基于SWMM的山丘城區(qū)防洪排澇能力分析

馬 勇，顧正華，王庭輝 ，黃 培，盛嬌櫻

(1.浙江大學(xué)建筑工程學(xué)院，浙江 杭州 310058； 2.南通和信工程勘測設(shè)計院有限公司，江蘇 南通 226006)

隨著城市化進程的不斷加快，城市地區(qū)水文過程發(fā)生了巨大的變化。人類活動使越來越多的自然陸域被不透水地面覆蓋，天然水面銳減，徑流系數(shù)增大，城市防洪排澇面臨著巨大的風險，人民群眾的生命財產(chǎn)安全受到威脅[1-3]。城市防洪排澇壓力一般來源于上游客水的洪水壓力和城區(qū)降雨形成的排澇壓力，對受山洪影響的山丘城區(qū)而言，山洪影響往往是這些城區(qū)的主要防洪壓力。山丘城區(qū)暴雨強度大、匯流時間短，極易形成山洪災(zāi)害。因此合理分析山丘城區(qū)防洪排澇能力，研究其提升措施十分必要。

截洪溝是城市建設(shè)中常用的山洪防治設(shè)施之一[4]，現(xiàn)有截洪溝規(guī)模設(shè)計主要以公式法為主[5-6]。公式法首先求取截洪溝控制區(qū)域的最大洪峰流量，然后設(shè)計截洪溝斷面使其過流能力大于或等于該洪峰流量。但公式法忽略了截洪溝上下游控制面積的不同，且無法對沿程變斷面或多出水口的截洪溝進行計算?，F(xiàn)有公式法如GB 50014—2006《室外排水設(shè)計規(guī)范》(2016年版)采用降雨強度、匯水面積以及徑流系數(shù)的乘積來計算截洪溝控制區(qū)域最大洪峰流量，但由于前期降水量對區(qū)域產(chǎn)流影響巨大[7-9]，徑流系數(shù)也不相同，單純根據(jù)經(jīng)驗選取某單一徑流系數(shù)來計算徑流量是不準確的。此外公式法還忽略了計算時段內(nèi)截洪溝流量過程的分配，且多出水口截洪溝的計算涉及非恒定流的計算，這時公式法已不適用。

對于山丘城區(qū)的防洪排澇模擬，建立防洪排澇模型的上邊界條件需要提供山洪的流量過程，現(xiàn)有模擬方法往往以初損后損法計算產(chǎn)流、單位線法計算匯流來提供上游的邊界條件，該方法忽略了截洪溝對山區(qū)匯水的影響。此外，城市是受人類活動高度影響的地區(qū)[10]，對于上游產(chǎn)匯流條件發(fā)生較大變化的地區(qū)，其下游的防洪排澇措施應(yīng)根據(jù)上游改變后的產(chǎn)匯流條件重新計算校核。本文以江陰市敔山灣地區(qū)為例，基于SWMM(storm water management model)建立了考慮截洪溝影響的山丘城區(qū)水文水動力模型，在校核了現(xiàn)有截洪溝規(guī)模和區(qū)域防洪排澇能力的基礎(chǔ)上，提出了截洪溝整治方案和核心區(qū)排澇改進方案。

1 研究區(qū)域概況

敔山灣地處江陰市中心城區(qū)與東部三大經(jīng)濟區(qū)——江陰國家高新區(qū)、云亭街道、周莊鎮(zhèn)之間的銜接點上，東起定山，西至白屈港，北至芙蓉大道，南至名豪山莊，核心區(qū)總面積5.17 km2，設(shè)金云、迎瑞兩個社區(qū)，由敔山(耙齒山)、定山、羊頭山三山合圍而成。敔山灣地區(qū)位于濕潤季風區(qū)，雨量充沛，主汛期為每年5—9月，汛期平均降水量為546.7 mm，最大梅雨量為902 mm(1991年)。

