SWMM模型在城市雨水管网改造中的应用

陈睿星，李卫东，栾 慕，尹洋洋，冯 文，徐向阳

(河海大学水文水资源学院，南京 210098)

城市内涝是指由于强降水或连续性降水超过城市排水能力致使城市产生积水灾害的现象[1]。根据住建部2010年对349个城市内涝情况调研，2008-2010年共有289个城市发生了不同程度的内涝，占调查城市总数的80%[2]。广受诟病的城市内涝灾害频频发生，暴露出传统的城市雨水系统建设模式存在问题，亟须解决。

构建“自然积存、自然渗透、自然净化”的海绵城市，实现城市的良性水文循环和雨水径流的“渗、滞、蓄、净、 用、排”，从而有效控制径流排放总量、径流污染与城市洪涝，最大限度地减少城市开发建设对生态环境的影响。海绵城市需要依靠低影响开发雨水系统、常规雨水径流蓄排系统以及超常规雨水径流蓄排系统共同构建[3]。

城市地区主要通过雨水管网系统排除雨水。随着计算机的广泛应用和各类模型软件的开发，将排水系统模型作为城市洪灾评价与防治的技术手段已经成为防洪防灾的重要技术途径[4]。因此，运用可对城市排水防涝系统进行全过程分析模拟的SWMM模型评估雨水管网系统的排水能力对建设“海绵城市”有现实意义。

本文以龙岩市为例，构建SWMM模型模拟研究区现状排水防涝能力，根据检查井溢流和管道超载情况分析并总结原因，为城市管网优化方案提供参考。

1 研究区SWMM模型构建

1.1 研究区概况

龙岩市位于福建省西南部，界于武夷山脉和博平岭山脉之间，地处中亚热带向南亚热带过渡区，常年气候温和湿润，四季分明，多年平均降水量1 450～2 200 mm。流域内降水时空分布不均匀，年内流量分配受降雨影响集中在4-9月份，占降雨量的75%，5-6月份降雨又占降雨量的35%。雨季地表径流量大，河水暴涨暴落。

研究区属于典型的山丘区城市，丘陵、平地与河谷交错分布，地面情况复杂，建筑物分布较密集，中心城区人口密度较大，城市建设用地紧张，极易发生侵占河湖水面、绿化用地的现象。此外，城区规划建设不尽科学，河网水系淤塞不畅，排水管网系统更新缓慢以及排涝设施设计标准偏低、陈旧老化等原因，当发生短历时、高强度暴雨时，易发生内涝灾害。

1.2 SWMM模型构建及参数取值

龙岩市中心城区属于中等城市化地区，市政基础设施发展较早，基本布设排水管网，地表径流主要是通过排水管道汇入河流。龙岩市境内的河流，主要属于汀江水系、九龙江水系、沙溪水系、梅河水系，另外还有长江流域赣江水系，但集水面积小。城区上游河流已建的蓄水工程有黄岗水库、东肖水库以及龙门石泉电站水库。

根据SWMM模型的模型配置要求并汇总现状雨水管网资料，将研究区概化为617 个汇水区，将排水系统概化为节点889个、雨水主干管线310条。本次计算将龙津河下游入河口作为整个模型的出流边界，以其不同重现期的设计水位作为模型的边界条件。

龙岩市分区划分及管网概化示意图，如图1、图2所示。

图1 研究区域分区示意图Fig.1 Partitions of study area

图2 研究区管网概化示意图Fig.2 Drainage system generalized diagram of study area

SWMM模型中的参数大体可以分为两类，第一类是通过测量或者可利用的其他信息提取获得的模型的基础数据；第二类是模型参考手册只给出取值范围，具体取值需通过调查研究和模型率定才能确定。

由土地利用类型分布图、雨水工程现状图等资料获取如子汇水区面积大小、平均坡度、特征宽度、管径大小、管长、管道的形状、检查井底标高、不透水面积百分比等，并通过GIS软件统计整理研究区域的基础数据。

第二类参数主要参考《SWMM模型用户手册》中列出的推荐值和相关文献[5,6]，再因地制宜进行修改优化。

Horton下渗公式中参数主要包括最大下渗率、衰减系数及最小下渗率三个参数。最大下渗率主要取决于土壤类型、土壤含水量和覆盖植被，根据龙岩市土壤类型及模型用户手册，最大下渗率覆盖草皮的取50.8 mm/h、裸土取25.4 mm/h；稳定下渗率主要根据《福建省暴雨洪水查算图表》，按龙岩市土壤条件，取2.54 mm/h；霍顿曲线下渗速率衰减系数主要指饱和土壤到完全干燥土壤需要的时间天数，通常情况下为2～14 d，本次计算根据经验取7 d，衰减系数为3 h-1。洼蓄主要指地表积水、植被截留、屋顶、填洼等初始损失，根据相关文献，不透水区洼蓄老城区取2 mm，郊区及新城区取1 mm；透水区洼蓄绿地取10 mm，裸地取5 mm。

