基于SWMM 的干旱區(qū)小城鎮(zhèn)雨洪系統(tǒng)研究構(gòu)想

吳曉楓，燕寧娜*

（寧夏大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，寧夏銀川 750021）

我國是一個干旱缺水嚴(yán)重的國家，水資源總量缺乏，但是每年雨季的時候都會面臨洪水的威脅。而洪水所導(dǎo)致的雨洪問題和城市排水問題在近些年越來越受到重視，傳統(tǒng)的解決方法在效率和成本上已經(jīng)不能滿足現(xiàn)在的要求。而當(dāng)前的軟件技術(shù)如SWMM（Storm Water Management Model），越來越受到青睞，其實時模擬和低成本特點是主要的優(yōu)勢。既能夠滿足需求，又可以對現(xiàn)狀雨洪建立模型，找出存在問題。

目前國外有關(guān)SWMM模型的研究主要集中在對模型參數(shù)設(shè)定、下墊面及模型的模擬效率中。國外研究起步較早，相關(guān)的理論具有很高的參考價值，對現(xiàn)在的研究具有很大的啟發(fā)性。國內(nèi)在內(nèi)澇排水模擬以及風(fēng)險識別、雨水管網(wǎng)設(shè)計、城市內(nèi)澇控制方面取得了一定的研究。但是在干旱地區(qū)小城鎮(zhèn)缺乏實際的參考案例，既缺乏政府政策資金的支持，又缺乏專家學(xué)者的研究。如何盡快改變這種不利局面，為干旱區(qū)小城鎮(zhèn)發(fā)展提供助力，同時更好地滿足其發(fā)展的多樣化、差異化的雨洪需求，有益于干旱區(qū)小城鎮(zhèn)健康發(fā)展與建設(shè)，是干旱區(qū)城鎮(zhèn)面臨的重要課題，也是干旱區(qū)推進(jìn)雨洪模式創(chuàng)新的重要舉措。本研究立足于本土，對干旱區(qū)小城鎮(zhèn)進(jìn)行雨洪研究有助于解決寧夏干旱區(qū)小城鎮(zhèn)雨洪設(shè)施存在的問題，有利于小城鎮(zhèn)健康快速的發(fā)展，滿足其雨洪需求，為城鎮(zhèn)化建設(shè)提供更加有力的保障。

1 研究區(qū)概況

銀川市鎮(zhèn)北堡鎮(zhèn)位于賀蘭山東麓，因為賀蘭山暴雨通常集中在7～8月份，所以鎮(zhèn)北堡鎮(zhèn)為了防范由暴雨產(chǎn)生的洪水，鎮(zhèn)區(qū)周圍建設(shè)了防洪設(shè)施。鎮(zhèn)區(qū)的西南建有防洪堤，防止鎮(zhèn)區(qū)受到洪水的威脅；鎮(zhèn)區(qū)的南部建有排洪溝，雨季來臨時利于洪水的排泄；鎮(zhèn)區(qū)的東南方向建有攔洪庫，存儲雨季大量的洪水。由此可見，鎮(zhèn)北堡鎮(zhèn)常年受到較大的雨洪威脅，對其進(jìn)行雨洪管理研究是必要的。2016年，寧夏銀川市鎮(zhèn)北堡鎮(zhèn)被評為中國第一批特色小鎮(zhèn)，如何在雨季不受暴雨的影響，從而達(dá)到特色小鎮(zhèn)可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)，是擺在眼前的一個迫切的問題。

2 雨洪模型發(fā)展現(xiàn)狀

19世紀(jì)末至20世紀(jì)中期，國外就針對雨洪模型開始進(jìn)行了研究，提出了一系列的水文水力數(shù)學(xué)模型，為水文學(xué)的發(fā)展奠定了厚實基礎(chǔ)。雨洪模型理論的發(fā)展時序如表1所示。

