基于SWMM模型的山前平原區(qū)城市排水防澇計(jì)算方法探究

(南京市雨花臺區(qū)水務(wù)總站，江蘇南京210017)

近年來，隨著城市化進(jìn)程的加快，城市硬化面積越來越大，內(nèi)澇問題頻現(xiàn)，造成了嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡，因此，加強(qiáng)城市排水防澇能力建設(shè)，尤其是科學(xué)準(zhǔn)確的計(jì)算城市暴雨徑流顯得尤其關(guān)鍵。中國西南地區(qū)，很多城市位于山丘區(qū)之間的盆地，隨著快速化的城市化進(jìn)程，當(dāng)?shù)靥烊划a(chǎn)匯流機(jī)制發(fā)生了改變，傳統(tǒng)的水文水利學(xué)計(jì)算方法如單位線法、等流時線法難以反映新的產(chǎn)匯流特性。同時，由于管理職能的不統(tǒng)一，城市地區(qū)防洪工程、排水工程規(guī)劃設(shè)計(jì)采用不同的行業(yè)規(guī)范，如何解決由于計(jì)算方法的不統(tǒng)一而造成的排水防澇工程不匹配問題成為中國西南地區(qū)城市面臨的主要難題。鑒此，本次研究以云南省昭通市為例，通過SWMM(Storm Water Management Model)模型研究其排水防澇計(jì)算方法，分析現(xiàn)狀水系存在的主要問題，并對規(guī)劃河道水情進(jìn)行模擬分析，分析規(guī)劃方案的合理性，以期為其他城市制定合理的排水防澇規(guī)劃，提供對策和建議。

1 SWMM模型介紹

SWMM模型是動態(tài)的降雨徑流模擬模型，由產(chǎn)流、匯流以及水質(zhì)模擬模塊組成，產(chǎn)流模塊可綜合處理匯水區(qū)所發(fā)生的降水、污染負(fù)荷和徑流；匯流模塊則通過渠道、管網(wǎng)、水泵等進(jìn)行水量傳輸[1-2]。

產(chǎn)流計(jì)算中，依據(jù)研究區(qū)下墊面特點(diǎn)、土地利用性質(zhì)等劃分為不同的區(qū)域進(jìn)行計(jì)算[3-4]，主要為不透水區(qū)和透水區(qū)，不透水區(qū)又可根據(jù)是否有洼蓄分為兩部分，對無洼蓄的不透水區(qū)，降雨量即等于產(chǎn)流量；對有洼蓄的不透水區(qū)，降雨量減去填洼量即為產(chǎn)流量。匯流計(jì)算則是采用非線性水庫法。近年來，城市內(nèi)澇發(fā)生的越來越頻繁，研究SWMM模型的論文也越來越多，朱靖等撰寫的《SWMM模型在西南地區(qū)山前平原城市防澇計(jì)算中的應(yīng)用》、胡莎等撰寫的《基于SWMM模型的山前平原城市水系排澇規(guī)劃》都對SWMM模型原理進(jìn)行了詳細(xì)的解讀，在此不再詳細(xì)描述，模型的原理詳見文獻(xiàn)[5-8]。

2 研究區(qū)SWMM模型構(gòu)建

2.1 研究區(qū)概況及子流域概化

昭通市位于云南省東北部金沙江下游，是云南省連接長江經(jīng)濟(jì)帶的重要門戶。地勢西南低、東北高，屬典型的高原山地構(gòu)造地形，坡降較大，主城區(qū)面積23 km2，區(qū)內(nèi)地勢平坦，地表水系發(fā)達(dá)，有一條主要河道由東北向西南貫穿城區(qū)，沿途納入3條支流，是主城區(qū)及上游山丘區(qū)主要泄洪通道，具有排泄沿途澇水及上游水庫泄洪雙重作用。該河道上游有2座水庫，庫容分別為121.00萬、102.66萬m3。上游山丘區(qū)洪水峰高量大，宜采用天然流域水文水力計(jì)算方法，但城區(qū)管道排水系統(tǒng)由于河道水位的倒灌和頂托以及傳統(tǒng)管道設(shè)計(jì)方法的不足，采用天然流域水文水利計(jì)算方法已難以反映該市主城區(qū)的產(chǎn)匯流特征。

在運(yùn)用SWMM模型進(jìn)行模擬分析時，首先要進(jìn)行子流域和管網(wǎng)概化，根據(jù)土地性質(zhì)及高程信息，將研究區(qū)劃分為3部分。第一部分，流域上游山丘區(qū)，

