基于SWMM模型的城市排水模擬應(yīng)用研究

于永強 劉 培 程發(fā)順

（中國電建集團中南勘測設(shè)計研究院有限公司規(guī)劃研究院，長沙 410011）

0 引 言

研究區(qū)域諶家磯作為長江新城近期重點啟動區(qū)，城市化進(jìn)程不斷加快，土地利用性質(zhì)、市政管網(wǎng)建設(shè)將極大改變城市雨水排放格局，為保證諶家磯水安全保障體系健全和長江新城高標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，對區(qū)域雨水管網(wǎng)排水能力進(jìn)行評估。本文評估模型選用SWMM 模型，其具有動態(tài)模擬降雨-徑流的能力，廣泛應(yīng)用于城市單一降水時間的模擬。

由于城市化進(jìn)程中將改變城市下墊面類型，造成徑流系數(shù)的變化，繼而影響城市排水防澇形勢。近年來極端天氣氣候發(fā)生概率增大，降雨過程的不確定性也逐漸增大。在應(yīng)用SWMM 模型（Storm Water Management Model）進(jìn)行城市排水模擬中，徑流系數(shù)變化會導(dǎo)致地表徑流量變化，影響雨水管網(wǎng)負(fù)荷情況，而相同降雨強度和歷時的降雨事件下，雨峰偏后普遍會導(dǎo)致排水壓力增大。綜合以上因素需要對不同徑流系數(shù)和降雨過程對城市排水防澇形勢造成的不確定性進(jìn)行分析研究。

1 研究區(qū)域概況

研究區(qū)域諶家磯位于武漢市江岸區(qū)北部，長江新城西南部，北靠府寰河，南鄰長江（圖1）。規(guī)劃建設(shè)用地面積12.4 km2，地處東經(jīng)114°19′—114°23′，北緯30°39′—30°42′。屬北亞熱帶季風(fēng)性（濕潤）氣候，降雨量約為1 150～1 450 mm，降雨集中在每年6—8月，占全年降雨量40%左右。受季風(fēng)和熱帶氣旋影響，研究區(qū)域易遭受強降雨，同時由于地勢平坦，排水動力不足，給城市排水系統(tǒng)帶來較大壓力，易形成積水內(nèi)澇災(zāi)害。

該區(qū)域作為長江新城近期重點啟動區(qū)，城市化進(jìn)程較快，未來主要用地類型為居住和商業(yè)用地，因此區(qū)域硬化程度將增大。區(qū)域高程為22～35 m，坡度為0.12%～5.10%，地形地勢較為平坦。研究區(qū)域內(nèi)主要河流有朱家河、斗馬河、四季渠和平安渠，是雨水管網(wǎng)的承泄水體。

圖1 研究區(qū)域示意圖

2 模型構(gòu)建

2.1 設(shè)計暴雨

本次設(shè)計暴雨采用武漢市暴雨強度公式及設(shè)計暴雨雨型推求，暴雨強度公式見下式：

式中：P為重現(xiàn)期，根據(jù)《武漢長江新城起步區(qū)控制性詳細(xì)規(guī)劃》，本次P取5；t為降雨歷時，根據(jù)管道匯流時間取2 h。

暴雨過程采用芝加哥雨型擬合，在設(shè)計重現(xiàn)期2～100 a內(nèi)綜合雨峰位置系數(shù)r取0.7。為研究雨峰位置系數(shù)對城市排水過程影響，本次雨峰位置系數(shù)r分別選用0.5、0.7和1.0進(jìn)行對比分析，擬合得到的3條暴雨過程線見圖2。

圖2 不同雨峰位置系數(shù)的設(shè)計暴雨過程

徑流系數(shù)與城市降雨產(chǎn)匯流密切相關(guān)，徑流系數(shù)增大將顯著增大地表徑流量，進(jìn)而影響城市排水防澇形勢。依據(jù)下墊面現(xiàn)狀和《室外排水設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50014—2021），諶家磯的區(qū)域綜合徑流系數(shù)為0.55～0.65，考慮其作為長江新城近期重點啟動區(qū)，城鎮(zhèn)化發(fā)展?jié)摿薮?，徑流系?shù)可能有較大增長，因此增設(shè)徑流系數(shù)為0.75和1.00兩個對比情景。當(dāng)雨峰位置系數(shù)r為0.5時，設(shè)置徑流系數(shù)為0.55、0.65、0.75和1.00共4個模擬情景，不同折減系數(shù)的設(shè)計暴雨過程見圖3。

圖3 不同折減系數(shù)的設(shè)計暴雨過程（雨峰位置系數(shù)r=0.5）

2.2 雨水井

雨水井構(gòu)建主要依據(jù)研究區(qū)雨水管網(wǎng)CAD 成果，將CAD導(dǎo)入GIS平臺處理后導(dǎo)入SWMM模型，構(gòu)建雨水井對象共計1 110個，主要信息包含雨水井、雨水排口和管道的尺寸、位置和標(biāo)高等，雨水井構(gòu)建示意圖見圖4。