表1 雨洪模型理論發(fā)展順序

SWMM雨洪模型可以研究不同區(qū)域，通過選擇與研究區(qū)域相匹配的產(chǎn)匯流模型，根據(jù)輸入模型的暴雨過程線等氣象條件，對研究區(qū)域雨水產(chǎn)生過程、匯流過程、排水管網(wǎng)輸送過程進(jìn)行模擬。所以SWMM模型針對城區(qū)雨洪模擬和非城區(qū)雨洪模擬都是適用的。

發(fā)達(dá)國家從20世紀(jì)起開始研制數(shù)學(xué)模型，主要數(shù)學(xué)模型如表2所示。1971年，在美國環(huán)?？偸鸬闹С窒拢琈&E公司和佛羅里達(dá)大學(xué)共同開發(fā)了這款軟件。通過對雨洪形成過程、下水管道運輸過程、降雨流經(jīng)過程和降雨分析模擬等，使過程更加直觀化，有利于我們解決相關(guān)的雨洪問題。

表2 雨洪數(shù)字模型理論發(fā)展順序

3 研究內(nèi)容與實施方案

3.1 研究內(nèi)容

3.1.1 干旱區(qū)小城鎮(zhèn)雨洪系統(tǒng)背景與基礎(chǔ)數(shù)據(jù)研究。以城鎮(zhèn)雨洪系統(tǒng)為切入點，研究東南沿海、中部內(nèi)陸地區(qū)等小城鎮(zhèn)雨洪系統(tǒng)發(fā)展歷程及其各自的應(yīng)用。重點關(guān)注干旱區(qū)小城鎮(zhèn)的雨洪模式發(fā)展，借鑒其它區(qū)域城鎮(zhèn)雨洪系統(tǒng)發(fā)展的優(yōu)點，從而實現(xiàn)對干旱區(qū)小城鎮(zhèn)雨洪系統(tǒng)發(fā)展的整體把握。通過對研究區(qū)域進(jìn)行實地調(diào)研、使用測量儀器測繪地形圖、咨詢當(dāng)?shù)卣块T并收集相關(guān)規(guī)劃文本和圖紙等。通過對研究區(qū)域基礎(chǔ)數(shù)據(jù)資料的整合研究，確定干旱區(qū)小城鎮(zhèn)的基礎(chǔ)研究數(shù)據(jù)與參數(shù)。

3.1.2 干旱區(qū)小城鎮(zhèn)雨洪模型的應(yīng)用研究。以SWMM雨洪模型發(fā)展和演變?yōu)榛A(chǔ)，構(gòu)建鎮(zhèn)北堡鎮(zhèn)區(qū)的雨洪模型，并確定模型的參數(shù)。在建模過程中，以雨洪模型理論和研究區(qū)域?qū)嶋H情況相結(jié)合作為研究思路，以基礎(chǔ)數(shù)據(jù)搜集，研究區(qū)域的管網(wǎng)概化、子匯水區(qū)劃分為研究方法，從而建立鎮(zhèn)北堡區(qū)域內(nèi)的SWMM模型，來對不同暴雨重現(xiàn)期設(shè)計降雨進(jìn)行模擬。

3.1.3 干旱區(qū)小城鎮(zhèn)雨洪模型模擬結(jié)果驗證研究。針對SWMM模擬應(yīng)用的結(jié)果，通過近些年的實際雨洪數(shù)據(jù)來檢驗?zāi)M的結(jié)果，觀察是否與模擬結(jié)果契合度較高。如果二者結(jié)果存在較大誤差，則需要分析誤差出現(xiàn)的原因，并進(jìn)行參數(shù)修改和反復(fù)的模擬，直至誤差控制在允許的范圍內(nèi)。

3.1.4 干旱區(qū)小城鎮(zhèn)雨洪系統(tǒng)優(yōu)化策略研究。通過以上的研究，分析SWMM模型模擬結(jié)果。找出研究區(qū)內(nèi)的雨洪系統(tǒng)不同暴雨重現(xiàn)期存在的問題，提出具體可靠的改進(jìn)措施，針對系統(tǒng)存在的不足之處進(jìn)行改進(jìn)，提出雨洪系統(tǒng)優(yōu)化策略。

