SWMM在某市雨洪分析中的应用

龙天玮 李 怡 徐 炜

(1.重庆交通大学 国家内河航道整治工程技术研究中心水利水运工程教育部重点实验室， 重庆 400074；2.重庆交通大学 河海学院， 重庆 400074)

SWMM在某市雨洪分析中的应用

龙天玮1,2李 怡1,2徐 炜1,2

(1.重庆交通大学 国家内河航道整治工程技术研究中心水利水运工程教育部重点实验室， 重庆 400074；2.重庆交通大学 河海学院， 重庆 400074)

本文利用SWMM模型，通过资料收集、划分汇水区、概化排水管网、模型参数设置等步骤建立了研究区域的降雨-径流模型，模拟了重现期为1年、5年、10年以及研究区域下垫面不同透水面积情况下的雨洪过程。模拟结果表明：提高城市下垫面透水率对于改善城市雨洪过程有一定的效果，可以减少溢流节点个数、降低溢流节点淹没时长以及出水口的峰值流量，这种作用在低重现期降雨时更为显著。

SWMM模型； 雨洪分析； 水文模拟； 海绵城市

1 概 述

在城市化进程中，下垫面的过度硬化使得雨水无法自然下渗，地表径流大量聚集形成积水，尤其是在强降雨情况下，硬化的下垫面无法滞留雨水，导致雨水径流的汇集速度加快，洪峰流量增大，出现时间提前。同时，排水设施老化陈旧，排水管网淤塞、设计标准偏低，“逢雨必涝”的窘境无法解决。海绵城市建设是我国解决城市水问题的新探索和新思路，是雨洪利用理论的创新和发展，是新时期治水思路的补充和完善[1]。通过海绵城市的建设，可实现对雨洪资源的有效利用，利用生态的手段解决城市存在的水资源短缺、旱涝灾害频繁发生等问题。

降雨径流过程模拟可以描述流域对特定降雨过程的动力反应，即径流历时过程。本文采用概念性降雨径流模型分析某市的降雨径流反应。概念性模型概化、量化流域内的各种水文机制，也称流域水文模拟。

2 SWMM模型介绍

本次分析将应用SWMM(Storm Water Management Model)模型进行流域水文模拟。SWMM模型是美国环保署(US Environmental Protection Agency, US EPA)为设计和管理城市雨洪而研制的一个综合性分布式水文模型。它可以模拟完整的城市降雨径流和污染物运动过程，包括地表径流和排水系统中的水流、雨洪等调蓄处理过程、水质影响评价等[2]。模型输出可以显示系统内各点的水流和水质状况。SWMM模型适用于规划、设计和实际操作，是一个运用相当广泛的城市暴雨径流水量、水质模拟和预报模型[2]。

SWMM模型将各个集水区的地表径流视为非线性水库，联合求解连续方程和曼宁公式。地表径流被全部导入排水管道系统。如果排水管道系统的通过能力不足，排水系统的水流模拟机制则在相应井口(检查井或入流口)体现溢流，即内涝。在SWMM模型中，井口溢流时的井口水位为该井口的顶沿，而溢出的水量将被暂时“存储”。当排水系统的通过能力恢复时，存储的溢出水量将被释放回系统。因此，井口处出现满水位通常意味着溢流发生，尽管不排除井口刚好达到满水位的偶然情况。该模式计算高效，广泛应用于城市排水管网运行分析及土地利用类型改变前后水文过程的改变和对比[3]。

3 模型构建

3.1 研究区域概况

该研究区域位于山谷低洼带，四周高中间低，西部临河，河流由北向南流经研究区域。该区域面积约64.7hm2，其中，林地、耕地等透水面积约占3/5，房屋和路面等不透水面积约占2/5。该区域河流属于山区雨源型河流，洪水均由暴雨形成。研究区发生降雨时雨水由自然冲沟、街边明(暗)沟、雨水管直接排入河流。

根据SWMM模型的应用要求，结合研究区域现状管网资料，将研究区域划分为11个子汇水区，其排水管网概化为16条雨水主干管线、16个节点、1个出水口，见图1。

图1 研究区域示意图

3.2 模型参数设置

本文分析考虑以下主要水文机制：降雨、降雨损失、地表汇流、排水系统(沟渠、管道等)水流，参数主要结合研究区域实际状况和SWMM用户手册进行取值。根据填洼量的建议取值范围，不透水地表的填洼量采用5mm，透水地表的填洼量采用10mm。考虑到常规情况，模拟中考虑日均蒸发量，假设其为均匀量，取2.5mm。本文分析采用格林—安普特(Green-Ampt)模型计算雨水下渗，设置初始亏损、吸入水头和导水率三个参数。降雨损失考虑地表填洼、蒸发、下渗。由于动力波方法能够体现沟、管内的回水效果，本文分析采用动力波方法模拟排水沟、管内的水流。为简化起见，所有降雨—径流模拟均忽略前期降雨的影响。

3.3 模拟情景设定

3.3.1 不同重现期的设计降雨过程

利用暴雨强度公式[4]和芝加哥雨型公式[5]可以建立步长为5min的短历时(2h)设计降雨。为了研究不同重现期暴雨的雨洪过程差别，利用暴雨强度公式求出重现期分别为1年、5年、10年，历时为2h的降雨量，采用芝加哥雨型公式合成降雨情景，降雨的时间间隔为5min。降雨过程线如图2所示。

