基于SWMM的校園雨水徑流模型建立及模擬

摘 要：目的：在校園內(nèi)開展海綿城市相關(guān)研究，為利用海綿城市的建設(shè)解決內(nèi)澇問題打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，起到示范作用。方法：以沈陽建筑大學(xué)校園為研究對象，利用SWMM雨水徑流模擬軟件，構(gòu)建校園雨水徑流模型。運(yùn)用該模型對沈陽建筑大學(xué)校園雨水徑流現(xiàn)狀進(jìn)行分析。結(jié)果：經(jīng)驗(yàn)證，NS值分別為0.82和0.95，認(rèn)為模擬徑流量與實(shí)際徑流量吻合度較高，模擬結(jié)果可信。結(jié)論：隨著降雨重現(xiàn)期的增大，校園內(nèi)各區(qū)域的積水厚度也隨之增加。

關(guān)鍵詞：海綿城市；徑流模擬模型；現(xiàn)狀模擬分析

近年來隨著城市化進(jìn)程不斷發(fā)展，城市不透水面積的大幅度增加，導(dǎo)致城市內(nèi)澇、水資源短缺、面源污染加劇等問題接踵而至。因地制宜的建立符合城市可持續(xù)發(fā)展的海綿城市建設(shè)是新時(shí)期解決內(nèi)澇問題的主要方向。校園作為一個(gè)特殊的社會子系統(tǒng)，具有人口密度高，功能分區(qū)全，與城市規(guī)劃類似的特點(diǎn)，因此在校園內(nèi)開展海綿校園相關(guān)研究具有較強(qiáng)的示范作用。

隨著雨水控制管理體系的不斷發(fā)展與成熟，目前國內(nèi)外已開發(fā)出多款雨水控制管理模型，但多數(shù)模型適用性較為單一，功能不夠全面。經(jīng)比較SWMM模型能完整模擬單場或連續(xù)的降雨匯流過程和徑流水質(zhì)模擬，并且擁有評估雨水控制設(shè)施、分析排水系統(tǒng)等能力， 且操作簡單、實(shí)用性強(qiáng)，基于研究的可行性考慮本題采用SWMM雨洪管理軟件進(jìn)行研究。

1 校園徑流現(xiàn)狀模擬分析

根據(jù)沈陽市暴雨強(qiáng)度公式，取設(shè)計(jì)重現(xiàn)期為1 a，3 a，5 a，10 a，20 a的短時(shí)降雨設(shè)計(jì)降雨過程，運(yùn)用校園雨水徑流模型對校園徑流現(xiàn)狀進(jìn)行模擬分析。其中降雨歷時(shí)為2小時(shí)，模擬歷時(shí)為4小時(shí)，時(shí)間步長為1 min。

對沈陽建筑大學(xué)不同降雨重現(xiàn)期下的徑流情況進(jìn)行量化，表1是對校園內(nèi)各匯水面在不同設(shè)計(jì)重現(xiàn)期下的徑流深度及峰值徑流量的統(tǒng)計(jì)，表2是對校園整體徑流量和綜合徑流系數(shù)進(jìn)行的統(tǒng)計(jì)。

經(jīng)統(tǒng)計(jì)對比得出隨著設(shè)計(jì)重現(xiàn)期的增大各匯水區(qū)的徑流量及峰值徑流量也在增大，但由于各匯水面性質(zhì)不同，各匯水面的徑流變化情況也存在差異。隨著重現(xiàn)期的增加，徑流總量和平均徑流系數(shù)都呈上升的趨勢，當(dāng)重現(xiàn)期從1a一遇上升到20a一遇時(shí)，降雨量從33.82mm上升到59.79mm，隨著降雨強(qiáng)度的增加，總徑流量從15.363mm上升到40.292mm，徑流總量增大了近三倍，校園綜合徑流系數(shù)從0.439增加到0.701，增加了62.6%。

