基于SWMM模型的城市排水管道优化研究

王嘉仪，赵连军，张 华，牛文丽

(1.黄河水利科学研究院，郑州 450003；2. 国家能源局大坝安全监察中心，杭州 311122； 3. 河海大学港口海岸与近海工程学院，南京 210098)

据国家防汛抗旱指挥部统计，2015年有154个(截至8月18日)城市因暴雨洪水发生内涝受淹，受灾人口255 万人，直接经济损失达81亿元。2014年，包括北京、上海、广州等大城市在内的125座城市发生了内涝；2012-2014年，平均每年有100多个城市受到外洪内涝的威胁；北京、深圳、浙江余姚等地因涝导致人员伤亡事情历历在目。因城市建设的局限性，强降雨导致城市内涝已成为一种常态，大多数城市往往是“逢雨必涝，逢涝必瘫”，各种媒体上关于城市内涝灾害的报道屡见不鲜。城市内涝灾害频发，不仅影响经济社会的正常发展，造成了巨大的经济损失，而且影响城市居民的工作和生活秩序，给人民生命财产造成了严重威胁。当前如何解决城市洪水问题，具有紧迫的现实意义和重要的科学意义。

目前，现代化数值模拟技术、遥感和ArcGIS技术和计算机科学的发展迅速，使得通过分析城市洪涝灾害的形成机制和原因，进而精确预报预测城市洪水过程成为可能。城市洪水过程的模拟大致来讲主要有3种模型：水文模型、水动力模型和简化模型[1]。

1 SWMM模型

SWMM模型是由美国环境保护署研发的第一个集地面水文、水质和地下管网计算为一体的典型水文模型，可用于城市区域降雨径流、合流制管网、污水管道和其他排水系统的规划设计、情景分析和方案评估[2]。使用SWMM模型对城市内涝进行模拟时，首先需要对模拟的计算域进行离散，即将整个计算域分为若干个子区域，并对每个子区域的水文特征差异性进行概化，其次需要确定子汇水区的出口和用于连接出口的排水管道。该模型对数据要求低、计算效率高，在全球范围内得到了广泛应用。

基于SWMM构建城市雨洪模型需要降雨资料、地形数据和排水管网系统资料，可以划分为实际数据、合成数据和参考数据3类，见表1。

表1 模型基础数据类型及获取方法Tab.1 Type and acquisition of model based parameter

SWMM模型的快速构建需要一个强大的工具对空间数据进行管理，ArcGIS可以高效的获取、创建、分析和显示各种类型的地理和空间信息数据，将图形和数据有机地结合在一起，充分地表达数据的地理图形信息。本文结合研究区域规划地形图，利用ArcGIS的水文分析功能、泰森多边形法和人工手动修正相结合的方法进行子汇水区划分，并分析统计出每个子汇水区的特征长度、平均坡降和不透水面积率等。

2 实例分析

2.1 区域概况

郑州市地处中原腹地，面积约7 500 km2，市区地势呈西南高、东北低，西部多丘陵山区，东部为平原，海拔在75～1 512 m，西部到东部自然坡降为0.34%，落差近30 m。本次选择郑州市郑东新区新规划区域----运粮河组团进行模拟分析，该区位于郑州市区东38.5 km处，规划总用地面积31.42 km2，见图1。

图1 运粮河组团项目区域规划设计图Fig.1 Design drawing of project planning on Yunliang River Zutuan District

2.2 模型构建

该区域属于规划项目区，整个区域被概化为节点474个(其中52个排放口)、管道422条(其中闭合矩形管道7根，剩余均为圆形，总长度为505.8 m)，子汇水区见图2。

图2 子汇水区划分概化图Fig.2 Conceptual diagram of catchments area and pipeline

在已划分的子汇水区基础上，利用ArcGIS的Spatial Analyst 工具和Extract Values To Table工具，提取出各个子汇水区的平均不透水率和平均坡度，不透水面积率在15.3%～75%之间，平均值为72.9%；平均坡度为0.000 1%～0.620 5%之间，平均值为0.205 4%。

