基于SWMM的村鎮(zhèn)易澇小區(qū)雨水系統(tǒng)改造與優(yōu)化研究

蘇金?！↑S鑫　胡昊　范偉　杜建康　韋偉　朱曙光

摘要 以某村鎮(zhèn)居民小區(qū)內澇防治工程為例，應用SWMM雨水管理模型模擬該小區(qū)在多個重現(xiàn)期下雨水系統(tǒng)改造效果，分析雨水管道泄流能力、雨水井最大水深、排放口峰值流量等水力特征；考察增加海綿設施后子匯水區(qū)徑流量、雨水井最大水深和排放口峰值流量等水力特征，并通過雨水井積水深度隨時間的變化曲線分析了雨水井累積雨水量。結果表明：無海綿設施的情況下，改造后雨水管網(wǎng)重現(xiàn)期提升至20 a，GQ32雨水管道泄流能力提升2.70%～22.81%，雨水井最大積水深度下降值為0.024～1.651 m，PFK1水流頻率下降4.69%～8.02%，PFK2水流頻率下降4.72%～8.12%。增加海綿設施的情況下，改造后雨水井積水深度下降0.020～0.298 m，PFK1峰值流量下降0.051～0.144 m3/s，PFK2峰值流量下降0.043～0.143 m3/s；雨水徑流削減率隨重現(xiàn)期的增加而減少，最高達28.68%。該研究結果可為村鎮(zhèn)居民環(huán)境優(yōu)化提供思路和技術支撐。

關鍵詞 SWMM；雨水系統(tǒng)改造；海綿設施；積水深度；泄流量

中圖分類號 TU992 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2023）06-0208-08

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2023.06.049

Research on the Renovation and Optimization of Rain System in Waterlogged Areas Based on SWMM

SU Jin－h(huán)ai1， HUANG Xin2，3， HU Hao2，3 et al

（1. Anhui Shui’an Construction Group Co.， Ltd.， Hefei，Anhui 230601;2. nhui Key Laboratory of Water Pollution Control and Wastewater Resource，Hefei， Anhui 230601;3. College of Environment and Energy Engineering， Anhui Jianzhu University， Hefei， Anhui? 230601）

Abstract Taking waterlogging prevention project of a residential area as an example， SWMM rainwater management model was used to simulate the effect of the renovated project of rainwater pipe system in many multiple return periods，? the discharge capacity of rainwater pipe， maximum water depth of rainwater well， peak discharge of drainage mouth and other hydraulic characteristics were analyzed. The hydraulic characteristics such as the runoff in the sub－catchment area， the maximum water depth of the rainwater well and the peak flow of the discharge port after adding the sponge facilities were investigated. The accumulated rainwater in the rainwater well was analyzed by using the curved line integral of water depth of rainwater well with the time. The results showed that the return period of rainwater pipe increased to 20 a under the conditions of no sponge facilities after rainwater pipe renovated，GQ32 rainwater pipe’s discharge capacity increased by 2.70%-22.81%， the maximum water depth in the rainwater well decreased 0.024-1.651 m， the peak flow frequency of PFK1 decreased by 4.69%-8.02%， the flow frequency of PFK2 decreased by 4.72%-8.12%. Under the conditions of adding sponge facilities after the construction， the water depth of rainwater well further decreased 0.020-0.298 m， the peak flow of PFK1 decreased 0.051-0.144 m3/s， and the peak flow of PFK2 decreased 0.043-0.143 m3/s. The reduction rate of rain runoff decreased with the increase of return period， the highest value reached 28.68%. This study results could provide ideas and technical supports for the optimization of environment of rural residents.

Key words SWMM；Rainwater pipe system’s renovation；Sponge facilities；Depth of water;Water discharge

