雨水管渠不同断面形式对排水能力的影响——基于SWMM模型

杨婷婷，吴艾欢，吕 谋，高兴桦

(1.青岛理工大学环境与市政工程学院，山东 青岛 266033；2.青岛亚通达铁路设备有限公司，山东 青岛 266100)

蓬勃发展的现代城市给我们带来便利的同时，也埋下了很多隐患。城市道路的建设中，大量的混凝土和柏油马路使得降雨只能通过人工敷设的排水管道排放，不但增加了径流污染还使土壤丧失了本身下渗的能力。雨季来临时城市雨水管道纷纷瘫痪，出现城中“看海”现象[1]。为解决这一现象，实现城市新建、改扩建项目建设后的雨水径流污染负荷持续降低，并保证建设地块及周围排水防涝的安全性，需要在城市规划初期增加LID控制，并考虑不同雨水管渠不同断面形式的排水能力。

SWMM是一个以水动力学为基础的降水-径流模型，并且可以进行水质模拟。SWMM是EPA于1971年开发的第一个综合性城市径流分析模型，经过大量科技人才不断创新与突破，目前已经发展到SWMM Version 5.1。对于常见的低影响开发的LID控制，比如：雨水花园[2]、透水铺装[3]、绿色屋顶[4]、下沉式绿地[5]等SWMM均可以精确模拟[6]。此外，SWMM自带管渠几何特性编辑界面，对于排水圆管、矩形、半椭圆形、马蹄形等常见或是不常见管渠断面形式可灵活模拟使用。复合断面(倒凸形)可以在SWMM的IRREGULAR下进行准确编辑。

1 区域概况

该区属受海洋影响的暖温带季风型海洋性气候。春季干旱多风，夏季湿热多雨，秋季降温缓慢，冬季干燥少雨雪。地面风场特征：该区域主导风向为SSE风，次主导风向为NNW风，平均风速为5.2 m/s。全年平均气温为12.2 ℃，极端最高气温为37.4 ℃，极端最低气温为-16.4℃。年平均降水量为775.6 mm，相对湿度平均为73%。利用ArcGIS全国矢量图可以看出此地人员密集。

该市为海滨丘陵城市，地势东高西低，南北两侧隆起，中间低凹。其中山地约占全市总面积的15.5%，丘陵占25.1%，平原占37.7%，洼地占21.7%。全市海岸分为岬湾相间的山基岩岸、山地港湾泥质粉砂岸及基岩砾质海岸等3种基本类型。浅海海底则有水下浅滩、现代水下三角洲及海冲蚀平原等。

2 SWMM模型构建

2.1 雨水管网概化

雨水管网概化的信息录入包括检查井节点、管道高程、管道埋深以及子汇水区域的划分等，见图1。由于城市管网信息量较大，管道错综复杂，手动输入工作量巨大，本文采用鸿业市政管线将该市排水系统进行优化处理后再导入SWMM，实现了数据的精确性[7]，减少了管道信息误差，从而保证了模拟结果的可靠性。研究区域面积305.2 hm2，其中有192.276 hm2的现状不渗水面积(为整个研究区域面积的63%)，主要是建筑屋面和硬化路面；而绿地可透水面积为112.924 hm2(为整个研究区域面积的37%)。

图1 SWMM雨水管网概化图

2.2 LID控制敷设

该市新城区已完成建设初期城市规划，并在市区布置LID措施，主要为透水铺装、雨水花园和下沉式绿地，并初见成效。在本次SWMM模拟中，LID控制已顺利运行。

2.3 降雨模型及参数布置

降雨模型重现期选择P=1.5、3、10 a，暴雨强度计算公式选择该市最新的暴雨强度公式，选择r=0.4的雨峰系数，取t=1 min的时间间隔，降雨历时为2 h。暴雨强度变化见图2～图4。

暴雨强度公式：

式中：q为暴雨强度，L/(s·hm2)；P为重现期，a；t为时间间隔，min；A、C、b和n为公式参数值，取值见表1。

表1 不同重现期参数值

图2 P=1.5 a的暴雨强度的降雨变化

图3 P=3 a的暴雨强度的降雨变化

图4 P=10 a的暴雨强度的降雨变化

3 结果分析

对研究区域的排水管渠进行断面不同的比例设计。根据该市的雨水管道系统的管径现状，保证不同断面形式的排水管渠的截断面的面积相同。分别以圆管、矩形管渠和倒凸形断面形式进行不同重现期暴雨强度下的模拟[8]。雨水管网复杂多变，很难将每一条管线进行截面积相同的断面设计，由于雨水管网现状中积水、冒溢现象一般集中于管网下游，现取靠近排放口PFK-Y1-12上游的雨水管道进行排水模拟。

