基于SWMM西湖雨水排水系統(tǒng)排水能力達(dá)標(biāo)性模擬分析

潘 洋 姜應(yīng)和

(武漢理工大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，湖北 武漢 430000)

1 概述

近年來我國城市化進(jìn)展迅速，未開發(fā)的自然滲透性地面逐漸被替換成不滲透性的屋頂和路面，城市化后的區(qū)域徑流系數(shù)大幅上升[1]。而現(xiàn)有的老城區(qū)排水管網(wǎng)設(shè)計(jì)的排水標(biāo)準(zhǔn)普遍較低，同等暴雨重現(xiàn)期條件下，難以滿足新的下墊面的雨水排放需求，容易出現(xiàn)管網(wǎng)漫流、局部區(qū)域滯水，呈現(xiàn)近年來熱門的內(nèi)澇現(xiàn)象[2,3]。城市暴雨管理模型(Storm Water Management Model，SWMM)常用于模擬雨水排水系統(tǒng)[4-6]，筆者以天門市西湖匯水區(qū)為研究對(duì)象，利用SWMM對(duì)現(xiàn)狀西湖排水系統(tǒng)進(jìn)行模擬，評(píng)估現(xiàn)狀排水系統(tǒng)排水能力的達(dá)標(biāo)性。

2 區(qū)域概況及模型構(gòu)建

2.1 研究區(qū)域概況

天門市處于湖北省中南部，江漢平原北部，屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，受東亞季風(fēng)的影響，降水過程頻繁，暴雨日數(shù)多[7]。西湖匯水區(qū)位于天門市主城區(qū)西北部，地貌呈現(xiàn)為四面地勢較高、中部地勢較低的形態(tài)。研究區(qū)域面積約261.7 hm2，主要為陸羽大道以南、天門河以北、西湖路以西、水廠路以東的老城區(qū)。雨水經(jīng)管道收集后排入西湖，一般情況下直排天門河，當(dāng)天門河處于洪水位時(shí)經(jīng)西湖電排站抽排至天門河。

2.2 SWMM概化模型構(gòu)建

SWMM是美國環(huán)保局專為城市研發(fā)的動(dòng)態(tài)降雨—徑流模型，包括水文、水力、水質(zhì)和低影響開發(fā)模塊[8,9]。根據(jù)西湖匯水區(qū)的雨水管網(wǎng)及地形資料，構(gòu)建該區(qū)域的SWMM概化模型，由于研究區(qū)域面積大小約為2 km2，屬小匯水流域，可假設(shè)區(qū)域內(nèi)降雨均勻分布。

將研究區(qū)域概化為116個(gè)子匯水區(qū)、83個(gè)管段、83個(gè)節(jié)點(diǎn)、1個(gè)蓄水池，其結(jié)果如圖1所示。蓄水池的原型便是該匯水區(qū)的西湖，作為調(diào)蓄排澇的湖泊，是整個(gè)西湖匯水區(qū)雨水匯聚的中心。除匯入西湖的管道連接到調(diào)蓄湖之外，另設(shè)一泵站連接調(diào)蓄湖泊，當(dāng)調(diào)蓄湖水位上升至起排水位時(shí)，泵站便開始工作，將西湖內(nèi)含雨水的湖水抽排至天門河，因此西湖可起到一定的調(diào)節(jié)徑流量的功效。

2.3 模型參數(shù)確定

SWMM模型參數(shù)主要分為兩類：一類是本身具有實(shí)際物理意義的參數(shù)，如管道直徑、管道長度、管底標(biāo)高、地面標(biāo)高、管底坡度、子匯水面積等，可以通過查閱雨水管網(wǎng)資料或直接從地形圖測量獲取；另一類是模型推導(dǎo)過程中衍生出來的參數(shù)，如管道曼寧系數(shù)、地表曼寧系數(shù)、不透水地表的洼蓄量、透水地表的洼蓄量等，可通過查詢模型手冊(cè)或參照相關(guān)文獻(xiàn)取值。

模擬采用Horton入滲模型，研究區(qū)域最大滲入速率取76.2 mm/h，最小滲入速率取3.30 mm/h，下滲速率衰減常數(shù)取4 h-1，排干時(shí)間取7 d；地表徑流的匯流計(jì)算采用非線性水庫模型，排水系統(tǒng)流量的水力模型選用動(dòng)力波。

