基于HY-SWMM的小區(qū)內(nèi)澇模擬分析

楊洪，李東原

（中國(guó)市政工程西南設(shè)計(jì)研究總院有限公司）

1 引言

近年，由于城市氣候條件的改變，城市暴雨頻次、降雨歷時(shí)和降雨量都有增加的趨勢(shì)，同時(shí)城市排水管網(wǎng)建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)偏低、路面硬化率高、綠化率低，導(dǎo)致降雨超過雨水設(shè)施消納能力，地面產(chǎn)生積水，形成內(nèi)澇。

基于內(nèi)澇問題的復(fù)雜性，越來越多的學(xué)者采用技術(shù)軟件和模型對(duì)內(nèi)澇過程進(jìn)行模擬分析，尋求內(nèi)澇產(chǎn)生的原因和解決辦法。鴻業(yè)暴雨排水及低影響開發(fā)模擬系統(tǒng)(HY-SWMM)基于AutoCAD平臺(tái)[1]，能夠建立三維數(shù)字高程模型，繪制徑流曲線、水質(zhì)曲線、水深曲線等各種曲線，對(duì)降雨過程進(jìn)行可視化動(dòng)態(tài)水力剖面模擬、平面及三維淹沒分析等。

以成都市某小區(qū)為例，結(jié)合具體時(shí)期暴雨情況，研究區(qū)域暴雨時(shí)內(nèi)澇淹沒分析。建立相應(yīng)的降雨模型、管網(wǎng)數(shù)據(jù)和地形模型，取得內(nèi)澇區(qū)域模擬面積，淹沒深度，進(jìn)而找出內(nèi)澇產(chǎn)生原因，提出針對(duì)性改造措施。

2 研究區(qū)域概況

本項(xiàng)目位于成都市某小區(qū)，占地約6.67hm2(100畝)，綠地率約30%，容積率約30%，區(qū)內(nèi)地勢(shì)東北高西南低，標(biāo)高范圍為527.1m～495.9m。小區(qū)戶型為聯(lián)排別墅，每戶自帶下沉式庭院，屋面和下沉式庭院雨水通過末端雨水泵井提升排入小區(qū)雨水主管，小區(qū)雨水主管管徑為d300mm～d500mm，小區(qū)雨水管末端排入南側(cè)市政雨水管道。市政雨水主管管徑為d500mm～d800mm。

2018年至2020年，連續(xù)三年在7月至8月間，該區(qū)域均遭遇50a一遇強(qiáng)降雨，造成區(qū)域產(chǎn)生積水，內(nèi)澇嚴(yán)重，對(duì)小區(qū)居民生活造成較大影響。

3 建立模型

3.1 HY-SWMM內(nèi)澇模擬功能簡(jiǎn)介

內(nèi)澇模擬主要步驟分為建立數(shù)字高程模型、模擬準(zhǔn)備、模擬計(jì)算、淹沒分析計(jì)算、模擬結(jié)果展示和數(shù)據(jù)分析。

①數(shù)字高程模型：對(duì)地形圖資料中的高程點(diǎn)或等高線進(jìn)行識(shí)別，根據(jù)高程數(shù)據(jù)生成地形曲面。

②模擬準(zhǔn)備：運(yùn)用模擬軟件布置雨水管道，對(duì)匯水區(qū)域進(jìn)行劃分，布置參數(shù)塊，上述步驟在鴻業(yè)管立得軟件中均可以完成。

③模擬計(jì)算：繪制雨量計(jì)，通過降雨區(qū)暴雨強(qiáng)度公式或氣象降雨數(shù)據(jù)讀取生成降雨雨型，在模擬選項(xiàng)中對(duì)降雨區(qū)下墊面參數(shù)進(jìn)行修正，執(zhí)行模擬計(jì)算過程。

④淹沒分析：對(duì)模擬計(jì)算中定義的方案進(jìn)行淹沒分析，得出計(jì)算結(jié)果。

⑤模擬結(jié)果分析：對(duì)淹沒區(qū)域進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬，給出積水深度和積水量，繪制水深曲線圖和水量曲線圖，并可在三維視角下進(jìn)行降雨過程展示。

3.2 模型構(gòu)建關(guān)鍵因素

3.2.1 建立工程雨量數(shù)據(jù)

在模擬前，需要生成降雨所在地的降雨雨型。目前降雨雨型的獲得方式有兩種，一種是暴雨強(qiáng)度公式生成，另一種是氣象監(jiān)測(cè)站的降雨數(shù)據(jù)讀取。因降雨發(fā)生地實(shí)時(shí)降雨數(shù)據(jù)不易獲取，本次模擬采用暴雨強(qiáng)度公式生成降雨雨型，選用成都市暴雨強(qiáng)度公式(新修訂版)。

