基于SWMM模型的某市防洪排涝体系探究

于海亮

(新民市水利事务服务中心，辽宁 沈阳 110300)

1 SWMM模型原理

暴雨洪水管理模型(SWMM)是一个动态降雨-径流模拟模型，用于模拟单一的城市降雨过程，并模拟一段时间内的水量和水质。SWMM模型可用于研究城市径流引起的一系列水文过程，包括时间和空间上的降雨、通过排涝管与地下水交换和坡面汇流等。还可以校准管道排涝系统，河流排涝模拟的分析和计算，以及整个城市排涝系统的分析与模拟。SWMM模型可以根据研究区域的实际管道排涝情况使用，将城市区域划分为子流域，并将每个子流域按地表划分为三类即为无洼蓄的不透水区、有洼蓄的不透水区和透水区。在计算径流时，这三个部分的径流之和被认为是整个流域的总径流。对于没有洼蓄的不透水区域，使用降雨作为径流；对于有洼蓄的不透水区域，将降雨量和洼蓄填充量之间的差值用作径流；对于可渗透地区，可以使用径流曲线数-渗透模型来计算径流。在地表径流计算中，三个子流域可以被视为非线性水库计算，总体连续性方程和曼宁公式将子流域的产流过程计算转化为径流计算[1-3]。

2 区域SWMM模型构建

2.1 区域概述

某市研究地区面积为150 km2，该地区年降雨量较大，降雨历时短强度高，空间和时间变化大。城市地区建筑密集，人口稠密，市中心狭窄的人行道和道路使其难以扩展并纳入更多的草坪和开放空间，而市中心的不透水面积正在逐渐扩大。由于河流下沉、城市部分地区的土地沉降、非常陈旧的排涝网络和排涝系统的设计标准较低，短时间的暴雨也会造成城市地区的洪水。

2.2 SWMM模型模拟

使用SWMM模型对城市的洪水排涝体系进行了分析。在模拟之前，详细了解子流域，以获得有用的子流域信息，确定模型参数。

2.2.1 子流域情况

研究区的主要排涝网络是以道路为导向的，包含了主干线的详细信息，但没有包含分支的信息。由于研究区的规划较早，许多管道的位置和排涝方向尚不清楚。本研究目的主要是分析区域内主要管道的防洪和排涝能力，根据排涝管网的数据，将研究区的防洪排涝系统分为820条干管和891个观测点，并参考相关部门现有雨水网集水区分布图，将整个汇水区划分为620个。

2.2.2 SWMM模型参数

首先，使用雨水工程状态图和土地利用模式图获取研究区域内的子集水区面积、特征宽度、防渗面积百分比、管道形状、管道长度、直径大小、平均坡度和井底高度的信息。然后使用GIS软件对这些信息进行编译，在1∶1000地形图上，包括研究区域的等高线、集水区的坡度以及检查井和管道的地面高程。利用Horton入渗模型模拟降雨的入渗过程，采用动力波法描述排涝管道中的流动，采用非线性水库法对三个子流域的汇流进行计算，模型计算相关的参数见表1。

表1 模型计算相关参数

SWMM模型的其他相关参数主要来自SWMM模型手册和相关文献，并根据研究区的概况进行了修改。

2.2.3 SWMM模型参数率定

观测了15个不同降雨模式分布的降雨数据，以此确定模型参数。首先，将观测到的降雨量数据输入SWMM模型，然后将测得的内涝数据与内涝计算结果进行比较，确保所使用的降雨淹没模型满足城市防灾研究的要求，实际涝灾区和模拟涝灾区比较见表2。

表2 内涝模拟区与实测区积水面积对比

模拟结果表明，模拟积水面积与实测积水面所计算的误差很小，大体上反映了实际情况，可以对子流域进行归纳，在模型中选择模型参数值，模型得到的模拟结果可信度很高。模拟面积小于测量面积的原因主要为：

(1)模型只概括了主要的管道系统，未模拟小的管道系统或模拟堵塞的管道系统。

(2)研究地区降水站数量较少，很难确定降水分布情况，而且城市雨量的空间分布不均，即使雨量相同，也会造成不同的洪水[4-5]。

(3)本研究中的实际洪水数据是测量的，部分是估计的，因此存在误差。

2.3 SWMM模型模拟结果

2.3.1 管道排涝能力确定

分析重现期为5.0 a、3.0 a、2.0 a、1.0 a和0.5 a，降雨持续时间为150 min，将暴雨资料输入SWMM模型，以此分析管道的排涝能力，并模拟包含退水时间在内的降雨径流过程，包括降雨径流持续时间(共4 h)。该模型的模拟分析确定了在暴雨期间管道超载的部分，并为估计管道的排涝和防洪系统的能力提供了依据，模拟结果见表3。

