暴雨管理模型SWMM应用于湿润的平原圩区排涝模型率定

【摘要】建立一种从降雨到地表汇流的暴雨管理模型（SWMM模型），研究相应的模型参数率定，并应用于城市排涝泵站规模的优化设计。SWMM模型的输入条件包括：降雨、下垫面（汇水区）参数、管网基础参数、河流水系。在特定的城市现状及规划条件下，选择合适的率定模型，对模型参数的敏感性进行分析，最终率定参数，并应用于城市排涝泵站规模的优化设计。

【关键词】暴雨管理；SWMM模型；城市排涝；SCS模型；模型率定

Abstract：In order to optimize scale of city drainage pumping station，this essay studies calibration of SWMM storm management model on Wet Plain Polder Area. SWMM input boundaries include rainfall， underlying surface flux， pipe network flux， river cross-sections. In specific city status， model is appropriately calibrated， sensitivity of the parameters of the model were analyzed and applied to the optimization design of the scale of city drainage pumping station.

KeyWord：Storm Management；SWMM model；City Drainage Flood Control SCS Model；Model Calibration

1 前言

近年来，城市内涝问题，日趋严重，极端天气频现，各地频现积涝成灾现象。如何解决关系国计民生的城市内涝问题，在社会各界掀起了广泛讨论，人们对现行的排水标准、排水系统建立、排涝标准、乃至排水防涝的设计方式方法，都提出了不同的意见。新版的排水规划针对汇水面积大于2km2的排水分区建议采用模型进行模拟排水防涝设施以优化工程设计。采用暴雨管理模型SWMM，建立排水防涝模型，通过拟定方案比选优化排涝设施规模，是一种较新的设计方法。其中建立合适的率定模型，对模型参数进行率定验证尤为重要。

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，但是提供了美國环保总局开发的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）SWMM模型建

SWMM模型建立包括以及几个步骤：

（1）管网概化

利用研究区域的管网数据信息，主要包括：管网的空间位置（即X、Y 坐标）、节点高程、管长、管径、流向、坡度等属性数据，通过GIS 对管网节点（检查井）和汇水区进行分析处理，并将结果输入SWMM 模型中，以便后面的研究。所选区域检查井众多，本文只对功能性突出、对模拟产生直接影响的检查井进行研究。根据区域地形以及管网图，将汇水区内的管网简化后直接汇流到城市雨水管网支管中。

（2）建立河网

通过地形图和河道规划图，提取河道信息，建立河网。

（3）排水模块中各物理特征值确定方法如下：

排水管网特征数据（管道长度、高程管径）：排水管网特征数据如管道长度、管道上下游管底高程、管径以及检查井处地面高程、井底高程均通过实地地形勘测资料获得。地理参数根据上述条件确定，同时基于SWMM的应用，根据雨水管网规划图拟建简单的雨水管网，雨水分别汇入市政排水管网。

3 模型率定

SWMM降雨径流-管渠水动力模型，须要建立率定模型进一步确定参数，并针对现状及规划分别建模。相关参数中，除汇水区面积、集水井数据、管渠布置等属于模型结构数据外，下垫面、管渠水动力参数无条件进行率定，可参考水利计算手册、SWMM使用手册取值。主要率定参数为SWMM模型降雨径流模块中的产汇流参数。

对不透水区域曼宁系数、透水区域曼宁系数、CN值、干燥时间敏感性分析，我们发现CN值对于洪量总量敏感性较高，虽然透水区曼宁系数与洪峰流量相关为一般敏感，但与洪水总量相关为不敏感。本研究泵站规模确定主要因素为洪水总量，因此建立率定模型，对关键参数透水区的CN值进行率定。

1）率定模型

工程设计流域内无实测水文资料，须选择与设计工程区域类似的有水文资料的区域作为模型率定资料。《安徽省径流站水文资料》记录有平原、丘陵、圩区、山区等特点的小河流域暴雨径流观测资料。按照项目特点， 选取三一沟-丁后郢径流站，该站位于安徽固镇，实测降雨径流对应关系较好，且当圩区设立一定规模的排涝泵站时，其流域的产汇流条件接近平原区。区域示意图见图3-1。

