共建筑周邊綠地與小區(qū)綠地、廣場(chǎng)綠地等至少應(yīng)有25%作為用于滯留雨水的下凹式綠地；配合景觀設(shè)計(jì)，綠地面積的5%作為雨水花園；

（3）徑流系數(shù)的主要影響因素為覆蓋種類的透水性，除此之外，還和降雨歷時(shí)、暴雨強(qiáng)度、暴雨雨型有關(guān)，后三者人為無法人為控制，可見覆蓋種類的透水性是進(jìn)行源頭控制的主要切入點(diǎn)，因此建議，在建設(shè)用地的規(guī)劃審批方面應(yīng)嚴(yán)格把控。

總之，城市地表、排水管網(wǎng)、泵站和水系組成了完整的城市排水防澇系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，各種因素相互作用，無論是管網(wǎng)的設(shè)計(jì)、改造都可以應(yīng)用模型對(duì)排水系統(tǒng)進(jìn)行全過程的模擬，為城市排水系統(tǒng)規(guī)劃、改造進(jìn)行提供技術(shù)支持。

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作者簡(jiǎn)介：

張琳，陜西地建土地綜合開發(fā)有限責(zé)任公司；

史尋剛，陜西地建土地綜合開發(fā)有限責(zé)任公司。