余 嶸，趙 丹，劉淵博，嚴(yán) 程，逯佩寧, 赫雷剛(西安工程大學(xué)環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院，陜西 西安 710048)

近年來，城市內(nèi)澇現(xiàn)象出現(xiàn)的頻率增大，遇到強(qiáng)度較大的暴雨時，城市排水管網(wǎng)無法承受，不能及時排走，在城市低洼處極易形成積水，給居民和城市交通的正常運轉(zhuǎn)造成嚴(yán)重影響。因此，合理地設(shè)計城市雨水管網(wǎng)變得十分必要和緊迫。從20世紀(jì)70年代開始，美國等一些發(fā)達(dá)國家就開始使用數(shù)學(xué)模型模擬城市地表徑流對降雨的事件的影響，對城市防洪和管網(wǎng)進(jìn)行規(guī)劃和優(yōu)化[1]。我國2014年版《室外排水設(shè)計規(guī)范》也對數(shù)學(xué)模型的使用進(jìn)行了規(guī)范。規(guī)范中規(guī)定，當(dāng)匯水面積超過2 km2時，應(yīng)該考慮降水時空分布的不均勻性以及管網(wǎng)匯流的過程，雨水設(shè)計流量應(yīng)當(dāng)采用數(shù)學(xué)模型計算[1]。

目前，SWMM模型在我國的使用越來越廣泛，并取得了一些成果[2,3]。有學(xué)者從降雨徑流過程和降雨徑流總量兩個方面來驗證SWMM的準(zhǔn)確性，所得誤差在可接受的范圍之內(nèi)，證明了該模型的實用性[4]。

1 SWMM模型系統(tǒng)

SWMM模型，是一個目前廣泛應(yīng)用于城市暴雨徑流水量、水質(zhì)的模擬以及洪澇災(zāi)害預(yù)報的模型，用來模擬研究城市的降雨徑流和污染物的運動過程，包括地表徑流和排水管網(wǎng)中的水流，雨洪調(diào)蓄過程以及水質(zhì)的評價影響。

1.1 子流域的概化

SWMM模型中，一般將一個大的流域分割成若干個子流域，各子流域擁有各自不同的特性，根據(jù)特性的不同分別計算其徑流過程，并將最后計算的所有子流域的出流加以組合。各子流域可概化三個部分，有洼蓄量的不透水地表A1、無洼蓄量的不透水地表A2以及透水地表A3，見圖1。

圖1 子流域概化示意圖Fig.1 Simplified the sub basin network

1.2 地表產(chǎn)流過程

對于不透水的地表，在沒有滿足初損前，地表不產(chǎn)流，初損滿足后，雨水全部參與產(chǎn)流過程。對于透水地面，除了填洼初損外，還包括下滲的損失，SWMM模型中包括Horton模型、Green-Ampt模型和SCS模型3種方法用于下滲量的計算。

1.3 地表匯流過程

該過程是把各子流域的凈雨過程轉(zhuǎn)化成出流過程，它是把各子流域作為非線性水庫模型，通過聯(lián)立曼寧方程跟連續(xù)性方程來實現(xiàn)的。

1.4 排水系統(tǒng)演算過程

該過程主要包括輸送模塊和擴(kuò)展輸送模塊，通過求解圣維南方程組得出。

(2)

式中:W為子區(qū)域的寬度，m；n為曼寧粗糙系數(shù)；d為水深，m；dp為滯蓄深度，m；S為子區(qū)域的坡度，m/m；V為子排水區(qū)域總水量，m3；t為時間，s；A為排水區(qū)表面積，m2；i*為凈雨強(qiáng)度，m/s;Q為出流量，m3/s。

2 研究區(qū)域及模擬分析

2.1 區(qū)域概況

該區(qū)域為陜西省漢中市某鎮(zhèn)一住宅商業(yè)區(qū)，區(qū)域東西長750 m，南北寬486 m，面積36.48 hm2，地面高程500 m左右，平均坡度5‰，地勢平坦。區(qū)域地面硬化比例較高，不透水面積所占比例約為75.5%；區(qū)域規(guī)劃的排水體制為分流制，雨水經(jīng)南北走向的支管道收集至區(qū)域下方自西向東的主干管中，最終匯流至鎮(zhèn)區(qū)干溝河的雨水排放口PFK1，主管道長785 m，支管總長3 050 m，管道最小埋深1.2 m。

2.2 區(qū)域管網(wǎng)的概化

整個區(qū)域劃分為27個排水片區(qū)，36個節(jié)點，36條管道，1個排放口。具體如圖2、圖3所示。

圖2 土地使用規(guī)劃圖Fig.2 Land use plan

圖3 節(jié)點和管網(wǎng)概化圖Fig.3 Simplified node and pipe network

2.3 模型參數(shù)的確定

該模型所用參數(shù)使用2014年兩場降雨進(jìn)行率定，結(jié)合研究區(qū)域資料統(tǒng)計和特點分析選擇Horton公式進(jìn)行下滲計算。結(jié)合研究區(qū)域的土壤類型、地表特征，參考SWMM模型用戶手冊與國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)[5,6]，取最大入滲率f0=76.2 mm/h，最小入滲率f∞=3.81 mm/h，衰減系數(shù)α=2h-1。模型中的地面匯流過程運用非線性水庫法，其中的不透水地面的洼蓄量取2 mm，透水地面的洼蓄量取5 mm，不滲透性粗糙系數(shù)取0.015，滲透性粗糙系數(shù)取0.10，無洼地蓄水不滲透性取25%，管道粗糙系數(shù)取0.013。計算時間步長設(shè)置為60 s。