丁后郢集水区主要分中沟和小沟，其中中沟集雨面积2.15km2，不透水比率为5.1%，河道总长度1.25km，集水区宽度1000m，坡度1‰；小沟集雨面积0.252km2，不透水比率为10%，总长度0.47km，集水区宽度673m，坡度1.5‰。降雨量监测采用20cm自记雨量计，集水区出口流量测点各一处，用流速仪或水面浮标实测。

图3-1 三一沟集水区的区域示意图

实测降雨径流选取完整的单场次降雨，时段雨量与设计工况接近，降雨与径流匹配较好。根据三一沟实测降雨径流资料，选取各年份较大降雨共7场作为模型的率定（5场）及验证（2场）资料。详见表3-1

2）参数率定

（1）透水区CN值率定

根据敏感性分析结论，确定率定参数为透水区CN。 SWMM中SCS模型进行径流潜力计算，首先要确定参数CN值，SWMM使用手册中规定，不透水区CN值一般取100，透水区CN值由土壤类型及前期降雨量确定，同时参考美国《国家工程手册》（National Engineering Handbook，Chapter 10 Estimation of Direct Runoff from Storm Rainfall），透水区CN由前期土壤湿度（AMC）及水文土壤组（HSG）决定。可见确定透水区CN值关键因素为前期降雨（土壤湿度）及土壤类型。率定模型流域与设计流域现状及规划土壤类型基本一致，因此认为率定成果中CN变化主要影响因素为前期降雨，对率定成果中前期土壤湿度与透水区CN的关系进行深入分析。

SCS-CN 模型根据次降雨前5天雨量为依据，将AMC 划分为3类，即AMCⅠ代表干旱（AMC<35 mm）、AMCⅡ代表平均（35 mm≤AMC<53mm）、AMCⅢ（AMC≥53 mm）代表湿润，流域内的AMC 对流域产流有较大影响，不同AMC状况下的透水区CN值可以互相转换计算。详细換算见SWMM使用手册。

率定模型采用1974年7月20～23日、1974年7月30日、1975年7月5日、1975年7月27日、1981年7月24～25日五场降雨进行率定，其余两场用于验证。根据前五天降雨量，确定各场降雨AMC等级，1974年7月20日、1980年6月23日、1981年7月24日3场雨AMC等级为I，其余4场均为III。率定结果见表3-2。

率定结果表明透水区CN值取值变化范围较大为30～88.2，1974年7月20～23日、1981年7月24～25日两场降雨降雨量较大（分别为163.7mm、130.9mm），但前期影响雨量较小（分别为8.5mm、0.3mm），透水区CN值较低；1974年7月30日、1975年7月27日降雨量较小（39.8mm、29.9mm），但前期影响雨量大（68.2mm、78.7mm），因此透水区CN值较高。

当发生设计降雨时，10年一遇24小时降雨量为182mm。根据马鞍山雨量站1980～2010年日降雨资料分析，日降雨量在100mm以上的暴雨其前期雨量均值为55mm，因此划分为AMC III等级，透水区CN值在65～83.5，平均值为74.8，取整75。

3）参数验证

依据未参加建立模型的观测资料和对水文现象规律的逻辑判断，进行必要的模型检验。根据率定结果，考虑前期影响雨量及降雨量，透水区CN值取75，选取降雨量及前期雨量较大的两场降雨1980年6月23日及1980年6月26日进行模型验证。验证结果见表3-4。

验证结果表明透水区CN值取75时，验证场次降雨的径流差值在7.9%～ -8.2%之间，属误差允许范围。因此在应用模型中，透水区CN取75。

4 结语

一般来说，模型率定应采用设计工程区域的水文资料进行率定，若设计工程区域无实测水文资料，可选择有实测水文资料的类似区域作为率定条件。模型验证结果表明SWMM有较强的适应性，当管渠水动力参数不具备率定条件时，可以通过SWMM使用手册取值合适的参数。经参数敏感性分析，CN对于洪水总量敏感性较高，是影响排涝设计的关键性参数。CN率定受前期降雨、土壤含水率影响较大，应严格根据前5天雨量，将AMC分类，并根据分类情况换算CN。

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。