匯水區(qū)產(chǎn)流參數(shù)取值如表1所示。

表1 匯水區(qū)產(chǎn)流參數(shù)取值

2.4 模擬雨型設(shè)定

對(duì)于天門市老城區(qū)，原有雨水排水系統(tǒng)的暴雨設(shè)計(jì)重現(xiàn)期P=1年，而新頒布的GB 50014—2006室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范(2016年版)要求人口規(guī)模如天門市的排水系統(tǒng)至少滿足暴雨設(shè)計(jì)重現(xiàn)期P=2年，故本文的設(shè)計(jì)暴雨重現(xiàn)期分別取1年和2年，評(píng)估現(xiàn)狀排水系統(tǒng)在P=1年和P=2年暴雨事件情境下的排水性能。

本文模擬以排澇評(píng)估為目的，設(shè)計(jì)降雨采用24 h長歷時(shí)雨型。評(píng)估天門市設(shè)計(jì)降雨量按《湖北省暴雨參數(shù)圖集》計(jì)算求得，P=1年和P=2年時(shí)24 h設(shè)計(jì)降雨量分別為50.57 mm和103.01 mm。

天門市缺乏系統(tǒng)的暴雨雨型統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果，武漢市與天門市較近，可借用《武漢市排水防澇系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中的“武漢市24小時(shí)暴雨逐時(shí)雨量分配表”，雨型分配如圖2所示，降雨峰值出現(xiàn)在第16小時(shí)。

根據(jù)天門市24 h降雨量及每時(shí)段降雨比例分配，可得到P=1年和P=2年時(shí)的暴雨雨型曲線如圖3所示，并對(duì)降雨量、平均降雨量、峰值降雨量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，其結(jié)果如表2所示。

表2P=1年和P=2年設(shè)計(jì)暴雨雨型主要參數(shù)統(tǒng)計(jì)表

重現(xiàn)期/年24 h降雨量/mm平均降雨量/mm·h-1峰值降雨量/mm·h-1P=150.552.1119.67P=2103.034.2940.07

3 排水系統(tǒng)排水能力評(píng)估

分別在P=1年和P=2年重現(xiàn)期暴雨事件發(fā)生的情況下，模擬分析現(xiàn)狀排水系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)溢流和管段超載情況。

3.1 節(jié)點(diǎn)溢流分析

以P=1年重現(xiàn)期暴雨進(jìn)行西湖匯水區(qū)雨水徑流模擬，該情景下發(fā)生溢流的節(jié)點(diǎn)統(tǒng)計(jì)如表3所示。

表3 P=1年時(shí)現(xiàn)狀排水系統(tǒng)溢流節(jié)點(diǎn)匯總表

由表3可知，即使按設(shè)計(jì)重現(xiàn)期P=1年的暴雨對(duì)西湖匯水區(qū)進(jìn)行雨水徑流模擬，83個(gè)節(jié)點(diǎn)中仍有13個(gè)節(jié)點(diǎn)有溢流現(xiàn)象，溢流節(jié)點(diǎn)占比為15.7%。

為了更直觀地把上述溢流節(jié)點(diǎn)呈現(xiàn)出來，以圈標(biāo)記溢流點(diǎn)，圈的面積越大溢流越嚴(yán)重，數(shù)字代表節(jié)點(diǎn)編號(hào)，其溢流點(diǎn)分布如圖4所示。

以P=2年重現(xiàn)期暴雨進(jìn)行西湖匯水區(qū)雨水徑流模擬，結(jié)果發(fā)現(xiàn)83個(gè)節(jié)點(diǎn)中有41個(gè)節(jié)點(diǎn)有溢流現(xiàn)象，溢流節(jié)點(diǎn)占比為49.4%，較P=1年時(shí)溢流節(jié)點(diǎn)占比15.7%有大幅上升。

P=2年暴雨發(fā)生時(shí)，節(jié)點(diǎn)總溢流量為46 560 m3，而當(dāng)P=1年降雨發(fā)生時(shí)總溢流量僅為6 875 m3，溢流總量增加約6倍。溢流節(jié)點(diǎn)模擬結(jié)果表明，現(xiàn)狀排水系統(tǒng)在P=2年重現(xiàn)期暴雨下的排水能力更不理想。

3.2 管段超載分析

暴雨重現(xiàn)期P=1年,P=2年時(shí)西湖匯水區(qū)現(xiàn)狀管網(wǎng)超載情況如表4所示。

表4 P=1年和P=2年時(shí)現(xiàn)狀管網(wǎng)超載情況

由表4可知，當(dāng)暴雨重現(xiàn)期P=1年時(shí)，83個(gè)管段中有60個(gè)管段超載，占比為72.3%。在超載管段中，40%的管段超載時(shí)間處于0 h～1 h，12%的管段超載時(shí)間超過4 h；當(dāng)暴雨重現(xiàn)期P=2年時(shí)，超載管段總數(shù)上升至72，占比為86.8%。在暴雨重現(xiàn)期P=2年時(shí)，僅有7%的管段超載時(shí)間處于0 h～1 h，25%的管段超載時(shí)間超過4 h；與P=1年時(shí)管段超載情形相比，超載時(shí)間超過4 h的管段數(shù)占比大大提高，超載時(shí)間處于0 h～1 h管段數(shù)占比大大降低。

