SWMM 模型的高校地表徑流模擬及驗(yàn)證

趙曉青

（紹興文理學(xué)院土木工程學(xué)院，浙江紹興 312000）

針對(duì)目前基于SWMM 高校海綿改造可靠性驗(yàn)證研究和效果評(píng)價(jià)的不足，以S 高校為例，提出了構(gòu)建SWMM 高校模型，通過(guò)實(shí)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)降雨數(shù)據(jù)、地表徑流量、積水?dāng)?shù)據(jù)，對(duì)SWMM 模型的利用人工試錯(cuò)法進(jìn)行參數(shù)率定，驗(yàn)證了模型的可靠性。計(jì)算出20190619 號(hào)和201908029 號(hào)降雨的Nash-sutcliffe 系數(shù)（ENS）分別為0.79 和0.98。模擬評(píng)價(jià)認(rèn)為ENS值在0.75 以上的模擬結(jié)果為非常好[7]。因此，通過(guò)兩場(chǎng)不同降雨強(qiáng)度等級(jí)降雨事件的驗(yàn)證，表明S 高校現(xiàn)狀SWMM 模擬結(jié)果是可靠的。

結(jié)果表明實(shí)測(cè)分析與數(shù)值模擬結(jié)果相似，模型具有可靠性。對(duì)S 高校進(jìn)行海綿方案改造。

1 SWMM 中的模擬原理

SWMM 雨洪管理模型是通過(guò)降雨資料、排水系統(tǒng)資料、下墊面數(shù)據(jù)以及邊界數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，可利用實(shí)際降雨歷時(shí)曲線(xiàn)或采用經(jīng)驗(yàn)公式即暴雨公式與芝加哥雨型生成降雨過(guò)程線(xiàn)[1]。

SWMM 的演算包括地表徑流和管網(wǎng)匯流，其中地表徑流演算包括地表產(chǎn)流演算和地表匯流演算，是將一個(gè)研究區(qū)域劃分為不同的子匯水區(qū)域，子匯水區(qū)域又可分別三類(lèi)回水面積：滲透性區(qū)域、有洼地蓄水的不滲透性區(qū)域和無(wú)洼地蓄水的不滲透性區(qū)域。模擬時(shí)對(duì)各個(gè)子匯水面積進(jìn)行徑流演算，將結(jié)果疊加進(jìn)而計(jì)算總徑流量[2]。

管網(wǎng)匯流依據(jù)流速和水深，采用圣維南（Sanint-Venant）方程組來(lái)模擬，因水流在管渠中為漸變非恒定流，所以在模擬過(guò)程中以運(yùn)動(dòng)波和動(dòng)態(tài)波兩種演算方法為主[3]。

2 模型構(gòu)建

據(jù)氣象局資料，本文研究區(qū)域位于紹興市，屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，降雨量相對(duì)充沛，氣候相對(duì)濕潤(rùn)，因受西風(fēng)帶和東風(fēng)帶雙重天氣系統(tǒng)的影響，受暴雨、內(nèi)澇積水、洪澇等氣象次生衍生災(zāi)害頻發(fā)。因?yàn)橹ゼ痈缬晷褪且环N以當(dāng)?shù)乇┯陱?qiáng)度公式為基礎(chǔ)的強(qiáng)降雨設(shè)計(jì)雨型，因此本研究設(shè)計(jì)暴雨雨型選取芝加哥雨型[3]。SWMM 模型構(gòu)建步驟：子匯水區(qū)劃分、模型參數(shù)屬性數(shù)據(jù)提取、初步調(diào)整、參數(shù)率定[4]。針對(duì)率定誤差，采用Nash-sutcliffe 系數(shù)（ENS）[5]來(lái)鑒別模擬值與實(shí)測(cè)值的吻合程度。

SWMM 模型中子匯水區(qū)的地表徑流只能有一個(gè)出口，根據(jù)項(xiàng)目區(qū)域的概況，劃分子匯水區(qū)241 個(gè)，241 個(gè)節(jié)點(diǎn)，19 個(gè)排放口，241 條管渠。

SWMM 模型構(gòu)建最重要的步驟是模型參數(shù)的校核和驗(yàn)證[6]。其參數(shù)主要分為兩類(lèi)：可確定性參數(shù)和不確定性參數(shù)。不確定性參數(shù)主要包括曼寧系數(shù)、衰減常數(shù)、下滲速率、洼蓄兩等。結(jié)合SWMM 模型應(yīng)用手冊(cè)，采用20190619 號(hào)和20190829 號(hào)兩場(chǎng)降雨進(jìn)行參數(shù)校準(zhǔn)驗(yàn)證，參數(shù)的校準(zhǔn)與驗(yàn)證采用實(shí)測(cè)流量過(guò)程地表徑流量，積水深度，積水范圍和模擬流量過(guò)程進(jìn)行對(duì)比分析。根據(jù)我國(guó)《水文水情預(yù)報(bào)規(guī)范》（GBT 22482-2008）要求，本研究采用Nash 效率系數(shù)作為指標(biāo)評(píng)估精度[6]。

實(shí)測(cè)采用H9 號(hào)，H19 和H91 子匯水區(qū)作為監(jiān)測(cè)點(diǎn)。每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)分別測(cè)3 次，取平均值作為實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。研究區(qū)域兩場(chǎng)降雨的實(shí)測(cè)積水個(gè)數(shù)見(jiàn)圖1，圖2。

主要敏感性參數(shù)率定確定值見(jiàn)表1。

計(jì)算出20190619 號(hào)和201908029 號(hào)降雨的Nash-sutcliffe系數(shù)（ENS）分別為0.79 和0.98。模擬評(píng)價(jià)認(rèn)為ENS值在0.75 以上的模擬結(jié)果為非常好[7]。因此，通過(guò)兩場(chǎng)不同降雨強(qiáng)度等級(jí)降雨事件的驗(yàn)證，表明S 高校現(xiàn)狀SWMM 模擬結(jié)果是可靠的。

3 規(guī)劃方案

本文根據(jù)S 高校校園綠地面積較大、灌溉需求較大和道路透水鋪裝需求較大等特點(diǎn)和實(shí)際的地形地貌情況，規(guī)劃方案：采用透水鋪裝、下沉式綠地、生物滯留池、雨水桶、滲透溝等多組合措施。通過(guò)模擬計(jì)算徑流削減率分別為70%、64%、62%、58%、57%，徑流系數(shù)分別為0.848、0.844、0.771、0.717、0.697。

在不同降雨重現(xiàn)期下，改造方案的峰值流量比改造前大為降低，分別為0.5m3/s、0.96m3/s、1.25m3/s、1.68m3/s、2.14m3/s；徑流峰值出現(xiàn)時(shí)間為64min，徑流峰現(xiàn)時(shí)間較改造前延遲4min。

圖1 20190619 號(hào)降雨事件積水節(jié)點(diǎn)的實(shí)測(cè)值和模擬值對(duì)比

圖2 20190829 號(hào)降雨事件積水節(jié)點(diǎn)的實(shí)測(cè)值和模擬值對(duì)比

表1 主要敏感性參數(shù)率定值

4 結(jié)論

本文應(yīng)用了SWMM 模擬了校園現(xiàn)狀及改造后的水文狀況。通過(guò)兩場(chǎng)降雨的實(shí)測(cè)檢測(cè)點(diǎn)對(duì)不確定參數(shù)進(jìn)行校核驗(yàn)證。由于文中只對(duì)水文情況進(jìn)行研究，在今后的研究中可以對(duì)考慮增加對(duì)雨水的水質(zhì)方面提供優(yōu)化方案。