子汇水区域地表糙率主要根据模型用户手册，并参照国内相关研究结果取值，本次计算，不透水区糙率取0.015；透水区糙率取0.2。

管道糙率依据排水规划取0.013，排洪沟及排水箱涵糙率取0.03。考虑到各河段防洪堤建成后，河道岸壁为防洪墙，且形成宽度基本相等的规则河道，整治后河道糙率适当降低，因此河道糙率龙津河干流取0.03，其余河流取0.035。河道现状横断面根据实测成果，输入模型。

SWMM模型部分参数取值见表1。

2 现状模拟结果及分析

选取地表径流分析、检查井溢流分析、管道超载情况分析作为评估城市雨水管网排水能力的依据。

表1 模型部分参数取值Tab.1 Model parameter values

2.1 地表径流分析

径流系数是表征水文特征的重要参数，它是自然状态下地表径流量与总降雨量的比值[7]。城市中心区地表径流系数由0.3增长至近0.7，意味着超过一半降雨量需要通过雨水管网系统排除。SWMM模型可以模拟出各个子汇水区的降雨总量、下渗总量、地表径流总量等，得出该子汇水区的综合径流系数。分别采用不同暴雨重现期下的设计暴雨，模拟不同降雨强度下的降雨径流过程，进行地表径流能力分析。

具体结果见表2。

表2 不同降雨重现期研究区地表径流模拟结果 Tab.2 The simulation results of surface runoff in different return period

模型计算结果表明，下渗总量、地表径流总量都随着降雨强度的增加而加大，综合径流系数也呈变大趋势。但随着暴雨重现期的增加，下渗总量的增长幅度逐渐变小。近些年来，地表不透水面积比例变大，下渗和洼蓄的损失量减少，造成综合径流系数的增加，同时水流在城市不透水地表和管道系统中汇流时间较短，流速会变大，使洪水过程线峰现时间提前且洪峰流量变大。这样势必增加管道和下游河道的排涝负荷，这也是造成城市内涝的主要原因。

2.2 检查井溢流分析

龙岩市新城区管道设计标准基本都达到了2年一遇，但老城区早期设计的雨水管网标准低，大多数都低于1年一遇，局部地区甚至会出现一年2遇、一年3遇的情况。管网系统的改造未跟上城市建设的步伐，旧城区排水系统排水能力不足。根据龙岩市管道设计重现期，用SWMM模型分别模拟降雨重现期在0.5年一遇、1年一遇、2年一遇时，检查井的溢流情况。具体结果见表3。

表3 不同降雨重现期检查井溢流模拟结果Tab.3 The simulation results of manhole overflow in different return period

模型计算结果表明，在降雨重现期T=0.5 a、1 a、2 a，降雨历时为120 min时，研究区范围内有多处检查井出现了不同程度的溢流情况。当T=0.5 a时，部分检查井溢流持续时间超过1 h，已经造成了城市内涝。当T=1 a、T=2 a时，部分检查井溢流持续时间较长，而最大溢流持续时间达到了1.74 h，地面积水现象严重。

2.3 管道超载情况分析

在超过雨水管道设计标准的暴雨情况下，雨水管道系统将会出现超载甚至发生洪流现象，致使上游检查井积水，出现溢流，形成城市内涝。通过对模拟结果管道超载情况分析，可以找出长时间呈满流状态的管道，进而寻找发生满流的原因。分别对雨水排水系统设计重现期为0.5年一遇、1年一遇、2年一遇3种工况进行设计校核模拟，检查雨水管道排水系统在模拟时间为4 h(含退水时间2h)情况下的满流时间以及管道超载时间。

从模拟结果可以看出，当T=0.5 a时，出现满流状况的管段共有54段，最大满流时间为1.14 h，最大超载时间为0.85 h。当T=1 a、2 a时，出现满流状态的管道分别为74段、107段，最大满流时间为1.31 h、1.41 h，最大超载时间为1.07 h 、1.25 h。显然，随着降雨重现期的增大，管道排水能力明显下降。

3 雨水管网优化改造

3.1 管网排水能力不足原因分析

结合研究区管网现状及设计标准，总结管网排水能力不足的原因有以下几点：

(1)城市初期建设时设计的雨水管网排水标准较低。同时一些新建区的雨、污水就近排进旧城区的排水管网，加大了旧城区排水管网负荷，造成管道排水能力不足，造成内涝受淹。

(2)管道铺设不合理。部分上游管道的直径大于下游管道。在遭遇高重现期的降水时，由于下游管道直径偏小，排水能力受限，致使上游管道排水不畅，产生管道超载或漫溢。

(3)河水倒灌的影响。雨水通过管道就近排入河道，若管道出口底高程低于水位，受河道水位顶托，管道排水能力降低，管道内水流流速减小，导致城市低洼地区长时间积水成灾。

(4)下游管网未完全修建。由于路网建设先后不一，部分雨水排放系统下游排放口未能同期建成，雨水出水口系统不完善。

(5)部分地区地势低洼。个别低洼地区现状没有管道，或者是现状低洼区排洪沟尺寸较小，一降雨就产生积水。一些有管道的低洼地区，因可能承受周边地区的汇水而加大了排水压力，超过了管道的排水能力，因而产生地面积水。

