应用暴雨管理模型SWMM优化设计城市排涝泵站规模

【摘要】在湿润地区的平原圩区，建立一种从降雨到地表汇流的暴雨管理模型（SWMM模型），优化设计城市排涝泵站规模。建立降雨、下垫面（汇水区）参数、管网基础参数、河流水系、拟建排涝泵站的SWMM降雨径流-管渠水动力模型，以充分发挥河流水系的调蓄能力、市政排水的除涝要求为控制条件，优化排涝泵站的抽排规模，并对市政排水管网提出优化建议。

【关键词】暴雨管理；SWMM模型；城市排涝；城市排水

Abstract：In order to，This essay studies optimizing scale of city drainage pumping station using SWMM storm management model on Wet Plain Polder Area. Input boundaries include rainfall， underlying surface flux， pipe network flux， river cross-sections. By analyzing storage of river channel and drainage demand，reasonable advises and optimizing plans are also provided.

KeyWord：Storm Management；SWMM model； City Drainage；City Flood Control

1 前言

当前，城市快速发展，河流水系遭受破坏，水面率急剧下降，地面快速硬化、排水设施建设滞后、极端天气频现等造成了城市内涝严重，各地频现积涝成灾现象。如何有效应对城市排水防涝已成为影响经济发展、人居环境的重大问题，找到一种合适的确定排水防涝设施规模的方式方法，即可以节约工程投资、亦充分发挥市政管网、河流水系的功能，同时亦可排查现状市政管网存在问题，对规划市政管网提出建议。

2 SWMM模型建立

1）SWMM模型介绍

模型分为以下几个核心模块：径流（RUNOFF）模块、输送（TRANSPORT）模块、扩充输送（EXTRAN）模块和蓄存/处理（TORAGE/TREATMENT） 模块。SWMM模型不包括受纳水体计算模块，但是提供了美国环保总局开发的WASP模型和DYNHYD模型接口。SWMM模型还包括很多服务模块，如同及模块、绘图模块、联合模块、降雨模块等。各模块之间的关系如图2-1所示。

图2-1

2）设计暴雨确定

以安徽省马鞍山市慈湖河流域中下游两岸的圩区建立泵站为例， 设计雨量采用马鞍山站实测雨量资料（选用马鞍山气象站1953～2010年共58年实测降雨资料，并对10分钟、30分钟、1小时、6小时雨量系列经插补后，采用P-Ⅲ理论曲线进行适线）与1995年《安徽省长短历时年最大暴雨统计参数等值线图》两种方法分别计算，根据慈湖河流域特性，经分析比较后选用。慈湖河流域中心点各时段设计雨量成果见表2-1。

降雨过程依据“84办法”分析确定。最大1小时雨量与最大24小时雨量的比值，查得暴雨衰减指数（n），确定其3小时雨量占24小时雨量的比值，降雨过程采用不同时段设计雨量内含的形式分析确定，20年一遇、10年一遇24小时降雨过程见图2-2、图2-3。

3 排涝泵站规模优化

排涝泵站规模确定原则为满足地形对泵前水位的要求，各个集流井位置满足淹没水深小于15cm，淹没时间小于1h作为确定涝区控制条件，排水分区最高控制水位确定为为了保证设计暴雨频率下，泵站流域范围内不产生涝区采取的最高水位。

以南塘汇水分区为例，南塘水系位于金家庄区中部，天门大道西侧，位于慈湖河中下游左岸，河道全长约2.6km，汇水面积2.01 km2。

现状河道起点与湘苑小区东侧DN800管涵衔接，先沿天门大道由西向东至曙光路西侧约400m处，再向曙光路向北至马钢新区围墙南侧现状同意二泵站处，由泵站抽排至马钢新区内排水渠道中，再由马钢4#泵站抽至慈湖河。

根据项目方案设计，河口位置需要重建同意二泵站。河道整治起点位于新建同意二泵站處，先由北向南穿过北塘路至慈湖蔬菜批发市场，再由东至西穿过南塘花园及南塘嘉苑小区，最后与怡和嘉苑小区DN2000管涵相衔接。

1）SWMM模型建立

（1）管网水系

南塘分区的管网水系分布如图3-1所示，根据河道概化原则，保持河道的水利特性与天然河道的水力特性相同，即输水能力和调蓄能力与实际河道基本一致。把管网、河道的物理资料输入模型中，建立管网-河道水系模型，共有管道56段，管网节点55个。模型中管网-水系分布如图3-2所示。

图3-1 南塘分区管网-水系图

图3-2 模型中管网-水系分布图

（2）子流域划分

在SWMM中，应将研究区域划分成若干个子汇水区，根据各子汇水区的特性分别计算其径流过程，并通过流量演算方法将各子流域的出流组合起来。

子流域划分的个数取决于所模拟地区的面积、土地利用情况和模拟的精度要求。充足而且足够精确的模拟地区的面积、土地利用情况等下垫面资料和管网分布情况是划分子流域的基础，但太多的子流域个数又增加了模型的复杂性，所以要努力找到模型精度和简易程度的契合点。在充分研究了南塘分区下垫面信息和管网分布情况后，根据南塘分区的地形特点和道路分布将其概化为 69个子汇水区，各汇水区形状面积不等，如图3-3所示。

图3-3 南塘分区子流域划分图

（3）基本参数确定

SWMM 模型需要的数据包括：曼宁系数、平均坡度（%）、不透水面积（%）、流域特征宽度、洼蓄量（透水区、不透水区）、粗糙率（透水区、不透水区）、管道埋深等。

根据现状地形图、规划图、SWMM计算手册和率定成果（CN值为率定成果），确定相关参数的取值，南塘分区取值如表3-1所示。南塘分区模型如图3-4所示。

图3-4 南塘汇水分区模型结构图

2）泵站规模计算

采用不同设计频率暴雨过程组合河网水系的规划方案，泵站前池的最低控制水位（死水位）5.10m，最高控制水位（设计水位）6.70m，计算5年一遇、10年一遇及20年一遇暴雨条件下，同意二泵站的设计流量。河网水系规划方案见表3-2，模拟成果见表3-3。同意二泵站10年一遇洪水过程见图3-5，设计水面线成果见图3-6。

4、结语

一般来说，采用模型优化排涝泵站规模，应找到城市的低洼点、受涝敏感区等，并给定这些区域的溢出条件，以低洼点、受涝敏感区域不突破溢出条件设计原则。泵站前池、进水渠道、涝水收集系统，可分别采用设定多方案组合，控制溢出条件，确定各方案排涝，规模，并比较优化。研究过程中亦发现，局部非低洼点、受涝敏感区也发生溢出现象，据推测多为市政管网设计不合理，可通过优化局部管网消除溢出，即可对市政管网提出优化建议。

参考文献：

[1]符素华，王向量等.SCS-CN径流模型中CN值确定方法研究.干旱区地理，2012.5，35（3）：415-420

[2]刘家福，蒋卫国等.SCS 模型及其研究进展.水土保持研究，2010.4，17（2）：120-124

[3]中国水利水电科学研究院.暴雨洪水管理模型——EPA SWMM 用户教程，北京，2011.7

作者简介：龙凤华（1982-），工作单位：深圳市水务规划设计院，现职称：工程师，主要从事水利水电工程设计。