應(yīng)用SWMM對意式風(fēng)情區(qū)排水管網(wǎng)防澇分析

張鵬

（天津市水務(wù)綜合行政執(zhí)法總隊，天津 300074）

1 意式風(fēng)情區(qū)概況

意式風(fēng)情區(qū)位于天津市河北區(qū)海河沿線，緊鄰天津站交通樞紐，是天津乃至全國唯一的以意大利建筑風(fēng)格為主的區(qū)域，曾經(jīng)是意大利租借地，現(xiàn)為4A級風(fēng)景區(qū)。該區(qū)域?qū)儆跍貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候，雨水主要集中在6—8月，其降雨量約占全年的75%。

意式風(fēng)情區(qū)占地面積約28.45 hm2，地面標高平均為3 m左右，地勢平坦，平均坡度在0.1‰～0.3‰。該區(qū)域內(nèi)雨水管道總長度為6368 m（除支管長度外），合流管道總長度為4566 m，污水管道管徑為400～600 mm，雨水管道管徑不超過1000 mm，有檢查井2000余座、出水口3個［1］。

由于意式風(fēng)情區(qū)特殊的歷史原因，區(qū)域內(nèi)管道管徑相對較小，合流制管道與分流制管道并存，且管道設(shè)計標準低，不能滿足現(xiàn)有雨水排放的需要。該地塊內(nèi)建筑物比較多，而且道路以景觀石材道路為主，這就減弱了下墊面的滲水能力，增加了排水管網(wǎng)瞬時排水壓力，壓縮了峰現(xiàn)時間，并且加大了地表徑流量的峰值，以至于在暴雨情況下排水管道溢流、積水現(xiàn)象時常出現(xiàn)。

2 水力模型簡介及降雨過程線計算

2.1 SWMM水力模型簡介

暴雨管理模型（SWMM）于1969—1971年由美國環(huán)保署（EPA）資助開發(fā)，標志著城市排水計算機建模的開端。該模型主要用于模擬城市降水與徑流的動態(tài)變化，分析單一降水事件或者中長期的水質(zhì)變化規(guī)律。SWMM根據(jù)排水系統(tǒng)的水流特性，將系統(tǒng)劃分為地表徑流和管網(wǎng)匯流兩部分，通過使用非線性水庫模型和圣維南方程來模擬［2］。目前，該模型主要應(yīng)用于城市防洪排澇的規(guī)劃和優(yōu)化方面。

2.2 降雨過程線計算

本文采用芝加哥合成降雨過程線法，結(jié)合天津市暴雨強度公式來計算模擬研究區(qū)域的降雨情況。根據(jù)《天津市雨水徑流量計算標準》，參考流域分區(qū)及暴雨特點，意式風(fēng)情區(qū)所在的河北區(qū)屬于第Ⅰ分區(qū)，其所對應(yīng)的天津市暴雨強度公式為：

式中：q為設(shè)計暴雨強度[L/（s·m2）]；t為降雨歷時（min）；P為設(shè)計重現(xiàn)期（a）。

雨水管渠的降雨歷時t按下式計算：

式中：t1為地面集水時間（min）；t2為管渠內(nèi)雨水流行時間（min）。

3 管道排水能力分析

選取重現(xiàn)期P為1、3、5、10、30、50 a不同降雨強度，降雨歷時為120 min，分別對管道排水能力進行模擬，得到不同重現(xiàn)期管道超載及積水情況，詳見表1。由表1可以看出，重現(xiàn)期1 a的降雨，部分路段出現(xiàn)超載，個別節(jié)點有少量積水；隨著降雨量的增加，超載管道隨之增加，積水節(jié)點數(shù)及積水超過0.5 h的節(jié)點明顯增多，積水深度呈階梯型遞增。當重現(xiàn)期為3 a時，積水超過0.5 h的節(jié)點超過50%，出現(xiàn)成片積水；當重現(xiàn)期達10 a時，已經(jīng)有一半數(shù)量的管段發(fā)生超載，積水成片現(xiàn)象大面積出現(xiàn)，且退水緩慢。因此，意式風(fēng)情區(qū)整體排水管網(wǎng)設(shè)計標準偏低，不能負荷暴雨及特大暴雨。

表1 不同重現(xiàn)期管道超載及節(jié)點積水情況

由于意式風(fēng)情區(qū)建成年代久遠，根據(jù)當時的排水量和技術(shù)水平，大部分雨水管道的設(shè)計年限在1～3 a。其中，設(shè)計重現(xiàn)期為1 a的管道有4865 m，占76%；設(shè)計重現(xiàn)期為3 a的管道有850 m，占14%；設(shè)計重現(xiàn)期為5 a的管道只有653 m，占10%。從這些數(shù)據(jù)明顯看出，排水管道設(shè)計標準低是影響該地區(qū)降雨時管道排瀝能力的主要原因。因此，降雨時易產(chǎn)生內(nèi)澇。

4 積水節(jié)點分析

根據(jù)模擬結(jié)果可知，在各個重現(xiàn)期內(nèi)發(fā)生積水節(jié)點最早、積水最多的路段都在建國道上，在遇到10 a以上大暴雨時，這些積水節(jié)點溢流時間都超過1 h。在2018年7月23日天津特大暴雨中，該路段的積水最為嚴重且退水時間很長，甚至發(fā)生井蓋頂托現(xiàn)象。下面，以建國道作為典型積水區(qū)域進行模擬，分析積水原因。