根據(jù)《云南省暴雨洪水查算圖表實(shí)用手冊》進(jìn)行產(chǎn)匯流計(jì)算，水庫調(diào)蓄計(jì)算按水庫汛期調(diào)度模式進(jìn)行；第二部分，中心城區(qū)外圍郊區(qū)，地勢較為平緩，未規(guī)劃雨水管網(wǎng)，主要是根據(jù)地形資料進(jìn)行分區(qū)，共劃分為12個區(qū)域，總面積24.1 km2，采用SWMM模型進(jìn)行演算；第三部分，流域中下游主城區(qū)，總面積60.8 km2，根據(jù)現(xiàn)狀管網(wǎng)匯水范圍，劃分為202個區(qū)域，采用SWMM模型進(jìn)行演算。流域分區(qū)劃分示意見圖1[9-11]。

圖1 流域分區(qū)劃分示意

2.2 參數(shù)選擇

研究區(qū)子區(qū)域匯水面積、平均坡度及特征寬度可由土地類型分布圖獲得，管徑大小、管長、檢查井標(biāo)高等根據(jù)雨水工程現(xiàn)狀圖獲得。入滲采用霍頓模型進(jìn)行模擬，管道匯流采用動力波演算，匯流時間步長取10 s，設(shè)計(jì)暴雨歷時取24 h，考慮產(chǎn)匯流時效性，模擬時段延長到48 h，在匯流過程中，若節(jié)點(diǎn)入流量超過管道、河道輸送能力，會溢出系統(tǒng)，產(chǎn)生地面積水[12]。參數(shù)取值具體見表1。模型其他參數(shù)主要參考《SWMM模型用戶手冊》及相關(guān)文獻(xiàn)[13]，在后期模型率定過程中做調(diào)整。

2.3 模型率定

運(yùn)用構(gòu)建的SWMM模型模擬研究區(qū)在2014—2017年12次典型降雨下，模擬內(nèi)澇結(jié)果與實(shí)測結(jié)果對比情況，從而檢驗(yàn)?zāi)Ｐ蛥?shù)選擇的合理性[14]。圖2列出了實(shí)測積水面積與模擬結(jié)果對比情況。

表1 研究區(qū)參數(shù)取值

圖2 實(shí)測積水面積與模擬結(jié)果對比情況

從結(jié)果看，模擬結(jié)果與實(shí)測積水面積總體上還是吻合的，由此可見，模型參數(shù)選擇及區(qū)域概化還是符合研究區(qū)實(shí)際情況的，由于模型只概化主干管，無法模擬管道破損、堵塞等情況，所以模擬結(jié)果與實(shí)測結(jié)果存在微小偏差，總體比實(shí)測面積小。

模擬計(jì)算針對10年一遇設(shè)計(jì)暴雨，對模型中的不透水率、透水區(qū)洼蓄、下滲參數(shù)等關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行參數(shù)敏感性分析，以分析參數(shù)對計(jì)算結(jié)果的影響和敏感程度，為參數(shù)率定和選擇提供參考[15](表2)。

表2 主要參數(shù)敏感性分析結(jié)果

3 模擬結(jié)果及分析

3.1 設(shè)計(jì)暴雨計(jì)算

昭通氣象站屬國家基本測站，由專業(yè)人員進(jìn)行資料觀測、整編，經(jīng)過主管部門審批，正式刊印，資料可靠。設(shè)計(jì)暴雨計(jì)算采用昭通站短歷時雨量資料，計(jì)算設(shè)計(jì)區(qū)域設(shè)計(jì)暴雨。根據(jù)本次收集到的1983、1986、1988—2009年共計(jì)24 a的年最大1、6、24 h暴雨系列，采用P-Ⅲ型頻率曲線，對最大1、6、24 h暴雨進(jìn)行頻率計(jì)算，根據(jù)《云南省24小時暴雨分區(qū)綜合雨型表》得到本區(qū)域24 h暴雨歷時分配過程，進(jìn)而輸入模型進(jìn)行計(jì)算[16-17]。

