基于SWMM的城市下墊面改變對(duì)匯流特性影響研究

劉 燦

(重慶交通大學(xué)，重慶 400074)

城市化發(fā)展迅速，原始流域地面條件變化巨大，地表下滲、產(chǎn)匯流等水文過(guò)程特征也發(fā)生了改變，對(duì)城市管道的行水過(guò)程帶來(lái)巨大壓力。原有的降雨徑流排放途徑與方法因城市化而改變，水文效應(yīng)也因此變化。同時(shí)，下墊面的改變對(duì)整個(gè)水文過(guò)程造成了無(wú)法逆轉(zhuǎn)的結(jié)果，主要體現(xiàn)在曾被植被攔截收留的降水徑流在現(xiàn)狀城市地面很快就被收集排放，少數(shù)城市排水系統(tǒng)無(wú)法滿(mǎn)足重現(xiàn)期較大降雨所產(chǎn)徑流，便會(huì)發(fā)生城市內(nèi)澇災(zāi)害，對(duì)人民生命財(cái)產(chǎn)造成威脅。下墊面不透水率增加會(huì)導(dǎo)致城市區(qū)域產(chǎn)匯流時(shí)間大幅縮短的現(xiàn)象，且城區(qū)蓄水、集水設(shè)施十分稀少，導(dǎo)致市政管道洪水峰值流量與均值流量皆有不同程度增加，受于排水系統(tǒng)的局限因素，城區(qū)遭遇洪澇頻數(shù)以及受災(zāi)程度會(huì)明顯增加[1-2]。

SWMM模型面世后經(jīng)多次完善升級(jí)[3]，前后完善和新增了模型功能，添加了低影響開(kāi)發(fā)模擬場(chǎng)景，使水質(zhì)模塊和水文水力模塊關(guān)聯(lián)度增加，提高了模型模擬準(zhǔn)確度，提供了更好的操作環(huán)境和界面，使其在城市雨洪模擬過(guò)程和水質(zhì)模擬等領(lǐng)域作用顯著[4]。模型徑流模塊可在獨(dú)立降水事件模擬基礎(chǔ)上進(jìn)行，添加多場(chǎng)次降雨事件達(dá)到連續(xù)降雨模擬的效果，通過(guò)布設(shè)管渠、蓄水池、排水口等設(shè)施并完成輸入數(shù)據(jù)、率定研究流域下墊面屬性參數(shù)[5]，便可較為準(zhǔn)確模擬降水—徑流等復(fù)雜水文過(guò)程，模擬出管網(wǎng)系統(tǒng)中匯水情況的動(dòng)態(tài)軌跡。排水系統(tǒng)作為模型輸送模塊的載體，承擔(dān)著輸送模塊對(duì)雨水輸送的演算過(guò)程的基礎(chǔ)作用，選定節(jié)點(diǎn)以及管道的基本參數(shù)，便可演算市政管道雨水傳輸過(guò)程中污染物的擴(kuò)散情況。全文利用SWMM模型模擬了重慶巴南區(qū)龍洲灣地區(qū)排水管網(wǎng)在不同暴雨重現(xiàn)期下的下墊面不透水率改變管網(wǎng)匯流及徑流系數(shù)變化情況，根據(jù)模擬結(jié)果，對(duì)城市小流域下墊面產(chǎn)匯流敏感性分析，找出影響徑流原因，提出降低城市徑流產(chǎn)生量的措施。