2.4 模擬情景設(shè)定

該片區(qū)可以采用漢中市暴雨強(qiáng)度公式:

(3)

式中：Q為平均降雨強(qiáng)度，L/(s·hm2)或mm/min；P為設(shè)計降雨重現(xiàn)期，a；t為降雨歷時，min。

芝加哥降雨過程線模型在排水系統(tǒng)中的應(yīng)用結(jié)果已經(jīng)得到很好的證實，張大偉、趙東泉等利用芝加哥降雨過程線對清華大學(xué)校園內(nèi)的一個排水系統(tǒng)進(jìn)行了模擬運算及分析，取得了良好的效果[6]。現(xiàn)利用芝加哥降雨過程線合成重現(xiàn)期為1、3、5、10 a的設(shè)計暴雨過程線，其中雨峰系數(shù)取0.4，降雨歷時取2 h。在芝加哥降雨過程線合成的模型中，暴雨重現(xiàn)期P反映了降雨強(qiáng)度的最大值，雨峰系數(shù)r決定著降雨強(qiáng)度最大值到來的時間。合成降雨情況見表1。不同重現(xiàn)期下排放口出流過程見圖4。

從表1中可以看出隨著重現(xiàn)期的增大，設(shè)計降雨量、峰值雨強(qiáng)、累計雨量均在增大。從圖4中可以看出，隨著暴雨重現(xiàn)期的增大，排放口的峰值流量分別為：2.4、4.5、5.4、6.7 L/s，經(jīng)計算重現(xiàn)期為3、5、10 a的降雨峰值流量比重現(xiàn)期為一年的峰值流量增加了87.5%、125%、179%，隨著重現(xiàn)期的增大雨水峰值流量也隨之增加，目前國內(nèi)排水管網(wǎng)的設(shè)計重現(xiàn)期相比歐美以及日本來說都較小，當(dāng)遇到更大強(qiáng)度的暴雨時，管網(wǎng)有可能因為過載而出現(xiàn)嚴(yán)重的溢流情況，因此設(shè)計人員在設(shè)計城鎮(zhèn)管網(wǎng)時應(yīng)做到未雨綢繆，采取一些必要的措施來增加雨水的下滲量，降低降雨過程的峰值流量。

表1 芝加哥降雨模型合成雨型Tab.1 Chicago rainfall model synthetic hyetograph

圖4 不同重現(xiàn)期下排放口的出流過程圖Fig.4 Different return period discharge outlet flow process chart

2.5 增設(shè)下凹式綠的和透水磚等LID措施改善下墊面條件

低影響開發(fā)(Low Impact Development, LID)是美國提出的一種雨水管理體系，通過分布式的截留及生物滯留措施，降低不透水性表面的面積，并通過延長徑流路徑、增加徑流時間的措施來實現(xiàn)對徑流的儲存、入滲以及地下水的補(bǔ)給，改變徑流排泄量的大小等，以實現(xiàn)城市雨洪資源化利用及河道生態(tài)環(huán)境保護(hù)功能[7]。

SWMM模型中可以明確模擬常見的幾種不同LID控制，其中包括滲渠、生物滯留池、雨桶、連續(xù)多孔路面系統(tǒng)以及草洼。添加LID控制時要注意，添加到子匯水面積后，地面的不滲透百分比要改為剩余的不滲透面積百分比除以非LID面積的百分比。下凹式綠地蓄集雨水的能力比普通綠地強(qiáng)很多[8]，透水磚也可大大增加硬化路面的透水性，對于雨水能起到很重要的調(diào)節(jié)作用，有效減小管網(wǎng)的排水壓力。

根據(jù)該片區(qū)的實際情況，采用兩種鋪設(shè)方式進(jìn)行對比分析。第一種方式在該片區(qū)下游及子面積7、8、27、17、26建設(shè)下凹式綠地，其余子面積鋪設(shè)透水磚。第二種方式在該片區(qū)上游及子面積1、2、9、13、18建設(shè)與第一種方式等面積的下凹式綠地，其余子面積鋪設(shè)等面積的透水磚。下凹式綠的深度設(shè)為0.1 m，基于所用地區(qū)面積的限制，設(shè)計LID子面積約占總面積的25%～35%。鋪設(shè)透水磚的地區(qū)設(shè)置透水區(qū)域的蓄水深度0.3 m，占子面積的20%左右。其余的參數(shù)選擇SWMM模擬手冊中的典型參考值[9,10]。

3 模擬結(jié)果分析

改善下墊面情況，增加下凹式綠地以及透水磚LID控制后，通過SWMM導(dǎo)出的數(shù)據(jù)合成了不同重現(xiàn)期下排放口雨水流量圖，見圖5、圖6，以及圖7不同重現(xiàn)期下采用LID控制后峰值流量削減率曲線。