3.1 重现期P=1.5 a

随着降雨的发生，排水圆管、矩形管渠以及复合断面(倒凸形)的流速曲线变化趋势一致，流速先随着时间下降再出现上升趋势，最后随着雨量的减少流速再逐渐削弱直到降雨结束。在降雨开始的1 h内，由于汇聚的流量较少，3种管渠断面形式的排水管道在流速上差异较小。在流速峰值未出现的降雨过程中，复合断面(倒凸形)流速大于其他2种，具有较好的过流能力。

随着雨水汇流的不断进行，复合断面(倒凸形)在t=1.3 h首先出现最大流速v=0.87 m/s；矩形管渠在t=1.8 h时，流速达到最大v=0.84 m/s；排水圆管的最大流速v=0.87 m/s，发生在t=2 h。随后3种断面流速逐渐减小。见图5。

图5 P=1.5 a降雨历时流速

3.2 重现期P=3 a

在重现期P=3 a的降雨事件下，降雨初期矩形管渠平均流速较大，排水圆管和复合断面(倒凸型)具有相同的变化趋势。在降雨历时t=1.5 h左右时，3种断面管渠流速均达到最大值，t=1.4 h排水圆管最大流速v=1.10 m/s；t=1.5 h矩形管渠最大流速v=1.09 m/s；t=1.7 h复合断面(倒凸形)最大流速v=1.13 m/s，见图6。

3种断面形式的排水管渠的峰值流速出现时间几乎一致、峰值流速大小相差无几。随着汇流时间的不断增加，各断面流速均呈减小趋势，复合断面(倒凸形)后期流速较大，具有较强过流能力。

图6 P=3 a降雨历时流速

3.3 重现期P=10 a

10 a一遇暴雨发生时，3种断面形式的管渠流速变化的总体趋势与P=1.5 a以及P=3 a时变化趋势一致，流速先增大再减小，见图7。在各断面流速峰值出现之前，复合断面流速较大，能够较快地输送各子汇水区域面积径流而来的雨水。而在流速峰值出现以后，各断面流速下降的过程中，矩形管渠的流速相对来说较大，而复合断面的流速最小。对整个降雨汇流过程来看，矩形管渠的排水管渠较好，输水能力较强。

图7 P=10 a降雨历时流速

4 结 语

海绵城市建设虽已成为新城市新城区甚至新农村的主流，但排水管道形式的选择还是比较单一，全国约60%城市雨水管道设计至今仍局限于排水圆管和矩形管渠的选择上。在解决城市内涝问题的基础上进行排水系统设计时，应因地制宜综合考虑。暴雨模型SWMM的模拟运行可准确地为城市规划、改造等提供大量数据参考。

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[1] 闫 磊, 熊立华, 王景芸. 基于SWMM的武汉市典型城区降雨径流模拟分析[J]. Journal of Water Resources Research, 2014,3(3):216-228.

[2] Li J, Li Y, Shen B. Simulation of rain garden effects in urbanized area based on SWMM[J]. Shuili Fadian Xuebao/journal of Hydroelectric Engineering, 2014,33(4):60-67.

[3] 王俊岭, 王雪明, 张 安,等. 基于“海绵城市”理念的透水铺装系统的研究进展[J]. 环境工程, 2015,33(12):1-4.

[4] 张胜杰. 利用暴雨管理模型(SWMM)对低影响开发措施效果的模拟研究[J]. 中国建设信息, 2013,(19):76-78.

[5] 苏义敬, 王思思, 车 伍,等. 基于“海绵城市”理念的下沉式绿地优化设计[J]. 南方建筑, 2014,(3):39-43.

[6] 王文亮, 李俊奇, 宫永伟,等. 基于SWMM模型的低影响开发雨洪控制效果模拟[J]. 中国给水排水, 2012,28(21):42-44.

[7] 官奕宏, 李述琰, 吕 谋,等. 基于鸿业市政管线9.0构建SWMM城市雨水管网模型[J]. 供水技术, 2016,10(4):15-18.

[8] Gao B, Zhuang B Y. Study on rain water drainage system plan based on SWMM[J]. Advanced Materials Research, 2013,790:125-128.