1 模型與模擬方法

1.1 模型簡(jiǎn)介

SWMM是美國(guó)環(huán)保署為了應(yīng)對(duì)市雨洪管理問(wèn)題所開(kāi)發(fā)的經(jīng)典模型[6]。運(yùn)用了坡面產(chǎn)匯流原理，利用圣維南方程組、非線(xiàn)性水庫(kù)等經(jīng)典理論。既可模擬地表徑流過(guò)程、排水管網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)，還可模擬各污染物在水流運(yùn)動(dòng)中擴(kuò)散情況。大量運(yùn)用SWMM模型工程報(bào)告表述，均取得較為良好的模擬效果[7]，在充足的資料條件支撐下，也可用于山地區(qū)域的雨洪模擬。在低影響開(kāi)發(fā)(LID)評(píng)價(jià)中，暴雨洪水管理模型也可模擬不同LID措施組合，根據(jù)研究區(qū)域的實(shí)況需求布設(shè)最佳適宜性措施，使居住區(qū)科學(xué)合理的滲透、雨水滯留，提升其應(yīng)對(duì)極端天氣的能力[8]。還可借助SWMM模型模擬不同低影響開(kāi)發(fā)措施方案對(duì)區(qū)域徑流污染擴(kuò)散情況[9]。劉含影[10]對(duì)比了水文、管網(wǎng)、水質(zhì)、成本經(jīng)濟(jì)4個(gè)方面下的LID措施方案，找尋了適合研究區(qū)域的的最佳選擇。Sun Yongjun[11]等人提出了海綿城市的灰色基礎(chǔ)設(shè)施向綠色基礎(chǔ)設(shè)施轉(zhuǎn)變過(guò)程中遇到的問(wèn)題及采取的措施，建議在建設(shè)海綿城市的過(guò)程中，不能簡(jiǎn)單地著眼于綠化指標(biāo)，忽視人與自然、自然與自然的聯(lián)系，在建設(shè)過(guò)程中考慮當(dāng)?shù)氐慕ㄔO(shè)現(xiàn)實(shí)，要因地制宜，系統(tǒng)科學(xué)地制定發(fā)展路線(xiàn)，才能有效利用海綿城市的效果，解決城市水資源可持續(xù)問(wèn)題。張恒[12]運(yùn)用Citespace軟件研究了SWMM模型是城市洪澇治理以及海綿城市建設(shè)領(lǐng)域熱點(diǎn)，同時(shí)建議健全海綿城市建設(shè)相關(guān)法規(guī)，加強(qiáng)對(duì)項(xiàng)目的配套運(yùn)營(yíng)維護(hù)。

1.2 模型建立

1.2.1研究區(qū)域概化

建模對(duì)象為龍洲灣B區(qū)，研究區(qū)域面積約為59 hm2，不同區(qū)域水文特征同異性并存，結(jié)合研究區(qū)域水文特征，將相似度較大，區(qū)別度較小的區(qū)域劃分在同一分區(qū)，并根據(jù)市政雨水管網(wǎng)分布、土地利用類(lèi)型、交通道路規(guī)劃設(shè)計(jì)等資料人工劃分8個(gè)子匯水區(qū)(見(jiàn)圖1)，對(duì)子匯水區(qū)的劃分還有泰森多邊形法，但研究區(qū)域地面屬性較為單一且占地面積小，因此，選擇人工劃分。分別為公園、廣場(chǎng)、房屋屋頂、硬化道路、人工湖，所占比例分別為14%、6%、39%、30%、11%，雨水由子匯水區(qū)收集經(jīng)排水管網(wǎng)匯集，流向PFK1，然后排至河流。

圖1 子匯水區(qū)模型概化示意

1.2.2模型參數(shù)確定

區(qū)域城區(qū)規(guī)劃建設(shè)完成后，地面產(chǎn)流為該區(qū)域的主要產(chǎn)流方式，少量產(chǎn)流為壤中流和地下產(chǎn)流。匯流手段先以坡面匯流為主，其次為市政管道匯流。上述確定的子匯水區(qū)屬性已定，綠植覆蓋率較低，降水之后的蓄水集水能力弱，下墊面糙率小。模型參數(shù)獲取方式有兩種，一是從市政管網(wǎng)圖以及用地規(guī)劃直接提取，如劃分后的集水區(qū)域面積、子匯水區(qū)平均坡度和特征寬度，市政管道大小形狀以及比降。另外一種便是根據(jù)子匯水區(qū)特征屬性所定，如洼蓄量、曼寧系數(shù)等參數(shù)，這些參數(shù)需要確定其物理意義及取值范圍，再查閱相關(guān)文獻(xiàn)經(jīng)驗(yàn)確定。

通過(guò)地勘資料與查閱相關(guān)文獻(xiàn)、手冊(cè)，確定子匯水區(qū)域主要參數(shù)(見(jiàn)表1)。

表1 子匯水區(qū)域主要參數(shù)

子匯水區(qū)采用霍頓入滲模型模擬降水入滲過(guò)程，由于降雨歷時(shí)較短(120 min)，蒸發(fā)忽略不計(jì)。由模型手冊(cè)和相關(guān)文獻(xiàn)確定土壤最大入滲率76.2 mm/h，最小入滲率為3.18 mm/h，衰減系數(shù)為0.000 6/h。

坡面匯流原理為非線(xiàn)性水庫(kù)法，聯(lián)立曼寧公式及連續(xù)性方程求解。下墊面不透水洼蓄深度2.54 mm，透水洼蓄深度5.08 mm，透水區(qū)域、不透水區(qū)域、混凝土管道糙率分別取值0.24、0.012、0.012。降雨歷時(shí)120 min，計(jì)算步長(zhǎng)為5 min。