3.2 管网改造效果分析

针对研究区管网存在的问题，模拟增大管径和改变检查井底高程同时进行的管网改造效果。结合研究区的地形地貌，对检查井溢水量较大、管道超载时间过长、内涝较为严重地区，以管径不小于300 mm为标准对管网系统进行优化改造。

表4、5分别列出了检查井高程改造以及排水系统管道改造数据。

表4 研究区检查井高程改造方案 m

运用SWMM模型重新模拟管道优化方案实施后，降雨重现期在0.5年一遇、1年一遇、2年一遇情况下，检查井溢流情况具体见表6。

模拟结果显示，通过对管道系统进行优化设计，在T=2 a的降雨重现期下，虽仍然存在部分检查井有溢流现象，但总溢流量比优化之前减少了76.1%；溢流检查井个数也比之前减少了57.7%。

由于研究区在长历时降雨条件下，遭遇20年一遇、30年一遇设计暴雨时，内涝较为严重，城市积水面积、积水深度、积水时间比较长，为了模拟管网优化方案对城市积水面积、积水深度、积水时间的影响，利用SWMM模型重新模拟20年一遇、30

表5 研究区排水系统管道改造方案 m

表6 管网优化方案实施后，不同降雨重现期检查井溢流情况分析Tab.6 The simulation results of manhole overflow in different return period(after the construction of drainage pipe scheme)

年一遇两种不同降雨重现期下龙岩市中心城区的排水能力。根据模拟结果，结合子汇水分区地形状况，确定节点溢流范围，通过溢流水量得到平均淹没水深，运用Surfer绘图软件绘制内涝积水深度与积水时间分布图，见图3和图4。

图3 20年一遇长历时暴雨内涝积水深度与积水时间分布图(管网规划方案实施后)Fig.3 Water depth and water retention time distribution at 5% frequency stromwater (after the construction of drainage pipe scheme)

图4 30年一遇暴雨内涝积水深度与积水时间分布图(管网规划方案实施后)Fig.4 Water depth and water retention time distribution at 3.33% frequency stromwater(after the construction of drainage pipe scheme)

模拟结果显示，管网优化后，将有效缓解城市内涝，能有效减少积水面积、地面积水深度和积水时间，实现研究区内涝防治的目标。

4 结 语

(1)由于城市内涝问题越来越制约着城市的可持续发展，构建适用于城市地区的集防洪、排涝、排水为一体的城市雨洪模型意义重大。以 SWMM模型为基础，因地制宜设置模型参数，结合实际资料加以率定改进，模拟计算分析城市雨水管网系统的排水防涝能力，也验证了模型在城市排涝与排水计算中的通用性。

(2)构建SWMM模型，分析地表径流、检查井溢流、管道超载情况，确定雨水管网系统的薄弱环节，结合研究区管网现状及设计标准，归纳排水能力不足的主要原因。依托模型定量确定的积水面积、积水时间、积水点数量等信息；提出管网优化方案对研究区城市排水防涝规划、调度以及城市防灾减灾措施具有重要意义。

(3)针对研究区内涝情形，除了采取管网优化措施之外，还需要基于海绵城市建设理念，结合GSI、BMPS等新型雨水基础设施与小型低影响开发设施来进一步提升排水能力。建议城市发展建设中，积极推行“海绵城市”建设理念，保证城市开发过程中水文效应变化适度。

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[1] 谢映霞.从城市内涝灾害频发看排水规划的发展趋势[J].城市规划, 2013,(2):46-50.

[2] 朱 靖,刘 俊,崔 韩，等.SWMM模型在西南地区山前平原城市防洪计算中的应用[J].水电能源科学, 2013,31(12):38-41.

[3] 车 伍,赵 杨,李俊奇，等.海绵城市建设指南解读之基本概念与综合目标[J].中国给水排水,2015,31(8):1-5.

[4] 周玉文. 城市排水管网事业面临的新挑战[J]. 给水排水, 2003,29(2):1-1.

[5] ASCE Manuals and Reports on Engineering. Design and Construction of Urban Stormwater Management Systems[M].New York:Water Environment Federation,1992.

[6] Lewis A Rossman．Storm Water Management Model User's Manual (Version5.0)[M]．Washington DC: USEPA，2009．

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