參照《城市暴雨強(qiáng)度公式編制和設(shè)計(jì)暴雨雨型確定技術(shù)導(dǎo)則》和趙劉偉等人[3]對(duì)成都市中心城區(qū)暴雨雨型的研究成果。芝加哥雨型受歷時(shí)影響較小，洪峰流量相對(duì)穩(wěn)定，在缺少氣象資料的條件下本文選用芝加哥雨型。根據(jù)模擬需求重現(xiàn)期取值為1年、5年和50年，降雨歷時(shí)1小時(shí)，雨量數(shù)據(jù)圖如圖1所示。

圖1 成都市暴雨重現(xiàn)期1a、5a和50a雨量數(shù)據(jù)圖

3.2.2 匯水區(qū)參數(shù)確定

根據(jù)小區(qū)地形和現(xiàn)狀管網(wǎng)資料，對(duì)研究區(qū)域構(gòu)建數(shù)字高程模型，模擬計(jì)算統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示匯水區(qū)域13個(gè)，雨量計(jì)3個(gè)，連接節(jié)點(diǎn)22處，排出口3個(gè)，匯水區(qū)域總面積26.68hm2。

3.2.3 地表產(chǎn)匯流參數(shù)設(shè)定

根據(jù)雨量數(shù)據(jù)繪制出雨量計(jì)，模擬計(jì)算時(shí)選擇不同條件對(duì)應(yīng)的雨量計(jì)，在模擬選項(xiàng)中調(diào)整模擬內(nèi)容、計(jì)算方式以及模擬時(shí)間。

小區(qū)下墊面類型主要為屋頂、水景、綠地和道路，內(nèi)澇模擬地塊產(chǎn)流計(jì)算方式采用徑流系數(shù)法。對(duì)匯水區(qū)域的徑流系數(shù)進(jìn)行加權(quán)平均得出綜合徑流系數(shù)，同時(shí)采用動(dòng)態(tài)波法進(jìn)行管網(wǎng)系統(tǒng)匯流計(jì)算。

3.3 模擬過程

針對(duì)本案例研究對(duì)象構(gòu)建的HYSWMM模型，分別以重現(xiàn)期為1a、5a和50（a均為1h短歷時(shí)設(shè)計(jì)降雨）作為變量條件，對(duì)小區(qū)現(xiàn)狀管網(wǎng)的運(yùn)行情況進(jìn)行模擬。以研究區(qū)域的雨水管道系統(tǒng)為研究對(duì)象，在不同重現(xiàn)期下對(duì)管網(wǎng)的過流能力進(jìn)行評(píng)估。對(duì)研究區(qū)域50a重現(xiàn)期條件下的內(nèi)澇產(chǎn)生過程進(jìn)行淹沒分析。以關(guān)鍵積水點(diǎn)為研究對(duì)象，對(duì)積水點(diǎn)的水深、水量變化進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析。

4 分析及結(jié)果

4.1 現(xiàn)狀雨水管網(wǎng)重現(xiàn)期校核評(píng)估

對(duì)小區(qū)內(nèi)部雨水主管網(wǎng)和相連市政主干管網(wǎng)重現(xiàn)期進(jìn)行校核評(píng)估，在不同設(shè)計(jì)重現(xiàn)期（1a、5a和50a）條件下進(jìn)行模擬計(jì)算。結(jié)果表明模擬管網(wǎng)重現(xiàn)期存在不同程度的年限差異，重現(xiàn)期小于1a、重現(xiàn)期等于1a、重現(xiàn)期等于5a和重現(xiàn)期等于50a四種不同重現(xiàn)期下的管網(wǎng)長(zhǎng)度占管網(wǎng)總長(zhǎng)度比值分別為25.6%、33.9%、22.6%和17.9%?？梢缘贸瞿M范圍內(nèi)低重現(xiàn)期（≤1年）管網(wǎng)長(zhǎng)度占比較大，同時(shí)小區(qū)內(nèi)部管網(wǎng)大部分處于低重現(xiàn)期。在強(qiáng)降雨時(shí)，管道過流能力不足，易造成管網(wǎng)滿流帶壓運(yùn)行，形成積水。