近年來，隨著我國美麗鄉(xiāng)村建設的加快，許多村鎮(zhèn)硬化率不斷上升，許多村鎮(zhèn)雨季內澇嚴重［1］，一些地勢低的老舊小區(qū)情況更為嚴重，對村鎮(zhèn)居民生活和出行造成了嚴重影響。老舊小區(qū)雨季發(fā)生內澇主要有以下原因：①合流制排水管問題。許多村鎮(zhèn)居民小區(qū)在此前設計時采用雨污合流制排水管。隨著硬化率的上升，合流制管道在暴雨季節(jié)已經(jīng)無法滿足泄流能力要求［2］。②雨水管老化破損。很多村鎮(zhèn)居民小區(qū)的雨水管年久失修，破損、堵塞、腐蝕嚴重，導致雨水不能及時排除［3］。③雨水口堵塞。很多村鎮(zhèn)的雨水井井底布滿垃圾和淤泥，下雨時雨水將地面上的顆粒垃圾和泥沙一起沖刷到雨水口，造成雨水口堵塞［4］。④地面硬化率增加。隨著新農村建設進程的加快，地面硬化率也不斷增加，不透水面積比例增加，雨水徑流量增加。唐爐亮等［5］研究表明雨水管網(wǎng)改造是治理內澇的一個有效途徑。為避免發(fā)生內澇，村鎮(zhèn)居民小區(qū)雨水管改造和海綿設施的增加顯得尤為重要，而雨水管改造能否達到預期效果需要利用相關模型進行預測。雨水管理模型（SWMM）能夠很好地模擬地面雨水徑流和雨水管道的泄流量，評估雨水井和雨水管道的泄流能力［6-7］。筆者以安徽某村鎮(zhèn)居民小區(qū)雨水系統(tǒng)改造為例，利用SWMM水力模型對該小區(qū)雨水系統(tǒng)改造工程進行模擬研究，評估改造后的運行效果，旨在為相關建設項目提供參考。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)地勢比較平坦，整體坡度為3%～4%，主要土地利用類型為住宅，總占地面積約3.88 hm2，總建筑面積3.60 hm2。為解決小區(qū)內澇問題，對小區(qū)進行室外雨污排水管升級改造，擴大原雨水管道管徑。利用SWMM軟件構建雨水管網(wǎng)水力模型，對改造后的雨水管道排水能力進行評估。研究區(qū)如圖1所示。

2 降雨數(shù)據(jù)構建

研究區(qū)屬于北亞熱帶季風氣候，春夏季節(jié)雨水偏多。王睿等［8］收集了該地多個雨水站40多年的暴雨資料，對傳統(tǒng)暴雨強度公式加以改進，最終得出該地暴雨強度公式：式中，i為暴雨強度，單位為mm/min；t為降雨歷時，單位為min；P為重現(xiàn)期，單位為a。利用上述暴雨強度公式模擬研究區(qū)降雨數(shù)據(jù)，應用芝加哥雨型器分別模擬重現(xiàn)期為2、5、10、20、50 a時的降雨情況。峰值比例r取0.4，歷時120 min。模擬的降雨過程如圖2所示。

3 模型構建

將研究區(qū)進行概化，按照地形走勢，共設置31個子匯水區(qū)（ZMJ）、58個雨水檢查井（J）、59根雨水管（GQ）和2個排放口（PFK），如圖3所示。下滲模型選用Horton模型，演算模型選用運動波，時間演算步長取10 s，模型重要參數(shù)

取值見表1。

4 模擬結果與分析

將用芝加哥雨型器構建的降雨數(shù)據(jù)輸入到SWMM模型中，分別模擬雨水管道改造前和改造后的管段流量、節(jié)點水深和排放口泄流量。

4.1 主要管段流量分析

根據(jù)小區(qū)雨水管道管底坡度和管徑的變化，選取概化區(qū)域的主干管段GQ3、GQ13、GQ23、GQ25、GQ32、GQ58，對其最大流量和最大水深進行分析。以重現(xiàn)期20 a為例，改造前后主干管段泄流量如圖4所示。從圖4可以看出，當重現(xiàn)期為20 a時，改造后主干管段最大泄流量均大幅度提升，GQ58最大泄流量提升最大，改造前最大泄流量為0.781 m3/s，改造后最大泄流量為0.913 m3/s，泄流能

力提升16.90%。主干管段縱剖面見圖5。從圖5可以看出，當重現(xiàn)期為2 a時，改造后雨水井積水深度略微下降，改造前和改造后雨水管網(wǎng)均能滿足泄流能力要求；當重現(xiàn)期為20 a時，改造前主干管段大部分管段已為壓力管段，且雨水漫出雨水井；改造后雨水管雖有部分管段為壓力管段，但雨水并未漫過雨水井，勉強能達到雨水泄流能力。

考慮GQ32為子匯水區(qū)末端主干管段，支管匯入流量較大且管徑變化相對較小，因此GQ32是概化區(qū)域的最不利管段。對其泄流能力進行分析，GQ32管道最大泄流量對比見表2。從表2可以看出，雨水管道改造后泄流能力提升較為明顯，當重現(xiàn)期為2 a時改造后GQ32管段泄流能力提升2.70%，當重現(xiàn)期為20 a時改造后GQ32管段泄流能力提升22.81%。隨著重現(xiàn)期的增加，雨水管道泄流能力顯著增加。

4.2 重要節(jié)點水深分析

根據(jù)小區(qū)雨水井深度及雨水管管徑變化，選取主干管道上的重要節(jié)點，編號分別為J5、J18、J21、J24、J25、J33，對其在不同重現(xiàn)期下最大積水深度進行分析，結果如表3所示。