3.2 現(xiàn)狀河道水情模擬及原因分析

3.2.1現(xiàn)狀河道水情模擬結(jié)果

為找出現(xiàn)狀河道存在的問題，需首先分析現(xiàn)狀河道的澇情分布。上游水庫出庫流量過程線作為邊界入流條件，設(shè)計(jì)降雨過程作為研究區(qū)入流條件，采用SWMM模型模擬入流歸槽情形下，骨干河道及其支流5年一遇和10年一遇河道水情和澇情。由于研究區(qū)堤防設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)基本是10年一遇，降雨超過10年一遇時，河道普遍出現(xiàn)漫溢，本次不進(jìn)行模擬。

根據(jù)現(xiàn)狀水系模擬結(jié)果可知，當(dāng)研究區(qū)遭遇5年一遇降雨時，除了山丘區(qū)和郊區(qū)所處的上游段可抵抗5年一遇降雨外，穿越主城區(qū)的河道水位大部分超過了河岸高程，出現(xiàn)了河水漫溢及內(nèi)澇現(xiàn)象，內(nèi)澇最嚴(yán)重的是老城區(qū)段，最高水位普遍高于河岸高程。當(dāng)研究區(qū)遭遇10年一遇降雨時，全程河道水位普遍超過河岸高程，出現(xiàn)了河道全程漫溢現(xiàn)象。因此，在現(xiàn)狀條件下，老城區(qū)河段達(dá)不到5年一遇排澇標(biāo)準(zhǔn)，全流域達(dá)不到10年一遇排澇標(biāo)準(zhǔn)。

當(dāng)研究區(qū)遭遇5年一遇降雨時，積水深度大于10 cm的節(jié)點(diǎn)有25個，約占研究區(qū)總節(jié)點(diǎn)數(shù)的5.0%，大于30 cm的節(jié)點(diǎn)有7個，約占研究區(qū)總節(jié)點(diǎn)數(shù)的1.4%；對于10年一遇降雨，已經(jīng)遠(yuǎn)超城市排水標(biāo)準(zhǔn)，管網(wǎng)內(nèi)部多呈壓力流，結(jié)果表明，地面積水深度大于10 cm的節(jié)點(diǎn)有62個，約占節(jié)點(diǎn)總數(shù)的12.4%。不同降雨重現(xiàn)期積水深度較大的節(jié)點(diǎn)數(shù)見表3，積水點(diǎn)分布見圖3、4。

表3 不同降雨重現(xiàn)期、不同積水深度的內(nèi)澇點(diǎn)數(shù)

圖3 城市5年一遇積水點(diǎn)分布

圖4 城市10年一遇積水點(diǎn)分布

3.2.2原因分析

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查及模擬結(jié)果分析，現(xiàn)狀水系河道淤積嚴(yán)重、堤防薄弱、老城區(qū)河道過流不暢，造成城市內(nèi)澇時有發(fā)生。

a) 河道淤積嚴(yán)重。研究區(qū)水土流失嚴(yán)重，造成河床淤積抬升；部分河段居民環(huán)保意識淡薄，隨意向河道亂扔垃圾廢料，導(dǎo)致河道淤積，河床抬高，部分河道深度僅為1 m，過水?dāng)嗝鏈p小，影響了河道的排澇，極其容易發(fā)生漫堤現(xiàn)象。

b) 河道堤防薄弱。研究區(qū)河道修建于20世紀(jì)90年代以前，河堤總體建設(shè)零散，呈現(xiàn)新老交替格局，型式、規(guī)模上各有差異，其中多數(shù)河堤修建年代較早，局部變形和坍塌嚴(yán)重，部分河段由于基礎(chǔ)埋深較淺，基礎(chǔ)被水流掏空，坍塌嚴(yán)重。

3.2.3現(xiàn)狀問題解決方案

針對河道存在的問題，根據(jù)研究區(qū)實(shí)際情況，提出以下3種河道整治工程方案，分析其對內(nèi)澇的緩解效果。

a) 方案一：采取低影響開發(fā)措施，各分區(qū)不透水率降低5%。效果分析：當(dāng)研究區(qū)遭遇5年一遇降雨時，河道水位普遍降低約10 cm，上游及中游河段河水漫溢現(xiàn)象有所緩解，但下游段河道漫溢現(xiàn)象仍然存在；當(dāng)研究區(qū)遭遇10年一遇降雨時，中下游段澇情仍然顯著，斷面0+000至3+841普遍高于河岸或堤防高程0.74 m，最高水位仍超過河岸高程1.3 m以上。因此研究區(qū)采取低影響開發(fā)措施后，基本能達(dá)到5年一遇排澇標(biāo)準(zhǔn)，但是仍然達(dá)不到10年一遇排澇標(biāo)準(zhǔn)。