利用SWMM統(tǒng)計(jì)暴雨重現(xiàn)期P=1年和P=2年時(shí)的高峰徑流時(shí)間段(15:00～17:00)管網(wǎng)排水能力，結(jié)果如表5，表6所示。

表5 P=1年降雨高峰徑流時(shí)間段管網(wǎng)排水能力

表6 P=2年降雨高峰徑流時(shí)間段管網(wǎng)排水能力

由表5可知，在P=1年暴雨情形下，高峰徑流時(shí)間段管段超載比例范圍為20.5%～72.3%，說明在此期間，超過20%的管段持續(xù)處于超載狀態(tài)；由表6可知，在P=2年暴雨情形下，高峰徑流時(shí)間段管段超載比例范圍為51.8%～86.8%，此期間超過1/2的管段持續(xù)處于超載狀態(tài)，在15:30～16:00期間超負(fù)荷運(yùn)行的管段數(shù)超過80%。

通過模擬現(xiàn)狀排水系統(tǒng)在P=1年和P=2年降雨情景下的節(jié)點(diǎn)溢流和管段超載情況，可知現(xiàn)狀排水管道系統(tǒng)難以達(dá)到預(yù)期的排水能力要求。之所以有些管段未能達(dá)到預(yù)期的排水能力，可能與三個(gè)原因相關(guān)：

1)該匯水區(qū)在開發(fā)建設(shè)時(shí)不滲透地面覆蓋占比過高，城區(qū)雨水管網(wǎng)設(shè)計(jì)時(shí)徑流系數(shù)取值稍??；

2)在過去，一些雨水管網(wǎng)未經(jīng)專業(yè)人員設(shè)計(jì)，僅憑經(jīng)驗(yàn)確定建設(shè)方案；

3)過去雨水管網(wǎng)設(shè)計(jì)依據(jù)的是短歷時(shí)暴雨，未進(jìn)行24 h長歷時(shí)暴雨校核。排水能力不達(dá)標(biāo)的主要原因是當(dāng)初雨水管網(wǎng)設(shè)計(jì)時(shí)徑流系數(shù)取值稍低。

4 結(jié)論

本文以天門市西湖排水系統(tǒng)為研究對(duì)象，構(gòu)建SWMM概化模型，采用24 h長歷時(shí)降雨及武漢市的雨型分布，分別在P=1年和P=2年暴雨事件情況下評(píng)估現(xiàn)狀管網(wǎng)的排水性能，得出結(jié)論如下：

1)對(duì)現(xiàn)狀排水系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)溢流分析結(jié)果表明：當(dāng)P=1年時(shí)，現(xiàn)狀排水管網(wǎng)溢流節(jié)點(diǎn)的比例為15.7%；當(dāng)P=2年時(shí)，溢流節(jié)點(diǎn)占比為49.4%，溢流區(qū)域更廣，總溢流量與P=1年的降雨事件相比增加了約6倍，溢流總量顯著增加。

2)對(duì)現(xiàn)狀排水系統(tǒng)的管段超載分析結(jié)果表明：當(dāng)P=1年時(shí)，現(xiàn)狀排水管網(wǎng)超載管段的比例為72.3%；當(dāng)P=2年時(shí)，超載管段占比為86.8%；與P=1年時(shí)模擬結(jié)果相比，當(dāng)P=2年時(shí)，管段超載時(shí)間超過4 h的管段數(shù)占比增大，超載時(shí)間處于0 h～1 h的管段數(shù)占比減少。

3)現(xiàn)狀雨水排水系統(tǒng)排水能力難以達(dá)到預(yù)期的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)(P=1年)，更不能滿足新標(biāo)準(zhǔn)對(duì)設(shè)計(jì)重現(xiàn)期(P=2年)的要求。之所以現(xiàn)狀排水系統(tǒng)的排水能力難以達(dá)標(biāo)，主要是因?yàn)槌菂^(qū)雨水管網(wǎng)設(shè)計(jì)時(shí)徑流系數(shù)取值偏小、部分雨水管網(wǎng)未經(jīng)專業(yè)人員設(shè)計(jì)以及短歷時(shí)設(shè)計(jì)的管段未進(jìn)行24 h長歷時(shí)暴雨校核，但主要原因是當(dāng)初雨水管網(wǎng)設(shè)計(jì)時(shí)徑流系數(shù)取值稍低。