從表3可以看出，當重現(xiàn)期分別為2、5、10、20 a時雨水管道改造后雨水井最大積水深度明顯降低。當重現(xiàn)期為2 a時，J18節(jié)點改造前后最大積水深度下降值和徑流削減率均最大，改造后最大積水深度下降0.492 m，徑流削減率為63.48%。當重現(xiàn)期為5 a時，J5節(jié)點改造前后徑流削減率最大，達87.67%。當重現(xiàn)期為10 a 時，改造前J5、J18、J21節(jié)點部分雨水井無法達到泄流要求，此時J18節(jié)點最大積水深度已達2.000 m，超過雨水井深度，雨水將漫出路面，造成地面積水；改造后J18為最不利節(jié)點，其最大積水深度為0.963 m，能滿足泄流要求。當重現(xiàn)期為20 a時，J18、J21節(jié)點雨水井最大積水深度高達2.000 m，不能滿足泄流要求，但改造后J18、J21節(jié)點雨水井最大積水深度明顯降低，J18節(jié)點雨水井最大積水深度下降0.543 m，J21節(jié)點雨水井最大積水深度下降0.579 m，均能滿足泄流能力要求。當重現(xiàn)期為50 a時，改造前后雨水管和雨水井均不能滿足泄流要求。

重現(xiàn)期為20和50 a時改造前后重要節(jié)點水深隨降雨時間的變化如圖6所示。從圖6可以看出，重要節(jié)點（雨水井）水深均在降雨1 h后達到最大，改造后重現(xiàn)期為20 a時重要節(jié)點水深明顯降低；當重現(xiàn)期為50 a時由于改造前后均不能滿足泄流要求，重要節(jié)點最大水深無明顯變化，說明該改造方案不能滿足重現(xiàn)期為50 a時的泄流要求。

4.3 排放口流量分析

研究區(qū)2個排放口的水流頻率、平均流量、峰值流量和總排放量如表4所示。

由表4可以看出，不同重現(xiàn)期下改造后水流頻率略有下降，PFK1削減百分比為4.69%～8.02%，PFK2削減百分比為4.72%～8.12%，說明改造后雨水管道內水流速度變緩，這對雨水管道起到了保護作用。改造后排放口平均流量有所提升，原因可能是雨水管徑擴大，雨水泄流能力提升，并且隨著重現(xiàn)期的增加，排放口平均流量增加越明顯。

5 增加海綿設施

SWMM模型作為國內外主要的低影響開發(fā)預測模型之一，它能夠較好地模擬在海綿設施調控下的雨水徑流量、峰值流量和蓄水量等參數(shù)的變化［9］。在雨水管道改造的基礎上，再增加海綿設施，利用SWMM模型的低影響開發(fā)（LID）模塊分別模擬改造后有無海綿設施2種情況下的雨水徑流情況。根據(jù)研究區(qū)地形地貌和氣候特征，選擇下滲道路、透水停車場、種植溝和綠色鋪裝4種海綿設施。新增海綿設施面積與比例如表5所示，海綿設施布置示意圖如圖7所示。

5.1 增加海綿設施后雨水徑流衰減分析

增加海綿措施可以有效減少地面徑流量，緩解地面積水壓力。通過SWMM模型模擬計算雨水管網(wǎng)改造后有無海綿設施匯水區(qū)徑流總量情況，如表6所示。增加海綿設施可以有效減少雨水地表徑流量，重現(xiàn)期為2 a時徑流削減量達401.50 m3，重現(xiàn)期為20 a 時徑流削減量達464.56 m3。劉卿瑞［10］研究老舊小區(qū)增加LID措施布置后，研究區(qū)域內地表徑流總量減少約67%；熊向隕等［11］研究不同海綿設施的徑流效果，研究發(fā)現(xiàn)徑流削減率從22.76%到33.89%不等，這表明海綿設施可以有效減少地表雨水徑流量，海綿設施的類型、面積不同，徑流削減率也不同。從表6可以看出，重現(xiàn)期分別為2、5、10、20、50 a時，海綿設施對地面雨水的徑流削減率分別為28.68%、23.07%、18.55%、16.37%和14.78%。隨著重現(xiàn)期的增加，徑流削減率逐漸減小，這主要是因為隨著重現(xiàn)期的增加，暴雨強度增大，海綿設施總蓄水量不變，徑流削減率呈現(xiàn)降低趨勢。因此，在雨水管網(wǎng)改造的基礎上增加海綿設施可以截流部分雨水，減少雨水徑流量，降低洪峰流量，但這種削減效果隨著重現(xiàn)期的增大而變弱。