b) 方案二：清淤河道10 cm。效果分析：當(dāng)研究區(qū)遭遇5年一遇降雨時，全流域最高水位普遍下降10 cm，但是仍無法解決中下游段澇情；當(dāng)研究區(qū)遭遇10年一遇降雨時，中下游內(nèi)澇仍然嚴(yán)重。

c) 方案三：以上2個方案同時實(shí)施。效果分析：當(dāng)研究區(qū)遭遇5年一遇降雨時，河道水位降低明顯，幾乎沒有漫溢現(xiàn)象；當(dāng)遭遇10年一遇降雨時，下游段0+000至8+925的中下游河段澇情有所緩解但仍然存在，最高水位仍然超過河岸高程0.5 m以上。

因此，在城市總體規(guī)劃條件下，采取低影響開發(fā)措施及河道清淤對降低河道水位及緩解澇情有一定幫助，特別對于5年一遇降雨，緩解作用更加明顯；但是對于10年一遇降雨，河水漫溢及內(nèi)澇現(xiàn)象仍然存在，要想緩解城市內(nèi)澇，需要進(jìn)行大規(guī)模的河道整治。

3.3 規(guī)劃河道水情模擬及分析

3.3.1河道設(shè)計(jì)思路

根據(jù)河道現(xiàn)狀分析和整治要求，制定了研究區(qū)主要河道整治的初步方案，為了分析城市總體規(guī)劃條件下區(qū)域的排澇能力，論證河道設(shè)計(jì)方案的合理性和可行性，針對規(guī)劃河道，模擬5年一遇和10年一遇條件下，管網(wǎng)排水與河道排澇能力。暴雨重現(xiàn)期達(dá)到20年一遇時，上游水庫下泄流量顯著增加，增加分析在流域遭遇20年一遇暴雨時，河道水情及安全狀況。

3.3.2模擬結(jié)果及分析

按照研究區(qū)中心城區(qū)規(guī)劃土地利用條件和排水管網(wǎng)，由設(shè)計(jì)暴雨過程、相應(yīng)的水庫入庫流量過程線，針對河道設(shè)計(jì)方案，采用SWMM模型模擬河道水情和澇情。

a) 5年一遇水情分析：對于規(guī)劃排水管網(wǎng)系統(tǒng)及河道設(shè)計(jì)方案，由計(jì)算結(jié)果可知，城市地面基本沒有積水現(xiàn)象，模擬得出5年一遇河道最高水位，顯著低于堤防設(shè)計(jì)高程，滿足河道排澇要求。

b) 10年一遇水情分析：對于10年一遇降雨所形成的徑流，已經(jīng)超過管道排水標(biāo)準(zhǔn)，模擬結(jié)果表明，積水深度大于10 cm節(jié)點(diǎn)有12個，約占城市節(jié)點(diǎn)總數(shù)的2%?？傮w說來，地面積水不算嚴(yán)重。在地面澇水歸槽情況下，河道最高水位也低于堤防設(shè)計(jì)高程，滿足10年一遇河道排澇要求。

c) 20年一遇水情分析：當(dāng)流域遭遇20年一遇暴雨時，暴雨徑流顯著超過管道系統(tǒng)排水能力，水庫下泄最大流量增加到43.9 m3/s。根據(jù)SWMM模擬結(jié)果，河道沿程最高水位均低于兩岸河岸或堤防高程，河道可以順利地排除水庫下泄洪水及沿河澇水，不會出現(xiàn)漫溢狀況，整體是安全的。

4 結(jié)論

a) 本次模型構(gòu)建考慮到了城市不同下墊面類型、管道排水、地面產(chǎn)匯流等特征，能夠反映城市的性質(zhì)，模型參數(shù)的選擇也符合研究區(qū)特征。

b) 運(yùn)用SWMM模型模擬研究區(qū)現(xiàn)狀河道水情，并分析內(nèi)澇產(chǎn)生的原因，從而提出合理的整治方案，且模擬了整治方案的適用性和可行性，這一思路可為其他城市制定排水防澇規(guī)劃提供很好的參考。

c) 傳統(tǒng)的水文計(jì)算方法不能適用于復(fù)雜河網(wǎng)水文水力計(jì)算，更不能模擬城市內(nèi)澇情形，本次研究表明，SWMM模型在城市排水防澇規(guī)劃中具有很好的適用性。