敔山湖位于敔山灣核心區(qū)域的中心，湖泊通過金井河、北橫河與白屈港河連接。與金井河連接處建有混凝土溢流壩，與北橫河連接處建有橡膠壩；金井河與白屈港河連接處為帶有泵站的金井河節(jié)制閘，閘孔凈寬10 m，抽水泵站排澇設(shè)計流量為1 m3/s；北橫河與白屈港河連接處為北橫河閘站，閘孔凈寬8 m，抽水泵站排澇設(shè)計流量為9 m3/s。由于區(qū)域內(nèi)長山大道改道影響，擬將金井河混凝土溢流壩拆除，代以控制閘，并規(guī)劃建設(shè)金井河與北橫河連接的南北向河道，河寬12 m。

敔山灣核心區(qū)外為山丘地形，其產(chǎn)生的山洪通過核心區(qū)與山區(qū)之間的截洪溝排入雨水系統(tǒng)，再通過雨水系統(tǒng)進入敔山湖。核心區(qū)雨水通過雨水管網(wǎng)排入敔山湖、北橫河或金井河。根據(jù)2020年江陰敔山灣開發(fā)發(fā)展有限公司防汛應(yīng)急預(yù)案，敔山灣核心區(qū)警戒水位為4.7 m，在應(yīng)急響應(yīng)狀態(tài)下，閘站管理部門可以降低北橫河橡膠壩高度，將敔山湖水位預(yù)降至4.2 m。當白屈港水位處于4.3 m以上時，將北橫河橡膠壩高度降到最低(敔山湖水位與北橫河水位持平)，直接用北橫河閘門控制水位。當內(nèi)河水位高于外河水位5 cm時，自然泄洪；當內(nèi)河水位高于外河水位不足5 cm時，流量較小，為防止后續(xù)外河水位上漲引起倒灌，閘站管理部門關(guān)閉金井河閘門、北橫河閘門，開啟排澇水泵強排。由于金井河混凝土溢流壩的拆除，需要對原防汛應(yīng)急方案進行補充：在應(yīng)急響應(yīng)狀態(tài)下，金井河與敔山湖相連處的閘門處于完全打開狀態(tài)。

敔山灣汛情主要表現(xiàn)為來水快、漲勢猛、退水慢、持續(xù)時間長、排洪困難、容易出現(xiàn)內(nèi)澇，分析其原因主要有：(a)白屈港(敔山灣唯一泄洪通道)為太湖泄洪通道之一，汛期高水位持續(xù)時間長，容易造成行洪不暢；(b)規(guī)模建設(shè)用地增加了土地利用面積，但相應(yīng)減少了調(diào)蓄面積，調(diào)蓄能力降低；(c)山地面積多，短時間的強降雨或持續(xù)降雨，很容易造成敔山湖水位迅速上漲，形成大范圍區(qū)域內(nèi)澇；(d)轄區(qū)防洪設(shè)計標準偏低；(e)原設(shè)計水系未建設(shè)到位。這些因素決定了敔山灣防洪排澇工作的重要性、長期性和復(fù)雜性[11]。

2 模型的建立

2.1 原理

采用美國環(huán)境保護署(Environmental Protection Agency，EPA)開發(fā)的暴雨洪水管理模型SWMM來建立研究區(qū)水文水動力模型。SWMM是一款動態(tài)的降水-徑流模擬模型[12]，被廣泛應(yīng)用于城市排澇能力研究[13-15]。趙冬泉等[16]選取澳門雅廉坊小區(qū)作為研究區(qū)域，應(yīng)用SWMM進行了流量預(yù)測；宋耘等[17]基于SWMM模型進行了南京典型易澇區(qū)的暴雨內(nèi)澇模擬；Park等[18]對韓國蔚山廣域市構(gòu)建了SWMM模型進行調(diào)蓄池的設(shè)計。此外SWMM還被用于氣候變化[19]、土地利用變化[20]對徑流產(chǎn)生的影響以及城市區(qū)域的洪水流量預(yù)測。

