基于GIS(地理信息系统)的SWMM模型在城市雨水管网优化改造中的应用研究

肖国军， 张瑞峰， 杨高伟

(1. 西南交通大学， 四川成都 610031； 2. 中国建筑西南设计研究院， 四川成都 610041)

改革开放以来中国城市化速度举世瞩目，但是也暴露了众多的问题，城市内涝问题尤其突出。以往设计院的管网改造方法过于落后，主要是靠设计者的经验和实地考察的结果去做出优化方案。近年来，国内开始应用数字化模型分析研究有了新的进展，其中一种是利用GIS和SWMM建立数字模型[1、2]，ArcGIS具有强大的地理信息分析处理能力，可以对数字高程模型(DEM)进行分析处理，而SWMM是一个动态的降水-径流模型，主要用于单一降水下水质水量的模拟。笔者在这些研究成果的基础上进行工程实例(简州新城管网改造)应用。

1 模型建立

模型的建立需要依赖于对模型参数的收集，SWMM模型的建立所需的参数信息主要包括：降雨参数、子汇水区参数和管网参数[3](图1)。

图1 建模流程

1.1 降雨数据获取

暴雨的历时分布形式即雨型，是一个重要因素。研究表明，单峰雨型是主要形式，雨峰多在前中部，相对位置r在0.35～0.45之间，缺乏资料时可取r=0.4[4]。本文采用芝加哥雨型，芝加哥雨型是1957年Keifer和Chu根据强度-历时-频率关系得到一种不均匀的设计雨型，也称芝加哥雨型。该雨型平均雨强为：

(1)

则降雨过程的峰前雨型为：

(2)

峰后雨型为：

(3)

简阳市暴雨强度公式[5]为：

(4)

参数同上，可以得到芝加哥雨型瞬时降雨过程图和数据(图2)，时间步长取△t=5 min。

图2 简州新城芝加哥雨型降雨过程线

1.2 DEM的构建

DEM的构建常用的方法有两种：(1)采用带有高程数据的CAD地形图(可以是等高线或者高程点)。(2)可以通过遥感影像获取大面积的DEM，如美国的ASTER或法国的SPOT等，其采样距离有多种精度越高越准确。本文采用的是卫星遥感影像生成的DEM，因为原CAD地形图高程点不具备高程属性值构建DEM比较困难。文章采用8.32 m采样距离的卫星遥感高程数据，高斯克吕格投影，西安80坐标系，单位为m。考虑到路网对雨水的截留作用，要用路网对规划区进行分割，每个子块独立构建DEM[6](图3)。

图3 汇水区域DEM

1.3 集水区划分和参数提取

对于集水区域的对DEM进行流域数字特征分析的算法有很多如D8、Rho8、Fhro8等[7]，其中对小流域一般是采用的D8算法。但是，其应用前提条件是：DEM中没有洼地和尖峰。其操作如下：

(1)填补洼地。(2)流向分析。(3)坡度提取。(4)盆域分析。(5)集水点提取。

1.4 集水区和管网参数获取

经过处理后的DEM并不能直接反映到参数值上，需要进一步提取参数值。其中有些参数是根据资料和工程实际确定取值范围：管道曼宁系数0.014；渗透性粗糙系数0.013；不渗透性粗糙系数0.15；不透水洼蓄深度1.27 mm；透水洼蓄深度2.54 mm；透水曼尼系数0.1；无洼地蓄水不渗透性采用经验系数25 %。另一些则是通过GIS空间分析获得，具体如下：(1) 汇水区面积：统计出每个汇水区的面积。(2)平均坡度：通过对DEM进行表面分析，可以得到坡度栅格数据。(3)最长漫流路径：用水文分析工具得到每个汇水区最长漫流路径。(4)特征宽度：以汇水区面积除以最大漫流路径就得到特征宽度。(5)透水区和不透水区面积比：定义道路不透水面积比为92 %，商业用地不透水面积比为90 %，工业用地为65 %，绿地为15 %[8]。再用汇水区图层与土地利用图层进行区域分析可得到汇水区的平均不透水面积比。数据太多，笔者只列出了一部分与文章论述有关的数据，如表1所示。为了实现快速建模，笔者使用的是Waterdesk快速提取管网信息(图4)。

图4 汇水区域和集水点置

1.5 下渗模型选用

Horton入渗曲线和Green-Ampt入渗曲线是常用的径流计算方法[9]，但是参数很难获取。美国农业部土壤保持局研制的径流曲线模型——SCS-CN[10]得到了国际公认，SCS模型所需参数较少，数据获取相对容易，适用于缺乏资料的地区。其影响参数为径流曲线数(CN)，是一个综合考量参数，土地利用、水土保持、植被覆盖度和前期土壤湿度对径流曲线数有显著影响[11]。改参数依赖一定的主观性和经验，但是，就该工程而言，能够满足精度要求，因为该地区主要为商工业区，其CN值波动不大。经过比对查找，确定商业区CN值为81，工业区为75， 居民区为65，水泥路面为94，草地41。

表1 SWMM汇水区参数

2 模型分析

简州新城是规划的现代装备产业园，规划面积223 km2，年平均降雨量927 mm。选取简州新城一个商业核心区管网系统进行分析，该排水管网系统的排水口为P24，该管网体系位于商业核心区，体系比较复杂，有上下两处分流，分流节点按实际情况选择分模式(图5)。分别以2年、5年、10年暴雨重现期模拟分析，模型分析显示结果如表2所示，随着暴雨重现期的增大，发生溢流的井数目增多，入渗量与降雨量的比值逐渐降低，溢流量逐渐增高，径流系数也增大。

图5 管网概化

3 管网优化改造

本次管网改造不改变出水口高程，只改变坡度和管径分配方式。重现期选择10年，改造的基本步骤：(1)查看管道路径剖面图，观察管道和井负荷情况，找出负荷严重的管段。(2)针对管网系统重新做出合理规划，主要是对坡度进行合理的分配，负荷较大的管段给予较大的坡降，在溢流严重的的井下游给予高于平均坡降的值，溢流不严重的井给予低于平均坡降的数值。(3)调整上下游管径，负荷较大的管段给予更大的管径。改造效果通过管网排水口P24的排水量和管网体系的溢流情况对比说明。从图6中可以看出，改造之后的效果很明显，有效减少了管网的溢流总量和平均溢流量，出水口的排水能力也反映了整个管网体系的排水能力的提高，约为原来的4倍。可以看出管网排水能力的提高很明显，特别是应对洪峰流量时的能力(表3)。

表2 改造前管网系统模拟结果

图6 排水口P24流量对比

表3 优化改造后管网系统模拟结果

4 结束语

(1)ArcGIS对地形和水文特征的处理结果可以很好的耦合于SWMM，能够快速地建立起管网模型，能有效地服务于规划、设计和管网改造，具有高效性和可预见性等优点。但是，SWMM无法模拟地表径流情况，也没有考虑雨水渗漏的情况。

(2)从实践可以看出，我国的管网体系不合理，管网过于庞大，转输流量和管网服务面积过大，合理的管网规划优于盲目的增大管径增加坡度。

(3)我国城市不透水面积比过高，雨水渗透太难，使得径流系数比较大。这是每个城市的通病，从侧面反映出海绵城市建设的必要性。

(4)管道的坡降分配不太合理，设计不合理的管段容易造成雨水溢流。做排水规划时，应该充分考虑排水坡降的合理分配，在低凹地带和转输流量大的地带应该给予比较大的坡降。

(5)大管径接小管径。新老管段最容易出现这种情况，另外管网的设计最好由一家设计单位统一设计施工。