4.2 淹沒分析

針對(duì)研究區(qū)域進(jìn)行淹沒分析計(jì)算，可以通過AutoCAD軟件對(duì)地面積水情況進(jìn)行動(dòng)態(tài)二維或三維展示，直觀了解小區(qū)局部積水隨時(shí)間的變化情況。通過淹沒深度分析得出各積水點(diǎn)的最大積水量和最大積水深度，圖2可以看出研究區(qū)域在重現(xiàn)期50a條件下有15處積水點(diǎn)，圖示積水范圍出現(xiàn)在最大積水深度時(shí)，并且各積水點(diǎn)的最大積水深度處于模擬時(shí)間2h的不同時(shí)刻，這是由不同匯水區(qū)域具有不同的產(chǎn)匯流時(shí)間所引起的。

圖2 研究區(qū)域重現(xiàn)期50a時(shí)積水點(diǎn)分布圖

在1h的降雨歷時(shí)和2h的模擬分析時(shí)間條件下，模擬結(jié)果顯示積水情況比較嚴(yán)重的情況出現(xiàn)在積水點(diǎn)01和積水點(diǎn)02，積水量和積水深度曲線圖如圖3。積水點(diǎn)01的最大積水量為1497m3，最大積水深度為2.22m，積水點(diǎn)02的最大積水量為211m3，最大積水深度為0.64m，兩處積水點(diǎn)與實(shí)際降雨條件下觀測(cè)的積水情況基本一致。通過對(duì)整個(gè)小區(qū)豎向高程和現(xiàn)狀排水設(shè)施分析得出，積水點(diǎn)01所處的位置為區(qū)域最低處，同時(shí)也是地下車庫出入口。東西兩側(cè)道路坡度大，加之北側(cè)地塊正處于開發(fā)之中，暴雨時(shí)，三面雨水迅速匯集至積水點(diǎn)01，而現(xiàn)狀雨水管網(wǎng)管徑偏小，過流能力不足，從而導(dǎo)致積水點(diǎn)01長(zhǎng)時(shí)間大量積水。積水點(diǎn)02主要是由于雨水支管管徑偏小，管道局部存在反坡，過流能力不足引起。

圖3 兩處積水點(diǎn)積水深度與積水量變化曲線圖

市政主干管匯水區(qū)域存在積水點(diǎn)09、積水點(diǎn)11和積水點(diǎn)14，主要是由于雨水主干管管徑偏小，過流能力不足，導(dǎo)致地面產(chǎn)生積水的現(xiàn)象。

5 改造措施

針對(duì)小區(qū)現(xiàn)狀雨水管網(wǎng)降雨重現(xiàn)期校核評(píng)估和暴雨時(shí)淹沒分析結(jié)果，提出以下改造措施。

①研究區(qū)域北側(cè)設(shè)置截洪溝，攔截北側(cè)開發(fā)地塊洪水，防止區(qū)域外洪水入侵。

②對(duì)校核重現(xiàn)期低、過流能力不足的控制管段進(jìn)行改造，同時(shí)對(duì)雨水管網(wǎng)進(jìn)行全面清淤處理，以提高管網(wǎng)排水能力[2]。

③積水點(diǎn)01所在小區(qū)道路豎向設(shè)計(jì)不合理。對(duì)現(xiàn)狀道路進(jìn)行平面和縱向改造，將道路最低點(diǎn)從地下停車場(chǎng)出入口范圍改造至中庭水系，同時(shí)在車庫坡頂和坡底增加截水溝和雨水泵井。

④小區(qū)內(nèi)澇防治是一個(gè)影響因素眾多的綜合性難題。以上的工程性措施是基礎(chǔ)，同時(shí)還要輔助一些非工程性措施，如排水設(shè)施的日常維護(hù)、成立防汛小組、制定防洪搶險(xiǎn)預(yù)案等，只有兩方面相結(jié)合才能從根本上解決小區(qū)內(nèi)澇問題[3]。

6 結(jié)語

基于成都市某小區(qū)，構(gòu)建HY-SWMM模型，對(duì)研究區(qū)域的管網(wǎng)重現(xiàn)期進(jìn)行校核評(píng)估。結(jié)果表明59.5%的現(xiàn)狀管網(wǎng)設(shè)計(jì)重現(xiàn)期≤1年，管網(wǎng)過流能力較低增加了小區(qū)產(chǎn)生內(nèi)澇的風(fēng)險(xiǎn)。

在50a降雨重現(xiàn)期條件下，對(duì)研究區(qū)域進(jìn)行淹沒分析，發(fā)現(xiàn)有15處積水點(diǎn)，其中2處積水點(diǎn)積水嚴(yán)重，通過淹沒分析可以直觀展示積水點(diǎn)淹沒范圍和積水深度，與實(shí)際發(fā)生情況基本一致，證實(shí)HYSWMM內(nèi)澇模擬分析的可靠性。