浅谈SWMM模型在城市排水管网改造中的应用

张琳 史寻刚

【摘要】本文以北方某城市排水（雨水）防涝综合规划为例，讨论了SWMM模型在城市排水管网改造中的应用情况，案例以现状排水管网为基础，用SWMM模型模拟了不同暴雨强度下，道路积水情况，分析产生积水的主要原因及改造措施，为管网改造提供科学依据。

【关键词】城市排水防涝；SWMM；雨污合流；低影响开发

城市排水防涝系统是现代城市的重要基础设施，它对于确保人民生命财产安全、维持城市安全运行和改善水环境具有重要意义。然而，异常气候导致短历时、强降雨频发；下垫面条件的改变使得同频率暴雨下产流量增大；此外，水流逆坡、下游出口不明确、部分道路竖向规划不合理等现场导致部分路面大范围积水，同时由于缺乏与园林景观专业之间的相互协调，致使本可作为雨水滞、渗、调、蓄设施的天然绿地没能发挥其应有的作用，造成城市内涝积水，影响城市安全运行，对城市排水防涝系统提出了严峻挑战。

本文以北方某城市排水防涝综合规划为例，阐述了SWMM在城市排水管网改造中的具体应用。

1、模型概述

SWMM由美国环保署（United States Environmental Protection Agency，简称USEPA）在20世纪70年代开发，是最广泛应用于城市排水系统管理的模型之一。SWMM对雨水管、合流制管道、自然排放系统都可以进行水量、水质的模拟，包括地表径流、排水管网输送、贮水处理及与受纳水体的相互影响等过程，可广泛应用于各级城市排水系统的模拟。

2、模拟过程

2.1降雨规律分析与下垫面解析

2.1.1设计雨型选取

目前，雨型主要包括市政雨型和水文雨型。水文雨型最小时间间隔为1小时，雨型一般为24小时，主要用来模拟长系列、大流域的降雨。市政雨水最小时间间隔为5分钟，雨型一般为2小时，主要用来模拟短历时暴雨。由于造成城市内涝的多为短时强降雨，暴雨时间约为1至2小时，因此选择市政雨型进行内涝风险评估。

（1）雨型选择

目前国内外普遍采用的设计暴雨方法有芝加哥暴雨过程线法、Pilgrim and Cordery和Huff法等。其中，芝加哥法可由暴雨强度公示推求，方法简单可靠，国内外使用较多，且芝加哥法降雨雨型有较高的峰值，有利于检验城市排水防涝系统在最不利的短时强降雨下的负荷和风险，而且近年来各地短时强降雨频发，因此通过芝加哥暴雨过程线求得设计暴雨的时程分配。

（2）雨峰系数选择

雨峰系数r（0

2.1.2下垫面解析

在模型建立前，需要將研究区域划分成若干个子汇水区，再根据子汇水区的地表性质概化为透水区域与不透水区域，由于汇水区的划分受地形及地表覆盖的影响，因此本文利用Arc GIS软件按照屋面、植被、道路、水系、公共设施等类型分别对研究区域内地表类型进行解析，解析成果矢量图见图1：

2.2模型参数识别

2.2.1水文参数识别

水文参数主要是反应汇水区特征的参数，汇水区利用Arc GIS的水文分析工具，基于DEM数据进行划分，并结合卫星影像图进行边界的调整。

在本次建模过程中，根据调研所掌握的大量数据信息共概化2128个汇水区，要参数包括汇水区的面积，不透水率、宽度、坡度等，主要利用GIS方法对主要参数进行初步识别，并利用监测数据进行参数校核。参数识别结果见图2a。

2.2.2水力参数

管道水力数据包括管网系统和水系的高程和尺寸，本文主要从现状排水管网图（CAD）获取相关信息，同时对关键位置进行现场测量、校核，保障主干管网流向和高程与实际相符。其它包括地表洼地蓄量、Horton渗透量、管道粗糙度等参数均参照SWWM帮助手册进行设置。

