SWMM模型在城市排水防涝规划中的应用

曹万春

【摘要】采用SWMM模型对研究区内雨水管网进行系统概化研究，分别在现状和规划下垫面条件下，模拟了不同暴雨重现期下城市排水系统的运行状况，对模拟结果中低于设计标准的雨水管道进行重新规划设计，反复模拟校核，确保所有雨水管网满足设计重现期要求。结合城市地形，利用不同暴雨重现期长历时雨型对城市内涝风险进行模拟分析，提出超标暴雨的应对措施，为合理制定排水防涝方案提供科学依据，同时可供其他城市排水防涝系统规划参考。

【关键词】SWMM模型；城市排水防涝规划；内涝评估

【中图分类号】TU992

【文献标志码】A

1、引言

随着我国城市化进程的加快，城市下垫面硬质化越来越严重，加上极端气候的出现，城市内涝灾害事件频频发生，发生的范围越来越广，造成的危害也越来越严重。城市内涝很大部分原因在于在城市快速发展过程中，对城市排水防涝工作不够重视，排水管道建设标准过低，防治城市内涝的措施简单化，城市排水防涝规划不够科学合理。在排水管网规划设计中，一般仍采用传统的雨水设计流量计算公式，该计算方法在计算管道非压力均匀流存在一定的缺点，一方面难以根据降雨过程线计算管道流量过程，另一方面当管道处于超载状态（即压力流）或受水体水位顶托时，不能应用于管道流量计算。目前，很多发达国家已采用數学模型模拟降雨过程，把排水管渠作为一个系统考虑，并用数学模型对雨水管网进行系统规划管理。因此，利用模型对城市暴雨径流进行模拟研究，为城市排水防涝规划提供科学依据，是未来城市排水防涝规划的主要研究方向之一。

本文基于暴雨洪水管理模型（SWMM），对研究区内排水管网排水能力进行模拟评估，在不同暴雨重现期下对城市排水防涝系统进行能力评估，模拟分析研究区内两条主要排水河道连通的必要性，旨在为研究区制定排水防涝规划方案提供技术参考。

2、SWMM模型简介

暴雨洪水管理模型（SWMM）是由美国环境保护局（EPA）开发，免费向公众发布的一个动态降雨一径流水文水力模型，主要用于城市区域降雨径流水量和水质的单一事件或连续事件模拟。SWMM模型由水力、水质等不同计算模块组成，通过对城市雨水管网、河道、泵站等概化，根据城市特征合理选择相关参数，可以模拟不同时段任意时刻每个子汇流区域所产生的水量和水质，同时可模拟备管道和河道中流量、水深与污染物浓度等情况，用于指导城市排水系统的规划设计与校核，对城市不同条件的雨洪进行模拟和评价。SWMM模型近年来被广泛应用于指导城市排水防涝规划中。

在模型中，为反应不同类型的下垫面对降雨产汇流的影响，每个子汇水区域由透水区、有洼量的不透水区和无洼量的不透水区组成。对无洼量不透水区，降雨量即为净雨量；有洼量不透水区，净雨量为降雨量扣除填洼量。对透水面积除了填洼量的损失外，还有下渗损失，模型中提供了霍顿方程、格林一安普特方程和径流曲线数三种方法计算下渗量。管网中的水流模拟采用连续方程和动量方程模拟渐变非恒定流，模型中提供了稳定波、运动波和动力波三种演算方法。

3、规划区概况

3.1项目概况

规划区位于长江三角洲地区，东临长江，西接老山山丘，属于山丘平原缓冲交界地带。规划区域总面积34.5平方千米，是国家级新区的核心区域，区域内整体地势西高东低，高程在3.53-61.4米之间，珠西河以西地面高程多在10米以上且坡度变化明显。规划区域西侧受山洪影响，东侧面临长江洪水威胁，除西侧山丘区外，整体地势低于长江洪水位，排涝形势严峻。根据研究区地形特点、水系分布、水利工程布局、洪水特性将研究区分为三个排涝分区（详见图1）。西部山丘区地势自西向东递减，地形高差较大。雨水以自排为主；南部区和北部区地势平坦，属于沿江平原圩区，雨水主要由管网收集排入内河后，经雨水泵站抽排至七里河和城南河，而后排入长江。

3.2下垫面条件分析

研究区内现状建成面积约为38.2%，现状水面率约为7.6%，现状综合径流系数约为0.5。研究区未来将被打造成为国家级新区的核心区，是集历史文化休闲、国际健康服务、商务社交、科研设计和居住为一体的核心区域。城市他快速发导致区域下垫面的不透水性比例上升，导致雨水汇流时间变短，暴雨期间河道水位上升更快。同时，作为城市化核心区，河网间距过大导致排水路径过长，管道排水会受到河道高水位的顶托与倒灌，城市易形成内涝；汛期长江潮位、外河水位和山丘区泄洪的影响加大了该地区防洪排涝压力。为此，采用SWMM模型对该区域防洪排涝问题进行研究。