5.2 增加海綿設施后重點節(jié)點水深分析

改造后增加海綿設施，雨水井最大積水深度均有所下降，選取重要節(jié)點J5、J18、J21、J24、J25、J33進行分析，重要節(jié)點最大積水深度見表7。從表7可以看出，雨水管道改造后進一步增加海綿設施，雨水井最大積水深度進一步降低。當重現(xiàn)期為2、5、10、20 a時，雨水井最大積水深度下降值為0.020～0.298 m，徑流削減率為3.44%～61.15%。考慮到J5節(jié)點雨水井上下游雨水管管底落差較大，對J5節(jié)點雨水井分析發(fā)現(xiàn)，當重現(xiàn)期為20 a時，J5節(jié)點改造后無海綿設施時雨水井最大積水深度為0.381 m，增加海綿設施后雨水井最大積水深度為0.148 m，徑流削減率高達61.15%。雨水井積水深度降低主要是因為海綿設施起到了滯留雨水的作用。

對比雨水管道改造后有無海綿設施，重現(xiàn)期分別為20和50 a時重要節(jié)點雨水井水深隨時間的變化如圖8所示。從圖8可

以看出，增加海綿設施后重要節(jié)點雨水井最大水深峰值時間較改造后無海綿設施時略有提前，雨水井最大水深有所下降，表明海

綿設施可以滯納雨水，減少雨水徑流量，緩解排水設施壓力。

在雨水井底面積（A）一定的情況下，雨水井積水深度（H）隨時間（t）的變化曲線積分面積可表示雨水井累積雨水量，即Q=A∫Hdt。改造后增加海綿設施，重現(xiàn)期分別為20和50 a時各節(jié)點水深隨時間變化曲線積分面積較無海綿設施的情況下有所減小，即雨水井累積雨水量減少，進一步表明改造后增加海綿設施起到蓄水、滯水的作用，能降低內澇風險。

5.3 增加海綿設施后排放口流量分析

增加海綿設施后，研究區(qū)域的2個排放口水流頻率、平均流量、峰值流量和總排放量如表8所示。由表8可以看出，增加海綿設施后排放口水流頻率進一步下降但下降幅度不大，這與增加海綿設施面積占總面積的比例有關［12］。當海綿設施占比較高時，雨水徑流量會進一步削減，水流頻率進一步下降。這與Frias等［13］采用SWMM模型對德拉薩爾勒大學拉古納校區(qū)的模擬研究結果相似。增加海綿設施后排放口平均流量和峰值流量均有所降低。5個重現(xiàn)期下PFK1平均流量下降0.003～0.046 m3/s，峰值流量下降0.051～0.144 m3/s；PFK2平均流量下降0.002～0.037 m3/s，峰值流量下降0.043～0.143 m3/s。Xian等［14］等評估LID措施的有效性，也得出類似的結果。當重現(xiàn)期分別為2、5、10、20和50 a時，降雨時間內雨水口總排放量較改造后未增加海綿設施減少400～500 m3。這說明增加海綿設施可以降低雨水管內流速，減少流量，緩解雨水管排水壓力，同時起到蓄水、滯水的作用，有效避免內澇現(xiàn)象。

6 結論與展望

該研究對多個重現(xiàn)期下改造前后的雨水管道、雨水井和排放口進行模擬研究，系統(tǒng)分析了雨水管道泄流能力、雨水井最大積水深度和排放口峰值流量等水力特征。結果表明：①改造后的雨水管道可以滿足更大的暴雨強度，泄流能力顯著提升；②改造后雨水井最大水深下降明顯，并且隨著重現(xiàn)期的增加，雨水井最大水深下降越來越明顯；③改造后排放口平均流量增加，水流頻率降低，減輕了下游雨水管泄流壓力；④雨水井積水深度隨時間變化的曲線積分表明改造后增加海綿設施雨水井累積雨水量減少，進一步表明海綿設施起到滲滯雨水的作用，降低內澇風險。

利用SWMM模型可以對易澇小區(qū)改造方案的雨洪控制效果進行量化評價，可為工程設計提供科學依據(jù)。但是，構建SWMM模型時較多參數(shù)取值的選取依據(jù)往往很難做到因地制宜，尤其村鎮(zhèn)居民區(qū)更很難在實際情況下驗證，這是未來需要進一步改進和優(yōu)化的方向。增加海綿設施可以有效減少雨水徑流，當海綿設施增加到一定占比時，是否考慮不鋪設雨水管道或減少管網(wǎng)鋪設，是未來村鎮(zhèn)海綿工程建設和雨水管網(wǎng)工程的方向；隨著村鎮(zhèn)海綿工程建設和防澇整治工程的實施，SWMM模型在模擬評估村鎮(zhèn)海綿設施建設和雨洪災害方面將發(fā)揮重要的預演作用。

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基金項目 合肥市自然科學基金項目（2021015）；渦陽黑臭水體整治與污水處理國家PPP示范項目。

作者簡介 蘇金海（1964—），男，安徽淮南人，高級工程師，從事水環(huán)境治理技術方面的研究。

*通信作者，教授，博士，從事環(huán)境污染控制與資源化、環(huán)境模擬與評價等研究。

收稿日期 2022-04-18