1.2.3 SWMM模型參數(shù)率定與校驗(yàn)

運(yùn)用納什效率系數(shù)驗(yàn)證龍洲灣B區(qū)模型結(jié)果的合理性。

(1)

式中：

n——觀測(cè)值或模擬值的次數(shù)。

選取兩場(chǎng)具有代表性降水過(guò)程作為研究區(qū)域的模型驗(yàn)證數(shù)據(jù)，得到模型區(qū)域觀測(cè)實(shí)際徑流序列值和SWMM模型的模擬徑流序列值，通過(guò)(1)式計(jì)算模型的納什系數(shù)驗(yàn)證所建模型參數(shù)取值合理性及準(zhǔn)確性。

選定2018年6月30日和12月06日的2場(chǎng)降雨過(guò)程驅(qū)動(dòng)模型，并獲取實(shí)測(cè)徑流數(shù)據(jù)來(lái)校驗(yàn)?zāi)Ｐ偷膮?shù)取值可靠度。2場(chǎng)降雨的降雨信息以及徑流數(shù)據(jù)觀測(cè)數(shù)值和模擬數(shù)值如圖2～3所示。

圖2 20180630降雨、徑流模擬實(shí)測(cè)對(duì)比示意

通過(guò)計(jì)算，這兩場(chǎng)降雨的納什系數(shù)分別為0.84和0.77，大于0.7，說(shuō)明本次SWMM建模參數(shù)選取較為合理，可進(jìn)行下一步研究工作。

圖3 20181206 降雨、徑流模擬實(shí)測(cè)對(duì)比示意

2 基于SWMM模型小流域城市匯流分析

城市化布局后用地類(lèi)型突變，變化趨勢(shì)都是由原來(lái)透水性較強(qiáng)的原始地貌變?yōu)榱朔课萁ㄖ蓓?、宜居生活廣場(chǎng)和瀝青混凝土硬化道路等不透水地面。原始水循環(huán)產(chǎn)匯流條件被破壞，自然條件降雨、蒸發(fā)、入滲、徑流比例失調(diào)。城區(qū)不透水面積比例急劇增加，雨水流動(dòng)區(qū)域糙率變小，下滲量及壤中流減少導(dǎo)致水循環(huán)速度加快，產(chǎn)流到匯流周期過(guò)程縮短，徑流量增加。

模型利用運(yùn)動(dòng)學(xué)方法以及地面和渠化水流要素的組合來(lái)估計(jì)洪水，水力部分能夠通過(guò)穩(wěn)定流、運(yùn)動(dòng)波和動(dòng)力波3種方法來(lái)計(jì)算徑流，通過(guò)結(jié)合運(yùn)動(dòng)方程獲得的完整形式圣維南方程來(lái)執(zhí)行交匯處的水流路徑模擬。

2.1 研究區(qū)域雨形設(shè)計(jì)

研究區(qū)域雨形設(shè)計(jì)采用合成模擬法，運(yùn)用理論、半理論的經(jīng)驗(yàn)公式合成的芝加哥暴雨過(guò)程線(xiàn)法。

暴雨強(qiáng)度公式：

(2)

式中：

q——設(shè)計(jì)暴雨強(qiáng)度；

P——設(shè)計(jì)重現(xiàn)期；

t——降雨歷時(shí)；

A1、C、n、b——參數(shù)，根據(jù)統(tǒng)計(jì)方法進(jìn)行計(jì)算確定，若暴雨重現(xiàn)期不變且研究區(qū)域固定，A1(1+ClgP)則為一常數(shù)。

引入雨峰系數(shù)R描述雨峰的烈度以及定格峰前峰后降雨時(shí)長(zhǎng)并降低降雨峰值對(duì)降雨—徑流模型的影響。采納重慶市暴雨強(qiáng)度公式(巴南)，式(3)推求龍洲灣地區(qū)設(shè)計(jì)洪水，雨峰系數(shù)r為0.416。

(3)

2.2 城市小流域徑流模擬

徑流系數(shù)可反映降水深度—徑流深度隨時(shí)間變化而變化的瞬時(shí)關(guān)系，主要受子匯水區(qū)地形地貌、匯水坡度等因素影響。Sen Zekai[13]也提出了關(guān)于徑流系數(shù)的估算模型：

(4)