3.2 實施方案

3.2.1 資料收集分析。通過閱讀和梳理大量國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)資料和實際工程案例，同時對研究區(qū)域進(jìn)行實地測繪和調(diào)研，充分掌握研究區(qū)域的規(guī)劃數(shù)據(jù)和雨洪資料。并在前人研究成果的基礎(chǔ)上掌握SWMM雨洪模型的發(fā)展歷史與應(yīng)用的多樣化，從而比較不同區(qū)域雨洪模型應(yīng)用的特點與差異，尋找規(guī)律與特征。

3.2.2 研究區(qū)模型構(gòu)建。根據(jù)鎮(zhèn)區(qū)下墊面的實際情況，結(jié)合產(chǎn)匯流與排水特點，對鎮(zhèn)區(qū)進(jìn)行管網(wǎng)的概化。由銀川市暴雨公式和芝加哥雨型公式進(jìn)行計算，得出設(shè)計降雨。通過SWMM模型相關(guān)文獻(xiàn)資料和實際應(yīng)用案例獲取相關(guān)的運行參數(shù)，從而構(gòu)建研究區(qū)域的SWMM雨洪模型。

3.2.3 研究區(qū)模擬設(shè)置及分析。對模型進(jìn)行不同重現(xiàn)期降雨模擬，通過SWMM模型輸入模擬各暴雨重現(xiàn)期下雨洪系統(tǒng)的運行狀況。分析不同重現(xiàn)期下出現(xiàn)的不同情況，進(jìn)行總結(jié)從而得到該雨洪管網(wǎng)系統(tǒng)的運行規(guī)律。

3.2.4 提出雨洪系統(tǒng)優(yōu)化方案。SWMM軟件模擬結(jié)束后，檢查區(qū)域溢流和各管道運行情況。如果發(fā)生溢流和超載情況，則需要改變溢流點以下管道坡度與管徑，從而確定出最終的雨水管網(wǎng)布置、排水節(jié)點位置、管道形式等。總結(jié)之后提出研究區(qū)域的雨洪系統(tǒng)優(yōu)化方案。

4 結(jié)語

城鎮(zhèn)化的發(fā)展，帶給我們?nèi)招略庐惖某鞘酗L(fēng)貌的同時，也產(chǎn)生了一系列的城市問題。本文以時間發(fā)展順序為縱軸，對雨洪模型的各個時間階段模型的發(fā)展、國內(nèi)外SWMM模型的研究進(jìn)展進(jìn)行了分析研究。表明了近年來國內(nèi)外針對雨洪模型的研究多集中于南方多雨地區(qū)，一方面是雨洪壓力大，一方面是資金及項目資源和專家研究的投入；雨洪模型也多應(yīng)用于大城市的排水管網(wǎng)和內(nèi)澇防治；而應(yīng)用于干旱區(qū)小城鎮(zhèn)的雨洪模型研究較少，缺乏實際的參考案例。但是小城鎮(zhèn)猶如組成人體各種組織的細(xì)胞，細(xì)胞是否良性的發(fā)展就決定了人體組織是否健康，城市也是如此。所以文章以SWMM數(shù)學(xué)模型為抓手，提出將SWMM模型應(yīng)用在干旱區(qū)小城鎮(zhèn)的構(gòu)想，并制定了研究內(nèi)容和技術(shù)路線，確定了優(yōu)化方案和改進(jìn)模式。對于干旱區(qū)小城鎮(zhèn)雨洪模型研究，有助于解決寧夏干旱地區(qū)雨洪的問題，同時對于引導(dǎo)西北干旱地區(qū)的雨洪問題解決具有參考意義。

（收稿：2018-06-08）