SWMM模型在城市雨洪中的應(yīng)用研究

劉愷華

摘要：以南陽市城區(qū)為研究對象，結(jié)合城區(qū)下墊面條件、不透水陸面特點以及下凹式綠地建設(shè)等，利用城市暴雨洪水管理模型（SWMM）研究其對城市建成區(qū)的暴雨洪水效應(yīng)，為水生態(tài)文明試點城市建設(shè)和海綿城市建設(shè)提供參考。

關(guān)鍵詞：城市雨洪管理；SWMM模型；雨洪效應(yīng)；海綿城市建設(shè)

1、研究區(qū)概況

本文以南陽市為研究對象，以南陽市地形為出發(fā)點，考慮降雨、截留和入滲、蒸散發(fā)、地下水等影響城市降雨徑流形成的因素，分析南陽市洪水的形成，對南陽市海綿城市的建設(shè)具有一定的指導(dǎo)和參考價值。

2、原理方法

暴雨洪水管理模型（SWMM）是美國環(huán)境保護(hù)署（USEPA）1971年開發(fā)并公開發(fā)行的一個動態(tài)降雨徑流模擬模型，主要用于對城市某一單一或長時間序列降水事件的水量和水質(zhì)進(jìn)行模擬。在世界范圍內(nèi)廣泛應(yīng)用于城市地區(qū)的暴雨洪水、合流是排水系統(tǒng)、排污管道以及其它排水系統(tǒng)的規(guī)劃、分析和設(shè)計，在非城市地區(qū)也廣泛應(yīng)用。

2.1SWMM模型

在SWMM模型中，一般將一個流域劃分成若干子流域，根據(jù)子流域的特點，分別計算其降雨徑流過程，最后通過全流域各個子流域的降雨徑流過程，計算出流域合成的降雨徑流過程。根據(jù)南陽市的城市統(tǒng)計部門提供：南陽市透水區(qū)域面積占全市面積的25.6%，半透水（混合）區(qū)域面積占34.7%，完全不透水面積占39.7%的建設(shè)特點，將其市區(qū)根據(jù)不同的下墊面因素，概劃為不同的子流域。

2.2模塊建立

1、坡面匯流及河溝匯流。根據(jù)城市集水面積資料，地理位置的幾何特征，區(qū)域內(nèi)的坡度、糙率、地面入滲率，采用曼寧公式及馬斯京根河道洪水演變過程而求得。

2、城市管網(wǎng)匯流。根據(jù)不滯流透水面積，城市管網(wǎng)分段直徑，區(qū)域的降水量，采用圣維南方程組求得，主要考慮城市的硬化率、城市管網(wǎng)的分段直徑、坡度、管網(wǎng)水深、長度、摩阻坡度等。

3、城市綜合排洪。綜合考慮城市天然透水面積而產(chǎn)生的坡面匯流及河溝匯流：城市不滯流透水面積及城市的硬化率產(chǎn)生的城市管網(wǎng)匯流，根據(jù)城市河網(wǎng)結(jié)構(gòu)，采用馬斯京根河道洪水演變過程，綜合考慮得出城市綜合排洪。

本研究區(qū)域的SWMM模型的建立，從而分析區(qū)域的SWMM模型降雨徑流包括坡面匯流、河溝匯流、城市管網(wǎng)匯流最后形成綜合城市排洪過程。

2.3模塊建立參數(shù)分析

1）、排放口出流實測

近2 0年南陽城區(qū)共發(fā)生10次大洪水，發(fā)生城市內(nèi)澇10多次，主要有2 000年、2009年、2010年三次大洪水較為典型，以2000年大水為例。

（1）降水量：2000年7月4日南陽市突降大到暴雨，平均雨量268.1mm，最大點雨量為醫(yī)圣祠遙測站315.3m m，最大2小時115.9mm，最大6小時181.0mm（見下圖南陽醫(yī)圣祠站降水量過程柱狀圖）。

（2）徑流量：經(jīng)資料綜合分析，確定前期土壤含水量為40mm，歷年實測北部涌河最大流量420立方米每秒，中心城區(qū)的梅溪河最大流量580立方米每秒，溫涼河最大流量380立方米每秒，下游水文站測得最大流量3240立方米每秒。