SWMM首先將研究區(qū)劃分為多個子匯水區(qū)，在每個匯水區(qū)內(nèi)分別進行地表產(chǎn)流和匯流計算，其中子匯水區(qū)又可分為透水地面和不透水地面。地表徑流經(jīng)坡面匯流匯集到管道的節(jié)點，從而進入管道，再通過管道進行河道匯流到排水區(qū)出口，SWMM的徑流計算模塊結(jié)構(gòu)概化如圖1所示。SWMM采用超滲產(chǎn)流進行產(chǎn)流計算，產(chǎn)流計算方法包括Horton下滲模式、Green-Ampt下滲曲線法以及SCS徑流曲線法，其中Horton下滲模式被廣泛應(yīng)用；采用非線性水庫法計算坡面匯流；利用質(zhì)量和動量守恒方程計算管道中的恒定流和非恒定流，計算方法分為恒定流法、運動波法以及動力波法，其中動力波法通過有限差分法求解完整的一維非恒定流Saint-Venant方程組來進行河道演算，理論上結(jié)果是最準確的。本次模擬選擇Horton下滲模式和動力波法進行計算。

圖1 SWMM徑流計算模塊結(jié)構(gòu)概化Fig.1 Structure generalization diagram of runoff calculation module of SWMM

2.2 網(wǎng)格與計算條件

選擇敔山灣核心區(qū)及上游山體區(qū)域為計算范圍，建立上游山區(qū)的水文水動力模型以及總研究區(qū)域的水文水動力模型(圖2)?？紤]到雨水管道改變了城區(qū)匯流方式，無法根據(jù)高程數(shù)據(jù)進行區(qū)域匯水拓撲關(guān)系的劃分，故在按照一定拓撲關(guān)系的前提下使用泰森多邊形法劃分子匯水區(qū)域。此外，根據(jù)雨水管網(wǎng)與檢查井數(shù)據(jù)建立管道流向拓撲關(guān)系。在對敔山湖外圈截洪溝進行校核時將其離散化為每10 m一段的計算單元，通過A～R共18個出水口進入核心區(qū)雨水管道體系，最后對建立的水文水動力模型進行修正，刪除未匯入敔山湖的區(qū)域。共建立子匯水區(qū)域1 725個，管道(河道)1 759段，檢查節(jié)點1 752個，模擬區(qū)域地形概化見圖2。

圖2 地形概化Fig.2 Terrain generalization

截洪溝無蓄水功能，故校核規(guī)模計算不考慮下游回水頂托的影響，上游山區(qū)水文水動力模型的下游邊界條件即將截洪溝出水口出流條件設(shè)為自由出流；根據(jù)文獻[21]所選代表雨型與江陰市1970—2020年的實測最大1 h、3 h、6 h、12 h、24 h雨量資料，采取同頻率放大法得到江陰市20年一遇的設(shè)計暴雨過程作為降雨條件。

研究區(qū)域水文水動力模型計算下游邊界條件為外河百年一遇設(shè)計洪水位5.17 m，初始條件為內(nèi)河水位3.8 m、敔山湖水位4.2 m，江陰市20年一遇的設(shè)計暴雨過程為降雨條件?？紤]到敔山湖蓄水需求，排澇過程中將北橫河泵站和金井河泵站設(shè)置成敔山湖水位高于控制水位時運行，低于控制水位時關(guān)閉。計算過程中橡膠壩高度全程降到最低，金井河和北橫河閘門全程關(guān)閉，金井河和敔山湖連通處閘門全程開啟。

2.3 模型校準

SWMM子匯水區(qū)域參數(shù)主要包括子匯水區(qū)面積、匯流寬度、不透水率、坡度、透水區(qū)地表洼蓄量、不透水區(qū)地表洼蓄量、透水區(qū)曼寧系數(shù)、不透水區(qū)曼寧系數(shù)等。這些參數(shù)分為校準參數(shù)和非校準參數(shù)，匯水區(qū)面積、匯流寬度、坡度均通過ArcGIS軟件根據(jù)地形分析直接得出，不透水率根據(jù)土地利用類型查閱SWMM手冊提供的推薦值得到，透水區(qū)地表洼蓄量、不透水區(qū)地表洼蓄量、透水區(qū)曼寧系數(shù)、不透水區(qū)曼寧系數(shù)等參數(shù)均根據(jù)該地區(qū)土地利用情況及SWMM手冊推薦得出，下滲參數(shù)通過模型校準得出。節(jié)點和管道參數(shù)大多為非校準參數(shù)，管道曼寧系數(shù)為校準參數(shù)，采用SWMM手冊推薦值。