圖4 雨水井構(gòu)建示意圖

2.3 雨水井

雨水管段構(gòu)建主要依據(jù)研究區(qū)雨水管網(wǎng)CAD成果，將CAD導(dǎo)入GIS平臺處理后導(dǎo)入SWMM模型，構(gòu)建雨水管段共1 105 段，主要信息包含入流節(jié)點、出流節(jié)點、長度、糙率、出入口偏移等，雨水管渠構(gòu)建示意圖見圖5。

圖5 雨水管渠構(gòu)建示意圖

2.4 子匯水分區(qū)

子匯水分區(qū)的劃分首先考慮規(guī)劃的排水分區(qū)，根據(jù)排水分區(qū)劃分為Y1、Y2、Y3和Y4 4個大分區(qū)，每個大分區(qū)內(nèi)部再采用泰森多邊形進(jìn)行子匯水分區(qū)劃分，共細(xì)分為1 110個子匯水分區(qū)見圖6。

圖6 子匯水分區(qū)示意圖

子匯水分區(qū)主要參數(shù)為雨量計、出流節(jié)點、面積、漫流寬度、坡度、不透水率、不透水面積糙率等。其中漫流寬度是指子匯水面積與地表漫流最長路徑長度的比值，在理想化的匯水分區(qū)模式圖中，地表漫流沿不同路徑經(jīng)過的長度都一樣。本次漫流寬度取值采用面積與漫流長度的比值。

本次產(chǎn)流計算采用徑流系數(shù)法，具體下滲損失水量已在設(shè)計暴雨輸入時考慮，因為SWMM 模型中不考慮下滲，所有子匯水分區(qū)的不透水面積占比為100%。

子匯水分區(qū)坡度取值大小將影響坡面匯流速率，不同子匯水分區(qū)的坡度根據(jù)區(qū)域內(nèi)平均坡度取值。平均坡度采用GIS 坡度分析獲取，諶家磯片區(qū)內(nèi)地勢較為平緩，各排水分區(qū)坡度為0.03%～5.50%。

2.5 參數(shù)選取及率定

本次產(chǎn)流計算采用徑流系數(shù)法，不考慮Horton產(chǎn)流模型相關(guān)參數(shù)的率定，主要率定參數(shù)為曼寧系數(shù)、漫流寬度、坡度。通過研究區(qū)域的地形、用地類型和雨水管網(wǎng)資料，結(jié)合GIS的坡度坡向分析、疊加加權(quán)分析選取模型參數(shù)。

利用研究區(qū)域易澇區(qū)調(diào)查信息對城市排水模型進(jìn)行率定，在2年一遇2 h設(shè)計暴雨情景下，易澇區(qū)分布與調(diào)查易澇區(qū)分布基本一致，模型率定情況見圖7，模型參數(shù)率定結(jié)果見表1。

圖7 模型率定情況圖

表1 模型參數(shù)率定成果表

3 模擬計算

3.1 方案擬定

研究區(qū)域作為長江新城起步區(qū)，未來土地利用類型將發(fā)生較大變化，徑流系數(shù)會相應(yīng)發(fā)生一定變化。本次設(shè)計暴雨過程采用芝加哥雨型擬合，雨峰位置系數(shù)取值決定設(shè)計暴雨峰值出現(xiàn)時間，對模擬結(jié)果可能產(chǎn)生一定影響。綜合以上因素，本文將考慮不同的雨峰位置系數(shù)和徑流系數(shù)，進(jìn)行敏感性分析，具體模擬方案如表2所示。

表2 研究方案表

3.2 結(jié)果分析

本次研究方案共6 組，方案1、2、3、4 為徑流系數(shù)對比方案，方案1、5、6 為雨峰位置系數(shù)對比方案。模擬結(jié)果評價指標(biāo)為溢流雨水井和超載管段數(shù)量，當(dāng)雨水井發(fā)生超過1 h的溢流認(rèn)為產(chǎn)生嚴(yán)重溢流；當(dāng)發(fā)生滿管流，管道流態(tài)由無壓流轉(zhuǎn)變?yōu)橛袎毫鲿r，認(rèn)為管道發(fā)生超載，當(dāng)管段有壓流態(tài)下過流能力仍無法有效排除雨水來流時，認(rèn)為發(fā)生嚴(yán)重超載。為評估不同因素對城市排水形勢的影響程度大小，對評價指標(biāo)敏感度進(jìn)行歸一化處理得到相對敏感度，相對敏感度計算公式如下。

式中：RS為相對敏感度；Sk為第k個敏感性方案的模擬值；S0為基本方案的模擬值；Nk為敏感方案的模型參數(shù)值；N0為基本方案的模型參數(shù)值；n為敏感性方案數(shù)量。

3.2.1 徑流系數(shù)