2.2.3 模型参数率定

参数的可靠性是模型应用的关键，本文分别以研究区域污水处理厂入口流量、主要泵站流量以及易积水点等相关信息进行参数率定与验证。

（1）污水处理厂进口流量验证结果

通过对旱天污水排放过程的实时模拟，并利用最近年份污水处理厂日平均水量对管网模型进行旱天模拟评估计算，结果显示：污水处理厂旱天入口流量为0.89m3/s，计算得日流量为76896吨，实际统计平均值为76751吨，百分标准偏差为0.19%，模拟结果可靠。

（2）泵站流量验证结果

选取现有15座雨（污）水泵站中排水量较大的7座泵站进行模型的验证，由模型率定验证结果（表1）可以看出：研究区域现状管网模型除2号环泵站2013年8月7日（百分标准偏差34.3%）、5号泵站2013年6月24日（百分标准偏差-41.7%）数据外，其余泵站误差均在模型验证要求的0.7%-23.3%范围内，满足模型精度要求，模拟结果可靠。

（3）易积水点验证结果

利用现状管网模型分析1年一遇降雨强度下，积水深度>15cm，积水历时超过2小时的路段，并与历史调查情况进行比较，结果显示：历史调查发现22条易积水路段，管网模型模拟发现22条易积水路段，其中重合18条，结果证明模拟结果可靠。

总之，通过旱天污水厂进水量、主要泵站不同降雨情境下的排水量以及与历史易积水点的比较，均证明模拟结果可靠，可用于城市甲现状排水能力、内涝风险的评估和规划情景分析。

3、现状排水系统评估

参照《城市排水（雨水）防涝综合规划编制大纲》要求：即发生城市雨水管网设计标准以内的降雨时，每条道路至少有一条车道的积水深度不超过15cm，积水时间不超过0.5h，因此，模型分别对1-5年不同重现期下积水时间大于0.5h的积水点进行统计，分析各管段在现状管网及泵站条件下的排水能力。

根据管网模型现状排水能力评估，设计重现期小于等于1年的管长达74.85km，积水概率高达52.6%，因此设计标准偏低是城市内涝的首要原因；其次，通过内涝风险与径流系数分布，可以看出，城市化进程加快导致径流系数增加是城市内涝的重要因素之一；此外，部分高风险积水点处在较低径流系数区域或周边，说明不透水率并不是造成城区内涝的唯一原因，汇水区域面积过大、下游主干管网高负荷运行是造成内涝的另一主要原因。

小结：

通过对现状排水管网系统的模拟评估，得出以下结论：

（1）在现有管网系统和泵站控制条件下，有44%的管道重现期小于1年一遇，部分截污干管设计重现期偏低是造成下游雨水难以及时排出的原因，因此在后期管网改造或规划建设过程中，建议对管网系统进行系统分析、科学改造；

（2）大部易涝点或内涝高风险区径流系数在0.6以上，建议对附近城市公园、广场和道路绿地等进行低影响开发改造，减少径流排放量；对于涉及绿地率指标要求的建设工程，如公共建筑周边绿地与小区绿地、广场绿地等至少应有25%作为用于滞留雨水的下凹式绿地；配合景观设计，绿地面积的5%作为雨水花园；

（3）径流系数的主要影响因素为覆盖种类的透水性，除此之外，还和降雨历时、暴雨强度、暴雨雨型有關，后三者人为无法人为控制，可见覆盖种类的透水性是进行源头控制的主要切入点，因此建议，在建设用地的规划审批方面应严格把控。

总之，城市地表、排水管网、泵站和水系组成了完整的城市排水防涝系统，结构复杂，各种因素相互作用，无论是管网的设计、改造都可以应用模型对排水系统进行全过程的模拟，为城市排水系统规划、改造进行提供技术支持。

参考文献：

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作者简介：

张琳，陕西地建土地综合开发有限责任公司；

史寻刚，陕西地建土地综合开发有限责任公司。