通過不同重現(xiàn)期校園徑流總量隨降雨歷時(shí)變化過程，可以得出同一時(shí)刻徑流量隨降雨重現(xiàn)期的增大而增大，具體為1a<3a<5a<10a<20a；不同重現(xiàn)期徑流變化趨勢相同，與降雨過程相似都是先增大后減小，在未達(dá)到徑流量峰值時(shí)，徑流量隨降雨歷時(shí)的增大而增大，到達(dá)峰值后隨降雨歷時(shí)的增大而減少。這是由于降雨剛開始時(shí)，降雨強(qiáng)度較小，土壤較為干燥滲透速率較大，地面徑流產(chǎn)生量較少，隨著降雨歷時(shí)的不斷累積、降雨強(qiáng)度的逐漸增大，地面的徑流量也逐漸增大，在降雨強(qiáng)度達(dá)到峰值時(shí)地面徑流量也達(dá)到最大。之后因?yàn)橄聺B及雨水管網(wǎng)的調(diào)蓄作用，隨著降雨強(qiáng)度的減小徑流量也不斷減小，但由于徑流累積的作用，在降雨結(jié)束時(shí)校園內(nèi)仍有一定量的雨水徑流。

對沈陽建筑大學(xué)不同降雨重現(xiàn)期下的排放口流量進(jìn)行模擬分析，對校園內(nèi)兩個(gè)排放口在不同設(shè)計(jì)重現(xiàn)期下的流量和降雨強(qiáng)度的統(tǒng)計(jì)?？梢缘媒涤陱?qiáng)度是排放口流量的主要影響因素，排放口進(jìn)流量隨降雨強(qiáng)度的增大而增大；排放口流量的峰值時(shí)刻略遲于降雨量的峰值；當(dāng)降雨重現(xiàn)期較大時(shí)，排放口在流量達(dá)到峰值時(shí)會產(chǎn)生溢流并持續(xù)一段時(shí)間。PFK1的流量明顯大于PFK2流量，這是由于兩套排水系統(tǒng)承擔(dān)的排水區(qū)域的匯水面積及滲透性存在差異導(dǎo)致的。

2 結(jié)論

基于SWMM雨水徑流模擬模型，向其中輸入沈陽建筑大學(xué)校園雨水徑流情況相關(guān)參數(shù)，對各子匯水面及管段進(jìn)行概化，選取芝加哥雨型作為模擬設(shè)計(jì)暴雨雨型，最終建立校園雨水收集利用徑流模型，并對其進(jìn)行校驗(yàn)。

對沈陽建筑大學(xué)校園雨水徑流現(xiàn)狀進(jìn)行模擬，經(jīng)分析，隨著重現(xiàn)期的增加，徑流總量量和平均徑流系數(shù)都呈上升的趨勢，當(dāng)重現(xiàn)期從1a一遇上升到20a一遇時(shí)，降雨量從33.82mm上升到59.79mm，總徑流量從14.717mm上升到39.580mm，校園綜合徑流系數(shù)從0.435增加到0.662，增加了52.2%。同一時(shí)刻徑流量隨降設(shè)計(jì)重現(xiàn)期的增大而增大，具體為1a<3a<5a<10a<20a。排放口進(jìn)流量隨降雨強(qiáng)度的增大而增大；排放口流量的峰值時(shí)刻略遲于降雨量的峰值。由于兩套排水系統(tǒng)承擔(dān)的排水區(qū)域的匯水面積及滲透性存在差異導(dǎo)致PFK1的流量明顯大于PFK2流量。運(yùn)用積水厚度相關(guān)計(jì)算公式及雨水徑流模擬結(jié)果，對校園積水情況進(jìn)行研究，得到隨著降雨重現(xiàn)期的增大，校園內(nèi)各區(qū)域的積水厚度也隨之增加，校園內(nèi)積水較為嚴(yán)重的區(qū)域分別是校前廣場區(qū)和學(xué)生生活區(qū)中的鐵石廣場區(qū)。

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作者簡介

馬榕徽（1993—），女，滿，遼寧省丹東市，碩士在讀，畢業(yè)于沈陽建筑大學(xué)，研究方向海綿城市。