模型校準采用綜合徑流系數(shù)法[22-23]。根據(jù)該地區(qū)土地利用類型查閱SWMM手冊不同土地利用類型的不透水率，加權(quán)平均計算得到研究區(qū)域的不透水面積比率為39.94%，參照GB 50014—2006《室外排水設(shè)計規(guī)范》(2016年版)，該地區(qū)綜合徑流系數(shù)應(yīng)處于0.4～0.6之間。通過無錫市暴雨強度公式結(jié)合芝加哥雨型生成2 a重現(xiàn)期180 min的降雨數(shù)據(jù)，輸入模型計算得到徑流系數(shù)為0.54；再以上述方法生成1 a重現(xiàn)期和3 a重現(xiàn)期180 min的降雨數(shù)據(jù)，輸入模型計算得到徑流系數(shù)分別為0.48和0.57，因此可以認為模型是可靠的。

由于山洪是敔山湖地區(qū)主要的致災(zāi)因素之一，需對該地區(qū)的截洪溝規(guī)模進行校核。截洪溝校核選取20年一遇暴雨為設(shè)計工況，模型參數(shù)和計算方法同模型校準過程，截洪溝出水口設(shè)置邊界條件為自由出流，計算結(jié)果中發(fā)生溢流的位置如圖3所示。對比敔山湖歷史易溢流位置調(diào)查結(jié)果，歷史易溢流位置均在模型計算結(jié)果中出現(xiàn)，進一步證明了模型的可靠性。由于敔山灣核心區(qū)處于建設(shè)進程中，實際建設(shè)完成情況和規(guī)劃有較大區(qū)別，因此不對該區(qū)域的溢流位置進行驗證。

圖3 計算溢流點與歷史易溢流位置Fig.3 Calculated overflow points and historical overflow points

3 分析與討論

3.1 截洪溝整治方案研究

計算結(jié)果表明，敔山灣地區(qū)現(xiàn)有截洪溝大多不滿足該地區(qū)防洪需要，需對現(xiàn)有截洪溝規(guī)模提出整治方案。在模擬過程中考慮到誤差，若只有少量溢流節(jié)點短時間最大溢流深度小于10 cm可認為沒有發(fā)生溢流，截洪溝整治方案見表1，現(xiàn)狀出水口和整治方案出水口流量見表2。

表1 建議整治方案

SWMM的水動力計算模塊為一維計算，無二維水動力過程，通過簡化的溢流來保證水量平衡，故對現(xiàn)狀規(guī)模不滿足防洪要求的截洪溝，其整治方案洪峰流量應(yīng)大于現(xiàn)狀洪峰流量。根據(jù)表2，除D、G兩個出水口，整治方案洪峰流量均大于現(xiàn)狀洪峰流量。C、D對應(yīng)的截洪溝相連，現(xiàn)狀模擬情況下C對應(yīng)的截洪溝溢流，D對應(yīng)的截洪溝受C對應(yīng)截洪溝水位頂托的影響，出現(xiàn)D出水口整治方案洪峰流量小于現(xiàn)狀洪峰流量的情況，此外G、H、I為同一段截洪溝不同出水口，現(xiàn)狀未考慮建設(shè)H出水口，整治方案中H對G對應(yīng)截洪溝的排水起到分流作用。

表2 整治前后出水口洪峰流量

根據(jù)公式法計算的截洪溝洪峰流量未考慮流量過程的分配和前期降雨的影響，不同前期雨量過程會對研究區(qū)的洼地填蓄情況和土壤下滲速率有較大的影響，從而影響地表徑流，故采用單一的徑流系數(shù)來衡量截洪溝的洪峰流量大小未必合理。此外未考慮流量過程分配的公式法可能會低估截洪溝洪峰流量。以出水口為Q的截洪溝Q1Q2、Q2Q3為例，該控制區(qū)域平均坡度為0.21，控制面積6.967 hm2，20年一遇最大1 h降水量為83.4 mm。參照GB 51018—2014《水土保持工程設(shè)計規(guī)范》，選取地表種類為起伏的山地，推薦徑流系數(shù)值為0.6～0.8，計算得到出水口流量為0.97～1.29 m3/s，小于計算結(jié)果的最大洪峰流量1.44 m3/s，而計算的最大1 h平均流量1.13 m3/s在此范圍內(nèi),進一步說明了本文計算結(jié)果的合理性。