表3 管网排涝防涝模拟

由表3可见，研究区域内27.86%的排涝管在不同程度的超载情况下运行，管道直径小，在遭遇1a一遇的设计降雨量时，管道中的水流具有很高的充满度。表明研究区的排涝管道设计并不完善，有的管道不符合设计标准，一些管道位置太低，无法充分利用防洪和排涝系统的功能[6-8]，可能导致研究区域发生严重洪灾。

2.3.2 内涝风险

该模型采用的暴雨重现期分别为30 a、20 a、10 a和5 a(24 h设计暴雨)，并使用相同的设计暴雨来计算市中心和城市上游山地的径流量。由暴雨求得设计洪水，并将其作为雨水管理模型的上游边界条件；水文计算可以在较大的流域上进行，获得下游出水口的设计洪水位，并作为下游边界条件，对中部地区的洪水进行模拟。成果详见表4。

表4 各个暴雨重现期中心城区内积水面积情况统计

由表4可见，随着城市暴雨频率的增加，被淹没的面积也在增加，而积水深度也在继续增加。城区30 a一遇、20 a一遇、10 a一遇和5 a一遇的暴雨重现期平均深度分别为44.9 cm、37.7 cm、26.8 cm和8.5 cm，最大深度分别为115.0 cm、99.0 cm、72.0 cm和60.0 cm。SWMM模型的模拟结果还显示，一些站点的降雨深度较大，累积时间较长。详见表5、表6。

表5 不同暴雨重现期城区积水持续时间观测点数量

表6 不同暴雨重现期内城区积水深度的观测点数量

由表5和表6可见，暴雨重现期的增加，观测点的积水数量也随之增加，其持续时间也在增加。在30 a一遇的暴雨中，有48个观测点的积水时间超过30 min，91个观测点的积水超过10 cm；在20 a一遇暴雨中，有41个观测点积水时间超过30 min，80个观测点积水超过10 cm；在10 a一遇暴雨中，有29个观测点积水时间超过30 min，53个观测点积水超过10 cm；在5 a一遇暴雨中，有29个观测点积水时间超过30 min，17个观测点积水超过10 cm。

2.4 内涝措施缓解研究

由模拟结果可知，老城区编号J35、J60、J95和J170四个节点，淹没较为严重，这是老城区洪水风险总体较高的主要原因。模拟结果详见表7。

表7 老城区涝灾模拟结果

从相关部门了解，老城区的新老建筑高低大体相同，新建筑的地基比旧建筑的地基高，这很容易导致内涝。老城区排涝管道在原先设计时其重现期相对较低，而且新城区的部分雨水管道和污水管道与老城区的排涝管网相连，老城区的雨水管道和污水管道容易出现过大的压力和积水，当强降雨发生时，主要的排涝管道无法满负荷运转。此外，老城区有非常好的基础设施，对原先的管道很难进行改造，因此，有人提议在老城区建立一个深层储水设施。在老城区难以降低排涝水压的区域和地段，安装排涝泵站，以缓解老城区的洪水和排涝问题。模拟建设一个蓄水池，并以10 a一遇的暴雨(假设为24 h暴雨)为例，对老城区的洪水进行了模拟，可使J35、J60、J95和J170四个观测点的淹没深度分别降低63.50%、67.75%、64.42%和67.70%，因此，可以看出，建造蓄水池可以减轻排涝管网的压力，减少老城区的洪涝灾害。

3 结 语

本文通过SWMM模型模拟某城市地的洪涝容易发生的地区，并获得该城市防洪和排涝系统的综合模拟结果。通过量化城市地区被淹没的时间、被淹没的面积和被淹没的观测点数量来获得数据。该研究对城市内涝和排涝规划、防洪规划和城市防洪具有一定的参考价值。然而，由于涉及的数据量很大，模拟的工作相对复杂，使得模型的概化更加困难，未来的建模研究应进一步探索实用的模型，以有效概化城市防洪排涝系统。