圖6 不同重現(xiàn)期下排放口的出流過程圖(方式二)Fig.6 Different return period discharge outlet flow process chart(method b)

圖7 不同重現(xiàn)期下采用LID控制后峰值流量削減率曲線Fig.7 The LID control under different return period after the peak flow reduction rate curve

從圖5、圖6及圖7中可以看出兩種布置形式對排放口的雨峰流量均能起到削減的作用，且兩種布置形式對雨峰流量大小的削減量大小基本相同；重現(xiàn)期為1、3、5、10 a時，削減量分別為47.43%、25.50%、17.64%、10.32%，既隨著重現(xiàn)期的增大，削減率逐漸減小。

表2為不同重現(xiàn)期下各布置形式峰值流量發(fā)生時間表，從表2中可以看出，雖然兩種布置形式對雨峰流量大小的削減率基本相同但是當(dāng)下凹式綠地布置在下游時及方式一雨峰的到來時間比方式二要晚10 min，同時比現(xiàn)狀的峰值時間延遲30～40 min。所以布置方式一要優(yōu)于布置方式二。

表2 不同重現(xiàn)期下各布置形式峰值流量發(fā)生時間表Tab.2 Different return period the layout of the form of peak flow occurs schedule

由此可見，鋪設(shè)透水磚和建造下凹式綠地可有效控制洪峰流量的大小。從該小城鎮(zhèn)來看，基礎(chǔ)性設(shè)施建設(shè)相對落后，僅在主要干道上鋪設(shè)了雨水管網(wǎng)，隨著我國城鎮(zhèn)的發(fā)展，完善城鎮(zhèn)基礎(chǔ)型設(shè)施建設(shè)勢在必行，在目前城鎮(zhèn)沒有高度商業(yè)化之前提前規(guī)劃建造綠地與增加地面透水性顯得非常重要。

4 結(jié) 語

本文針對降雨資料記錄較少的小城鎮(zhèn)，以陜西某鎮(zhèn)為例，采用芝加哥降雨過程線合成不同重現(xiàn)期下的降雨過程，再利用雨洪管理模型(SWMM)模擬分析了增加透水磚鋪設(shè)面積和建造下凹式綠地相結(jié)合的兩種LID控制措施對該片區(qū)地面徑流帶來的影響。

對兩種不同形式的LID控制措施的布置方式進(jìn)行了模擬對比。模擬結(jié)果表明：采用透水磚以及下凹式綠地的方式改變下墊面情況，可以有效削減降雨峰值流量；在布置面積相同的情況下，在下游布置下凹式綠地的方式與上游布置下凹式綠地的方式對雨峰流量的削減率基本相同，但是下游布置的方式能延緩雨峰到來的時間。

利用SWMM模型可以模擬多種LID控制措施，為城鎮(zhèn)管網(wǎng)的優(yōu)化提供了可視化的指導(dǎo)，本文模擬了兩種LID措施相結(jié)合的情況，只針對該地區(qū)的土壤類型，建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬，對于其他地區(qū)的實用性還要具體問題具體分析。對于不同土壤類型，不同建筑布置方式，改變下墊面條件對改善雨洪的影響需進(jìn)一步研究。

□

[1] 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部. 室外排水設(shè)計規(guī)范(2014版)[S]．北京：中國計劃出版社，2014.

[2] 劉 俊，郭亮輝，張建濤，等．基于SWMM模擬上海市區(qū)排水及地面鹽水過程[J]．中國給水排水，2006， 22(21)：65-61.

[3] 叢翔宇，倪廣恒，惠世博，等，基于SWMM的北京市典型城區(qū)暴雨洪水模擬分析[J]．水利水電技術(shù)，2006，37(4)：64-67.

[4] 張 倩，蘇保林，袁軍營．城市居民小區(qū)SWMM降雨徑流過程模擬——以營口市貴都花園小區(qū)為例[J]．北京師范大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2012，48(3):267-281．

[5] Campbell C W，Sulivan S M，Simulating time-varying cave flow and water levels using the storm water management model[J].Engineering Geology,2002,65(8):133.

[6] 張大偉，趙冬泉，陳吉寧，等．芝加哥降雨過程線模型在排水系統(tǒng)模擬中的應(yīng)用[J]．給水排水，2008．34(3):355-357.

[7] DIETZ M E.Low impact development practices:A review of current research and recommendations for future directions[J].Water，Air，Soil Pollut，2007，186(4):351-363.

[8] 晉存田，趙樹旗，閆肖麗，等．透水磚和下凹式綠地對城市雨洪的影響[J]．中國給水排水，2010，26(1):40-46.

[9] Dietz M E，Clausen J C.Storm water runoff and export changes with development in a traditional and low impact subdivision[J].Journal of Environmental Management，2008，87(4):560-566.

[10] Bedan E S，Clausen J C.Storm water runoff quality and quantity from traditional and low impact development watershed[J].Journal and American Water Resources Association，2009，45(4)：998-1 008.