3.2 敔山灣核心區(qū)排澇能力分析

由于敔山灣地區(qū)排澇受上游山洪影響較大，故在對敔山灣核心區(qū)的防洪排澇能力進行分析時截洪溝規(guī)模采用整治方案。

防洪排澇能力分析計算條件與2.2節(jié)相同，控制水位為4.2 m，整個模擬過程持續(xù)時間為降雨開始以后48 h，模擬結(jié)果如圖4所示。由于外河水位超過核心區(qū)警戒水位，故兩閘門處于完全關(guān)閉狀態(tài)，區(qū)域排水均通過泵站進行強排，外河水位對計算過程無影響。從圖4可以看出，應(yīng)急狀態(tài)下敔山湖與北橫河、金井河水位快速持平，在外河水位為設(shè)計洪水位5.17 m的情況下，敔山湖出現(xiàn)超警戒水位情形。由于該工況下北橫河、金井河閘門關(guān)閉，排澇完全由北橫河泵站和金井河泵站承擔，所以認為敔山湖存在的主要排澇問題是敔山湖蓄水能力不足或泵站抽水能力不足。針對超大洪水應(yīng)考慮增加敔山湖蓄水能力(擴大庫容、降低敔山湖控制水位)或增加排澇泵站抽水能力來保證防洪排澇安全。

圖4 原排澇方案模擬結(jié)果Fig.4 Simulation results of original drainage scheme

3.3 核心區(qū)排澇改進方案

考慮到北橫河泵站抽水能力提升空間有限，研究排澇改進方案時增加泵站抽水能力是通過增加金井河泵站抽水能力來實現(xiàn)的。以將敔山灣地區(qū)水域水位控制在警戒水位4.7 m以下為目標，保持北橫河泵站抽水能力為9 m3/s不變，通過模擬得到4種不同敔山湖控制水位為4.2 m、4.1 m、4.0 m、3.9 m條件下金井河泵站所需最小流量分別為20 m3/s、9 m3/s、4 m3/s和1 m3/s，相應(yīng)防洪排澇能力模擬結(jié)果見圖5。

圖5 排澇改進方案模擬結(jié)果Fig.5 Simulation results of improved drainage scheme

根據(jù)圖5，結(jié)合敔山湖地區(qū)設(shè)計降雨可知，該地區(qū)洪峰流量較大，洪水總量不大，單純通過增加泵站抽水能力來保障該地區(qū)防洪排澇安全所需泵站規(guī)模較大，故增加泵站抽水能力的同時適當預(yù)降水位以增加湖區(qū)蓄水能力的改進方案更為合理。

4 結(jié) 語

a.相對于公式法，SWMM計算方法可對沿程變斷面和多出水口截洪溝進行模擬計算。

b.公式法計算的設(shè)計洪峰流量是根據(jù)徑流系數(shù)來取值的，SWMM計算的設(shè)計洪峰流量可考慮前期降雨造成的洼地填蓄和土壤下滲速率減小；公式法未考慮山洪的流量過程分配，SWMM計算方法可提供流量過程，其洪峰值從原理上更為準確。

c.山丘城區(qū)下游排澇設(shè)施應(yīng)與上游防洪措施配套，單獨解決某一個問題都可能造成資源浪費或洪澇災(zāi)害。

d.敔山湖地區(qū)的主要問題是洪峰流量較大，洪水總量不大，單純通過增加泵站抽水能力來保障該地區(qū)防洪排澇安全所需泵站規(guī)模較大，結(jié)合適當預(yù)降水位來增加湖區(qū)蓄水能力的排澇改進方案更為合理。