4、模型构建

4.1.1排水管网概化及子汇水区划分

采用GIS软件导入雨水主干管（包括管网节点）、河道，检查模型中管网的拓扑关系，设置水力模型参数（包括管道的埋深、坡度、粗糙度、河道的断面等）。规划区域内共概化雨水管线646段，总长约131.5千米，排水口83个，河道75条，总长约29千米，泵站8座。根据现状雨水管道分布、现状城市水系道路布局及地形坡度，以泰森多边形为基础，结合人工手动修正划分子汇水区，共划分了645个子汇水区，汇水总面积为31.9平方千米。

4.1.2相关参数设置

根据各子汇水区中透水性不同的各类用地比例，通过GIS加权平均计算各子汇水区的不透水率。子汇水区面积、坡度、宽度具有显著的空间特征，可以通过GIS对规划区的处理计算得到。本次采用动力波方法模拟管道中流量演算，采用霍顿下渗模型模拟降雨下渗过程。模型其他水文参数结合各子汇水分区特征及地勘资料，依据SWMM雨水管理模型用户手册而定。汇水分区参数设计取值如表1所示。

4.1.3设计暴雨

对该区域的暴雨强度公式采用芝加哥雨型进行拟合，雨峰系数取0.4，时间间隔为5分钟，则1年一遇、3年一遇、5年一遇3小时降雨量分别为51.4毫米、72.0毫米、81.6毫米、94.6毫米，雨峰强度分别为8.16毫米/分钟、11.42毫米/分钟、12.94毫米/分钟、14.99毫米/分钟。不同重现期、降雨历时3小时，雨峰系数为0.4的设计暴雨见图3。

城市内涝风险评估时，一般采用长历时降雨进行模拟（24小时）。由于研究区域长历时雨型的统计资料比较匮乏，本次模拟根据暴雨强度公式和《江苏省暴雨参数图集》的研究成果，得出该区域不同重现期情况下小时降雨量和日降雨量值，详见表2。然后根据《城镇内涝防治技术规范》附录C计内涝防治常用雨型选择SCS Ⅱ型降雨过程作为长历时雨型用于内涝防治设计重现期的校核，其降雨過程线见图4。

4.2模型模拟结果及分析

4.2.1管道排水能力分析

对区域内现状排水系统能力普查和评估的目的不仅在于评价目前的排涝状况，更重要的是预警城市遭遇极端天气带来的危害，是规划设计城市排水防涝系统的前提和依据。传统上排水能力评估可采用推理公式法对不同重现期降雨标准进行均匀流计算，将计算结果与现状管网进行对比获得。此类排水能力评估计算方法过于繁琐，需对雨水管网进行逐一计算核对，工作量较大，在规划范围较大时，雨水管网管段数量较多情况下无法做到一一计算核实。考虑到内涝风险评估与超标雨水应对系统规划计算的需求，本次采用水力模型进行一维管网水力模拟，通过不同重现期降雨标准下各管段的水力坡降线来评估雨水管网的排水能力。

我国排水系统设计时雨水管道内流态按满管均匀流考虑，计算设计流量时的设计水力坡度取管底坡度。重力管渠中，形成压力流但尚未溢出地面造成洪灾的水力状态定义为“超载”，一般当出现超载状态时，可认为管段流量超过设计能力。因此，在评估中，若管道出现超载状态，则视为该段雨水管道的排水能力不满足相应重现期设计标准。

分别采用1年一遇、3年一遇、5年一遇3小时设计暴雨对研究区内现状雨水管道的排水能力进行评估，其结果见图5，其中P为管道重现期。

模型评估结果表明，研究区现状排水能力在1年一遇以下的管网占32.2%，3年一遇以下的管网约占50.6%，3年一遇及以上管道约占49.4%，说明研究区雨水管渠排水能力略有不足。这主要是研究区南部属于老城区，现状雨水管道建设时间较早，设计时采用的设计重现期多为1～2年一遇，雨水管径在偏小，为600～800毫米之间。此外研究区北部区属于新建区，雨水管网敷设不完善，部分雨水管道服务范围较大，导致现状雨水管道重现期低于3年一遇标准。

部分现状管道设计标准偏低、规划不合理，管道排水系统的功能无法很好地体现，存在内涝严重的风险。根据现状雨水管道排水能力的模拟评估结果，对研究区内雨水管道重新进行规划设计，改造模拟结果中低于1年一遇的雨水管。根据研究区的用地、路网布局，对缺少雨水管网的路段进行规划布置，然后重新划分子汇水分区，构建研究区规划雨水管网的排水能力评估模型。根据规划雨水管网的模拟结果，改造低于3年一遇的现状雨水管网，对模拟结果中低于3年一遇的规划雨水管网，进行增大管径重新规划，然后重新构建研究区规划雨水管网的排水能力评估模型，直到研究区内所有的雨水管网满足3年一遇设计标准，北部区局部核心地区雨水管网满足5～10年一遇设计标准。SWMM模型对管网排水能力的评估结果，可直接作为排水管网规划设计的依据，使雨水管网的规划设计更加合理，提高城市排水安全性。