参考国内外相关文献报道[3-5]，根据该区域的地面特征设定其经验参数为：透水区和不透水区曼宁系数分别取0.24和0.024，透水区和不透水区洼蓄量分别取6.5和3.5 mm，最小和最大入渗率分别取3.82和78.1 mm/h，衰减系数取2h-1，通过输入SWMM模型计算分析知径流系数为0.6，符合规划区径流系数0.5～0.6的要求。

2.3 管道承载力复核及优化设计

在已建好的运粮河组团区排水管网模型基础上，根据开封市暴雨强度公式，选用芝加哥降雨过程线模型合成重现期P=1年、雨峰系数r=0.4、降雨历时T=120 min的单峰型合成降雨作为模拟降雨输入，计算2年一遇和5年一遇降雨的内涝情况如图3和图4所示，结果表明节点J326为发生溢流最早且最严重的区域。

选取节点J326进行典型积水点优化分析，由图5可知节点J326到排放口O51之间，一共有5个管渠，其中L372和L373为圆管，管径分别为1和1.1 m，L386、L388和L405为矩形涵管。

管道的设计管径直接影响了管道的过流能力，分别设计两种管道优化方案进行对比分析，方案一：将节点J326下游管道L372管径分别扩大10%和20%；方案二：将节点J326下游管道L372和L373管径分别扩大10%和20%，选择重现期为1年、2年、3年、5年情况下，模拟管道内的水流变化情况。

图3 2年一遇暴雨重现期节点溢流图Fig.3 Return period of two years

图4 5年一遇暴雨重现期节点溢流图Fig.4 Return period of five years

图5 节点J326下游管道布设示意图Fig.5 Sketch map of pipeline layout on the lower part of J326

由图6和图7可以看出，1年重现期降雨时，将节点J326下游圆形管道管径统一扩大，比单独改变一个管道的管径能更好地降低管道内的最大过流水深。当降雨重现期超过1年后，将节点J326下游圆形管道管径统一扩大，可以推迟管道满管运行开始时刻，降低满管运行时长。

图6 1年暴雨重现期下，管道L372水深过程Fig.6 Water depths of pipeline L372 under return period of one year

图7 2年暴雨重现期下，管道L372水深过程Fig.7 Water depths of pipeline L372 under return period of two years

由表2可以看出：①节点J326下游管道L372和L373管径均扩大10%时，节点可满足1年一遇降雨不发生溢流；超过1年且不超过10年一遇重现期降雨，与下游管道管径均不变相比，节点的溢流时间最大可以缩短35%，总溢流量减少约65%。而仅改变L372管道时，节点的溢流时间最大缩短仅为10%左右，总溢流量减少约7.5%。②节点J326下游管道L372和L373管径均扩大20%时，超过1年且不超过10年一遇重现期降雨，与下游管道管径均不变相比，节点的溢流时间最大可以缩短90%，总溢流量最大减少约94%。而仅改变L372管道时，节点的溢流时间最大缩短仅为20%左右，总溢流量最大减少约16%。

表2 节点J326下游管道优化对节点溢流情况对比表Tab.2 Correlation table of overflow conditions of node J326 with pipes' Optimization

注：H为溢流持续时长，min；Q为总溢流量，m3。

3 结 语

城市雨洪模型SWMM发展至今已形成较为完善的模型框架，本文将ArcGIS作为分析处理工具与SWMM模型联合运用，显著地提高了建模的效率和精度，为设计、管理部门快速决策提供科学依据，可最大限度地减少洪涝灾害所造成的损失，可提高城区防汛管理的现代化水平，实现城市防汛与城市建设及社会经济的协调发展。

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[1] 胡伟贤，何文华.城市雨洪模拟技术研究进展[J].水科学研究进展,2010,21(1)：137-144.

[2] 刘 俊，郭亮辉，张建涛，等.基于SWMM模拟上海市区排水及地面淹水过程[J].中国给水排水,2006,22(21)：64-66.

[3] Campbell C W，Sullivan S M．Simulating time-varying cave flow and water levels using the Storm Water Management Model[J]．Engineering Geology，2002，65(8)：133-139．

[4] 傅新忠. SWMM在城市雨洪模拟中的应用研究[D]. 浙江金华：浙江师范大学, 2012.

[5] Burian S J，Streit G E，McPherson T N，et al. Modeling the atmospheric deposition and stormwater washoff of nitrogen compounds[J]. Environmental Modelling &Software, 2001，16(5)：467-479．