图2 不同重现期2h设计降雨

3.3.2 不同的下垫面条件

为了研究改善下垫面条件对城市暴雨洪水过程的影响，分别模拟研究区域在现状下垫面条件下的雨洪过程，以及在现状条件基础上分别增加10%、20%透水面积后的雨洪过程。

4 结果分析

利用所建立的SWMM模型模拟计算不同下垫面条件在重现期为1年、5年、10年，降雨历时为2h的设计降雨条件下的城市雨洪过程。模拟总时长为5h，结果时间步长取5min。图3展示了不同重现期降雨、

图3 不同重现期降雨条件下出水口流量过程

重现期淹没节点数/个出水口最大流量/(m3/s)节点J5淹没时长/hⅠⅡⅢⅠⅡⅢⅠⅡⅢ1年6630836082608060480400315年87608530845084209007906410年876086508530845113104092

注 Ⅰ为现状下垫面条件；Ⅱ为增加10%透水面积的下垫面条件；Ⅲ为增加20%透水面积的下垫面条件。

现状下垫面条件下出水口的流量过程，图4展示了各重现期降雨时不同下垫面条件下出水口的流量过程。其余模拟结果见上表。

由图3和上表可知，随着降雨重现期的增大，出水口流量有了明显增加，各重现期相较前一个重现期的峰值流量分别增加了2%、1.4%。这种情况不仅体现在峰值流量上，也体现在整个雨洪过程中。研究区域内淹没的节点数增加以及节点淹没持续时间的延长，说明降雨的增大使得城市的内涝加重，现有的排水系统显然在强降雨时无法满足城市排水需求。

由图4和上表得知，下垫面条件的改变对于降雨径流过程也有很大的影响。在重现期为1年的降雨条件下，透水面积的增加可以有效减少淹没节点数，缩短节点淹没持续时间，降低出水口的峰值流量。随着重现期增大，这种改善效果不再明显，但不能忽略。

图4 不同重现期不同下垫面的出水口流量过程

5 结 语

海绵城市的建设是将雨洪资源作为水资源进行管理和利用，推翻了传统的将雨洪排出、避免灾害的城市防洪排涝思维。利用SWMM模型模拟了不同情景下的城市雨洪过程，发现不同的下垫面透水面积在不同降雨重现期下对于出水口的峰值流量、城市的内涝情况都有着一定程度的影响。对于暴雨频发、内涝严重、排水系统改造困难的城区，应该积极采用措施改善地表透水率，比如有选择性地增设绿地、铺设透水路面等。同时，降雨重现期越小，透水率改变带来的效果越明显，但被淹没节点仍然存在。海绵城市的建设能够在中小型降雨过程中，减轻城市防洪排涝的压力，加快城市地表排水速度，缓解“逢雨必涝”的现象。因此，应该在增加透水率的同时采用更多的方法，比如增设湿地、雨水调蓄池等蓄水设施，多管齐下，真正改善城市内涝频发的局面。

[1] 张旺，庞靖鹏. 海绵城市建设应作为新时期城市治水的重要内容[J]. 水利发展研究，2014(9)：5-9.

[2] 张倩，苏保林，袁军营.城市居民小区SWMM降雨径流过程模拟——以营口市贵都花园小区为例[J].北京师范大学学报(自然科学版)，2012，48(3)：276-280.

[3] 周思斯，杜鹏飞，逄勇.城市暴雨管理模型应用研究进展[J].水利水电科技进展，2014，34(6)：89-97.

[4] 北京市市政工程设计研究院.给水排水设计手册：第5册.城镇排水[M].2版.北京：中国建筑工业出版社，2004.

[5] 张大伟，赵冬泉，陈吉宁，等.芝加哥降雨过程线模型在排水系统模拟中的应用[J].给水排水，2008，34(Z2)：354-357.

Application of SWMM in rain flood analysis of one city

LONG Tianwei1,2, LI Yi1,2, XU Wei1, 2

(1. Chongqing Jiaotong University National Inland Waterway Regulation Engineering Technology Research CenterWaterResourcesWaterwayEngineeringMinistryofEducationKeyLaboratory,Chongqing400074,China;2.ChongqingJiaotongUniversityHehaiCollege,Chongqing400074,China)

In the paper, SWMM model is utilized. Rainfall-runoff model is established in the studied area through data collection, catchment area division, generalization of drainage pipe network, model parameter setup and other steps. Rain and flood process of underlying surfaces under different permeable area conditions with return period of 1 year, 5 years and 10 years as well as study area are simulated. The simulation results show that the improvement of city underlying surface permeable rate has certain effect for improving urban rain-flood process. The number of flood overflow node can be reduced; overflow node flooding duration and the peak value flow capacity of water outlet can be shortened. The function is more prominent during rainfall at low return period.

SWMM model; rain flood analysis; hydrological simulation; sponge city

10.16616/j.cnki.10-1326/TV.2016.06.001

TV213.9

A

2096- 0131(2016)06- 0001- 04