對模擬結(jié)果的溢流雨水井和超載管段進(jìn)行統(tǒng)計，得到徑流系數(shù)對比方案結(jié)果統(tǒng)計表和統(tǒng)計圖，具體如表3、圖8所示。

表3 徑流系數(shù)對比方案結(jié)果表 %

徑流系數(shù)由0.55增大到1.00過程中，積水井點占比由2.25%增加至10.37%，增加了8.12%；嚴(yán)重集水井占比由0.72%增加至2.52%，增加了1.80%；超載管道占比由10.01%增加至18.21%，增加了8.20%；嚴(yán)重超載管道占比由0.63%增加至2.52%，增加了1.89%。由上可知，隨著徑流系數(shù)增大，雨水管網(wǎng)系統(tǒng)負(fù)荷率逐漸增大，雨水井積水和管段超載情況逐漸增多。

3.2.2 雨峰位置系數(shù)

對模擬結(jié)果的溢流雨水井和超載管段進(jìn)行統(tǒng)計，得到徑流系數(shù)對比方案結(jié)果統(tǒng)計表和統(tǒng)計圖，具體如表4、圖9所示。

表4 雨峰位置系數(shù)對比方案結(jié)果表 %

圖9 雨峰位置系數(shù)對比方案結(jié)果圖

雨峰位置系數(shù)由0.5增大到1.0過程中，積水井點占比由5.12%增加至7.94%，增加了2.82%；嚴(yán)重集水井占比由0.84%增加至0.86%，增加了0.02%；超載管道占比由11.20%增加至13.31%，增加了2.11%；嚴(yán)重超載管道占比由1.17%增加至1.25%，增加了0.08%。由上可知，隨著雨峰位置系數(shù)增大，雨水管網(wǎng)系統(tǒng)負(fù)荷率逐漸增大，雨水井積水和管段超載情況逐漸增多。

3.2.3 相對敏感度

本文排水模擬成果評價指標(biāo)主要有積水井點、嚴(yán)重積水井點、超載管道和嚴(yán)重超載管道，根據(jù)相對敏感度計算公式可以得到不同對比方案、不同擾動程度下的相對敏感度，具體結(jié)果如表5所示。

表5 評價指標(biāo)相對敏感度成果表

由上可知，在4項評價指標(biāo)中，徑流系數(shù)相對敏感度分別為3.04、2.63、1.21 和2.01，雨峰位置系數(shù)相對敏感度分別為0.41、0.01、0.21 和1.33，徑流系數(shù)相對敏感度均大于雨峰位置系數(shù)相對敏感度，在城市排水模擬中徑流系數(shù)相對于雨峰位置系數(shù)影響更大。

積水雨水井和嚴(yán)重積水雨水井的徑流系數(shù)相對敏感度大于超載管段和嚴(yán)重超載管段的徑流系數(shù)相對敏感度，可見徑流系數(shù)對雨水井積水情況影響更大。超載管段和嚴(yán)重超載管段的雨峰位置系數(shù)相對敏感度大于積水雨水井和嚴(yán)重積水雨水井的雨峰位置系數(shù)相對敏感度，可見雨峰位置系數(shù)對管段超載情況影響更大。

其原因在于徑流系數(shù)主要影響地表徑流量，徑流系數(shù)增大將導(dǎo)致地表徑流峰值和徑流總量增大，而內(nèi)澇積水主要是由于多余澇水無法及時排除導(dǎo)致。雨峰位置系數(shù)主要影響暴雨峰值發(fā)生時刻，一般而言暴雨峰值約靠后，雨水管網(wǎng)最大過流量發(fā)生時的排水系統(tǒng)可用調(diào)蓄容積越少，發(fā)揮的“削峰”作用越弱。

4 結(jié) 論

（1）研究區(qū)域雨水管網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)不足5年一遇，當(dāng)發(fā)生重現(xiàn)期5 a 及以上強度的暴雨時，將出現(xiàn)不同程度的雨水井溢流和管段超載，從而導(dǎo)致城市積水內(nèi)澇。

（2）徑流系數(shù)的相對敏感度顯著大于雨峰位置系數(shù)相對敏感度，可見在城市排水模擬中徑流系數(shù)相對于雨峰位置系數(shù)影響更大，應(yīng)重點關(guān)注徑流系數(shù)的合理取值。

（3）不同評價指標(biāo)下的相對敏感度根據(jù)類別不同有明顯差異，積水雨水井的徑流系數(shù)相對敏感度大于超載管段的徑流系數(shù)相對敏感度，超載管段的雨峰位置系數(shù)相對敏感度大于積水雨水井的雨峰位置系數(shù)相對敏感度?？梢姀搅飨禂?shù)更側(cè)重于影響地面積水，雨峰位置系數(shù)更側(cè)重于影響管網(wǎng)排水，在管網(wǎng)排澇能力模擬評估時應(yīng)考慮雨峰位置系數(shù)的影響。