4.2.2内涝风险分析

在雨水管网排水能力评估的基础上，采用一维管网耦合二维地表径流模型，对研究区50年一遇设计降雨工况下内涝风险进行模拟和评估。根据积水深度，结合现状建设用地的重要性划分内涝风险等级，根据《城市内涝防治规划规范》可分为4个等级内涝风险区，分别为内涝低风险区（Ⅳ级，0.15米<现状最大积水深度≤0.3米），内涝中等风险区（Ⅲ级，0.3米<现状最大积水深度≤0.5米）、内涝较高风险区（Ⅱ级，0.5米<现状最大积水深度≤1.0米）和内涝高风险区（Ⅰ级，现状最大积水深度>1.0米）。研究区50年一遇降雨工况下内涝风险评估结果见图6。

根据水力模型内涝模拟结果，现状内涝风险区总面积约3.7平方千米，占研究区总面积11%。规划范围内涝低风险区、中等风险区、较高风险区和高风险区面积占研究区面积的比例分别为6.22%、3.35%、1.29%、0.21%。内涝存在较高风险主要集中在5个片区，结合现场调研得到的研究区内实际内涝积水区域，分析内涝积水或风险较高的原因，逐个片区提出降低内涝风险的规划方案。

结合模型管网排水能力分析和内涝风险评估分析，参考模型中河道水位、泵站流量的动态变化情况，对研究区内的水系、雨水泵站、雨水管道、综合管廊（雨水衙函、雨水调蓄舱）采取合理的规划措施后，可保证研究区应对50年一遇暴雨内涝积水基本消除。采用水力模型进行规划工况100年一遇超标雨水内涝风险模拟。针对超标准暴雨内涝风险区，结合规划用地布局，在有条件的道路两侧绿化带设置植草沟，作为应急行泄通道。充分发挥研究区内部分道路下综合管廊雨水调蓄舱空间作用，当遭遇超标准暴雨时，部分内涝积水可进入管廊雨水调蓄舱。暴雨洪峰通过后，管廊调蓄舱空间的雨水经排水渠或泵站就近排至河道。

珍珠河、城南河和七里河作为研究区内主要排水河道，其河道排水功能是否正常直接关系到研究区的排水安全。现状珍珠河和城南河未连通，采用水文水力模型概化研究区所在防洪圈范围内区域排水通道以及山洪泄洪沟，研究珍珠河与城南河是否连通对主要防洪河道以及山洪泄洪沟的排水影响，模型概化图如下图8所示。

模型工况：潮位采用长江100年一遇潮位（10.60米），降雨采用50年一遇24小时设计降雨（283.8毫米）。分别模拟维持现状（断开）、规划方案1（疏通暗涵）、规划方案2（新开挖河道）三种方案下，研究区内七里河、城南河、珍珠河水位变化情况，其结果如下图9-11所示。

由模拟结果可知，珍珠河与城南河是否连通，对七里河、城南河行洪水位影响不超过5公分，原因在于通江河道七里河、城南河断面过水能力足够大，其洪水水位主要受长江潮位影响，受珍珠河与城南河是否连通影响较小。现状七里河行洪能力能够满足排水要求，珍珠河与城南河连通后，可以增强水体流动性，改善研究区水生态环境，利于应急行泄调度。因此规划近期疏通珍珠河一城南河连通暗涵。考虑到研究区水面率不高，缺少水面生态空间，结合珍珠河连通段附近地块建设情况，远期具备条件可考虑新开河道连通珍珠河与城南河。

结论：

本文通过构建SWMM模型，考虑城市现状及规划下垫面，模拟分析不同暴雨重现期下城市排水管道的排水能力。找出不满足设计标准的排水管道，经过反复调整规划的排水管道，用模型反复模拟校验可保证城市排水管道满足设计标准，减少因排水管规划设计标准偏低导致的城市内涝，促进城市排水规划更加科学合理。

考虑城市地形标高，建立一维管网耦合二维地表径流模型，对长历时降雨条件下城市内涝风险进行模拟评估，利用评估结果调整规划方案。同时模拟超标准暴雨条件下城市内涝风险，结合规划用地布局，合理设置超标雨水行泄通道，防止城市在应对超标暴雨时出现严重内涝，威胁人民生命财产安全。

采用模型模拟分析了研究区两条主要排水河道连通的必要性，为排水规划方案的选择提供了科学的理论依据，可提高排水规划的专业性，增强实用性。