（3）洪水分析：以2000年“704”洪水為例進(jìn)行分析，此次雨洪具有雨量大、強(qiáng)度大的特點。從7月3日2時開始降雨到20時，2小時最大降水33.2毫米，除中心城區(qū)有少許積水外，其余無積水現(xiàn)象；20時至22時，整個南陽市降下大暴雨，最大11.5.9mm，中心城區(qū)大面積積水，23時溝滿河平，南陽水文巡測隊在南陽城

區(qū)各條河流進(jìn)行檢測，測得第一手資料。通過分析，2小時30毫米降雨，不會造成城市內(nèi)澇，中心城區(qū)的河道洪峰比周邊河道洪峰提前30分鐘到達(dá)，城市不滯流面積越大，越容易造成城市內(nèi)澇。

（4）洪水災(zāi)情：在南陽城區(qū)西北部為天然透水面積和滯流透水面積各占一半，雖然降雨量較大，降雨強(qiáng)度大，由于按照海綿城市建設(shè)要求，采用小區(qū)區(qū)域內(nèi)鋪設(shè)透水磚和采用下凹式綠地這兩種措施下，城市管網(wǎng)直徑較大，積水不嚴(yán)重；中心城區(qū)積水非常嚴(yán)重，南陽商場附近積水深度達(dá)1.5米左右，平均積水深度達(dá)1.0米左右，控制面積為36.4 Km2，造成嚴(yán)重城市內(nèi)澇。

2）模擬值進(jìn)行率定

根據(jù)洪水分析，城市排水管網(wǎng)的變化對其控制區(qū)域內(nèi)的產(chǎn)流量、下滲量以及洪峰流量有著較大影響。利用水文分析模塊率定SWMM（雨洪管理模型）模型參數(shù)，在研究區(qū)域上建立起不同分區(qū)特點和管網(wǎng)條件的SWMM工程，即滯流透水面積和滯流不透水面積的劃分。南陽市降水量P為38%的24h降雨過程為降雨輸入，進(jìn)行模擬分析。結(jié)果表明，受管網(wǎng)增加影響的子匯水區(qū)域下滲量有所減少，徑流量有所增加，洪峰流量增大，且洪峰出現(xiàn)時間提前。

3）兩種方法率定參數(shù)分析

本文針對城市暴雨徑流產(chǎn)流匯流的機(jī)理和過程，結(jié)合南陽市當(dāng)?shù)氐臍庀髿夂蚣暗乩項l件，對暴雨徑流調(diào)節(jié)的幾種方式進(jìn)行了比對研究，運用城市暴雨雨水管理模型（SWMM），結(jié)果表明，85年以后，隨著南陽城區(qū)的快速發(fā)展，區(qū)域雨水匯集時間提前30分鐘以上，洪峰流量增大3 5%左右，并對雨水收集儲存池的建設(shè)規(guī)模和經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行了優(yōu)化，為今后類似工程計算提供參考。

模擬值進(jìn)行率定，綜合考慮城市發(fā)展對雨洪的綜合影響，以前期降雨的損失量來考慮，城市雨洪的變化過程，是綜合因素?zé)o量綱的變化，模擬出雨洪的變化過程，用試算方法進(jìn)行推求，率定參數(shù)代表性不好。

3、結(jié)果與討論

通過以上兩種方法分析結(jié)果，采用城市暴雨雨水管理模型（SWMM），分析隨著城市發(fā)展，雨洪的變化規(guī)律，區(qū)域雨水匯集時間提前30分鐘以上，洪峰流量增大35%左右。

建立產(chǎn)流模型，對南陽市不同降雨頻率不同硬化綠化比例面積，分析計算了鋪設(shè)透水磚、下凹式綠地、建立人工蓄水池關(guān)于攔蓄雨水徑流、補(bǔ)充地下水、滯后匯流的影響，得出鋪設(shè)透水磚、下凹式綠地、建立人工蓄水池能有效的攔蓄雨水徑流和補(bǔ)充地下水，并使降雨匯流明顯滯后。

針對雨水的可調(diào)節(jié)利用，建立區(qū)域性雨水利用系統(tǒng)，分析研究雨水調(diào)蓄池在局部區(qū)域的應(yīng)用。根據(jù)多年的降雨資料的統(tǒng)計給出南陽市為代表性的城市雨水儲存池合理的規(guī)模和設(shè)計雨量值，并考慮良性水循環(huán)和徑流排放量。為類似地區(qū)的工程設(shè)計和施工提供有益的參考。endprint