4.1 積水點分析

不同重現(xiàn)期建國道上積水節(jié)點數(shù)目的統(tǒng)計情況，詳見表2。由表2可知，在不同重現(xiàn)期條件下，隨著降雨量的增大，積水節(jié)點個數(shù)也在遞增，積水面積增大，并且發(fā)生積水的時間在提前，積水消退的時間在延長。這些都會造成積水面積增大，積水時間持久，極易發(fā)生內(nèi)澇。根據(jù)模擬結(jié)果得出易發(fā)生積水且積水時間最長、積水深度最深的節(jié)點都集中在建國道上，這也與實際情況相符。

表2 不同重現(xiàn)期建國道積水節(jié)點數(shù)

4.2 積水管段分析

選取建國道排水管段進行某一重現(xiàn)期的模擬運行，重現(xiàn)期P為10 a，步長為10 min。由于數(shù)據(jù)眾多，本文只選取具有代表性的6個節(jié)點、6段管段和1個排水口進行排水分析。6個節(jié)點包括Y57、Y58、Y59、Y60、Y61、Y62，6段管段包括YPCK3—Y60、Y60—Y59、Y59—Y58、Y58—Y57、Y57—Y62、Y62—Y61，排水口為YPCK3。降水30 min時，建國道排水管段水位剖面線如圖1所示。該圖展示了建國道排水管道水位在降雨過程中的動態(tài)變化。

圖1 降水30 min時建國道排水管段水位剖面線

在降雨的前10～20 min，隨著降雨量的增加，管內(nèi)流量增加，排水口附近接近滿載；降雨30 min，雨量持續(xù)增大，管道全線溢流，除節(jié)點Y60外，其他節(jié)點均積水；降雨40 min，即將到達雨峰，節(jié)點全部積水，管道全線溢流；降雨60 min，管道溢流達到最大值，節(jié)點全部積水；降雨80 min，管道溢流在下降，積水開始消退，但是節(jié)點還全部積水；降雨120 min，降雨結(jié)束，沒有管道溢流，但是管道內(nèi)還是超載，節(jié)點積水還未完全消退。

5 管道超載分析

通過模擬分析發(fā)現(xiàn)，區(qū)域內(nèi)多條管道出現(xiàn)長時間的超載和溢流，嚴重影響整個排水系統(tǒng)的運行［3］。不同重現(xiàn)期管道超載情況詳見表3，由表3可以看出，重現(xiàn)期越大，管道超載越嚴重，積水的道路越多。

表3 不同重現(xiàn)期管道超載情況統(tǒng)計

分析超載管道溢流原因如下：進步道為管徑1650 mm的大型雨水管道，由于多條道路雨水匯集于此，瞬時流量增大，造成超載。雖然管道內(nèi)超載，但是由于過水能力強沒有造成溢流或者積水。而建國道、民生路、民族路、民主道路段由于管徑小，只有600 mm，所以在同樣降水情況下，管道無法承受超過設(shè)計很多的水流量，超過承載負荷造成溢流。

通過對意式風(fēng)情區(qū)排水管網(wǎng)的模擬分析，得出建國道、民生路易積水路段及積水點位。這為今后制定意式風(fēng)情區(qū)防汛預(yù)案以及在日常排水設(shè)施養(yǎng)護中將其作為重點防控對象，防止內(nèi)澇發(fā)生提供了數(shù)據(jù)支撐。

6 防澇改造措施

6.1 改變排水體制

合流制管道已經(jīng)不能適應(yīng)快速發(fā)展的社會需求。意式風(fēng)情區(qū)屬于4A級景區(qū)，有很多保護建筑，近期暫時無法進行分流制改造，但雨污分流是徹底改造排水系統(tǒng)的必然趨勢［4］。

6.2 改造原有管道

改造管道一般為改變管道管徑，將原有的小管徑管道更換為大管徑管道，增加斷面流量，從而提高排瀝能力，避免內(nèi)澇的發(fā)生［5］。由于意式風(fēng)情區(qū)為重點景區(qū)，且比鄰天津站樞紐，周圍交通繁忙，且多為單行路，大面積破路施工會造成交通擁堵。所以，改造管線必須分批進行，且要與交通、道路等多部門協(xié)調(diào)后方可施工。

6.3 增加調(diào)蓄池

在積水路段增設(shè)雨水調(diào)蓄池，可以緩解部分排水管網(wǎng)的排水壓力和路面積水問題。意式風(fēng)情區(qū)由于條件和地理位置所限，不能進行大范圍的排水管網(wǎng)改造，因此增設(shè)調(diào)蓄池是可行的辦法。

雨水調(diào)蓄池位置選址，應(yīng)根據(jù)調(diào)蓄目的、排水體制、管網(wǎng)布置、溢流管下游水位高程和周圍環(huán)境等因素綜合考慮后確定。通過計算，可在建國道易發(fā)生積水的節(jié)點Y62點位建設(shè)1個深5 m、底面積8 m2的調(diào)蓄池。該處附近存在綠地，除需砍伐部分樹木外，幾乎無破拆量且不需要重新征地。使用模型模擬增加調(diào)蓄池后，周圍節(jié)點水位正常，未發(fā)生積水情況。因此，設(shè)置雨水調(diào)蓄池能有效改善該地區(qū)積水內(nèi)澇問題且易于施工。該措施適合意式風(fēng)情區(qū)。

7 結(jié)論

以意式風(fēng)情區(qū)為例，利用水力模型模擬不同重現(xiàn)期內(nèi)管網(wǎng)排水能力并進行節(jié)點積水分析、管道超載分析，得出主要結(jié)論如下。

（1）意式風(fēng)情區(qū)整體排水管網(wǎng)設(shè)計標準偏低，不能負荷暴雨及特大暴雨，易發(fā)生積水。

（2）建國道、民生路等易發(fā)生管道超載和節(jié)點積水，這為今后制定意式風(fēng)情區(qū)防汛預(yù)案和找準重點防控對象提供了數(shù)據(jù)支撐。