式中：

P——單位時(shí)間內(nèi)的降雨量，mm；

K——土壤飽和系數(shù)；

dP——單位時(shí)間內(nèi)的降雨量，mm；

dR——單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的徑流量，mm。

將芝加哥雨形合成的降雨數(shù)據(jù)導(dǎo)入到SWMM模型時(shí)間序列，運(yùn)行模型得到子匯水區(qū)域的徑流系數(shù)、排放口平均流量以及峰值流量(見(jiàn)表2)。由表2可知，由于暴雨重現(xiàn)期增大，地面下滲能力嚴(yán)重滯后于降水量，因此，徑流系數(shù)隨重現(xiàn)期增大而增大，人工湖ZMJ2變化更為顯著，對(duì)降雨進(jìn)行收集、攔截能力強(qiáng)，所以人工湖子匯水區(qū)徑流系數(shù)相對(duì)于公園、硬化路面及屋頂?shù)茸訁R水區(qū)較小。排放口峰值流量隨著暴雨重現(xiàn)期的增大而增大，但增長(zhǎng)速率逐漸降低，由最開(kāi)始的34.9%增長(zhǎng)率降低至4.2%，平均流量的增長(zhǎng)速率由38.1%降低至10.7%。

表2 子匯水區(qū)域徑流模擬成果 m3/s

3 小流域城市下墊面改變匯流分析

下墊面改變自然排水格局，導(dǎo)致區(qū)域雨洪調(diào)蓄能力下降，洪澇災(zāi)害頻發(fā)且受災(zāi)程度劇增，徑流系數(shù)作為雨洪管理模型重要參數(shù)，了解其變化大小及變化因素非常必要。本節(jié)以小流域城市下墊面的不透水率變化為因變量研究匯流特性的影響因素。具體變化為不透水率從75%上下浮動(dòng)20%，不透水率定值95%和55%，得到在5 a、20 a、50 a、100 a暴雨重現(xiàn)期下，子匯水區(qū)ZMJ1-ZMJ8的徑流系數(shù)的變化率及排放口峰值流量、平均流量的變化(如圖4所示)。

由圖4可知：在相同重現(xiàn)期，下墊面不透水率降低20%后的徑流系數(shù)變化大于不透水率增加的，且在重現(xiàn)期增大時(shí)，徑流系數(shù)變化在逐漸縮小。暴雨重現(xiàn)期增大，徑流系數(shù)變化受下墊面不透水率的增加或降低影響變小，由5 a重現(xiàn)期的12.7%變化率降至7.3%。

圖4 不同重現(xiàn)期下墊面改變徑流系數(shù)變化對(duì)比示意

通過(guò)圖5可知：下墊面不透水率由75%降至55%的條件下，暴雨重現(xiàn)期重5 a逐級(jí)遞增到100 a，排放口峰值流量同比降低了21.0%、16.2%、14.3%、8.6%。排放口平均流量同比降低11.3%、7.2%、5.8%、4.3%。

圖5 不同重現(xiàn)期下墊面改變排放口流量變化對(duì)比示意

同樣下墊面不透水率由75%升至95%的條件下，排放口峰值流量同比增加了16.6%、11.0%、5.8%、2.1%。排放口平均流量同比增加9.9%、6.3%、4.7%、3.4%。排放口峰值流量與平均流量變化規(guī)律與徑流系數(shù)一致，下墊面改變對(duì)低降雨強(qiáng)度影響十分巨大。

4 結(jié)語(yǔ)

1) 下墊面不透水率改變對(duì)小流域城市徑流影響巨大，對(duì)暴雨重現(xiàn)期短的降雨尤為明顯。因此，建議小流域城市設(shè)置生物滯留設(shè)施、雨水桶、透水鋪裝、綠色屋頂?shù)燃暝O(shè)施，可為城市增添“海綿”功能，在低強(qiáng)度降雨時(shí)，可起到收集雨水，節(jié)約水資源的效果，但此設(shè)施對(duì)高強(qiáng)度降雨徑流影響較小。

2) 不透水率增加使研究區(qū)域的排水壓力增大，徑流系數(shù)也會(huì)增加，不透水率降低，小流域城市流量相應(yīng)降低。但隨著暴雨重現(xiàn)期年限增加，不透水率的變化對(duì)峰值流量和平均流量的產(chǎn)生影響幅度變小。且不透水率降低20%比不透水率增加20%的徑流系數(shù)、峰值流量及平均流量變化更大，其原因是城區(qū)硬化下墊面75%不透水率已經(jīng)較高，再次提升不透水率，徑流效應(yīng)對(duì)此變化敏感度變低。