基于SWMM模型的某市防洪排澇體系探究

于海亮

(新民市水利事務服務中心，遼寧 沈陽 110300)

1 SWMM模型原理

暴雨洪水管理模型(SWMM)是一個動態降雨-徑流模擬模型，用于模擬單一的城市降雨過程，并模擬一段時間內的水量和水質。SWMM模型可用于研究城市徑流引起的一系列水文過程，包括時間和空間上的降雨、通過排澇管與地下水交換和坡面匯流等。還可以校準管道排澇系統，河流排澇模擬的分析和計算，以及整個城市排澇系統的分析與模擬。SWMM模型可以根據研究區域的實際管道排澇情況使用，將城市區域劃分為子流域，并將每個子流域按地表劃分為三類即為無洼蓄的不透水區、有洼蓄的不透水區和透水區。在計算徑流時，這三個部分的徑流之和被認為是整個流域的總徑流。對于沒有洼蓄的不透水區域，使用降雨作為徑流；對于有洼蓄的不透水區域，將降雨量和洼蓄填充量之間的差值用作徑流；對于可滲透地區，可以使用徑流曲線數-滲透模型來計算徑流。在地表徑流計算中，三個子流域可以被視為非線性水庫計算，總體連續性方程和曼寧公式將子流域的產流過程計算轉化為徑流計算[1-3]。

2 區域SWMM模型構建

2.1 區域概述

某市研究地區面積為150 km2，該地區年降雨量較大，降雨歷時短強度高，空間和時間變化大。城市地區建筑密集，人口稠密，市中心狹窄的人行道和道路使其難以擴展并納入更多的草坪和開放空間，而市中心的不透水面積正在逐漸擴大。由于河流下沉、城市部分地區的土地沉降、非常陳舊的排澇網絡和排澇系統的設計標準較低，短時間的暴雨也會造成城市地區的洪水。

2.2 SWMM模型模擬

使用SWMM模型對城市的洪水排澇體系進行了分析。在模擬之前，詳細了解子流域，以獲得有用的子流域信息，確定模型參數。

2.2.1 子流域情況

研究區的主要排澇網絡是以道路為導向的，包含了主干線的詳細信息，但沒有包含分支的信息。由于研究區的規劃較早，許多管道的位置和排澇方向尚不清楚。本研究目的主要是分析區域內主要管道的防洪和排澇能力，根據排澇管網的數據，將研究區的防洪排澇系統分為820條干管和891個觀測點，并參考相關部門現有雨水網集水區分布圖，將整個匯水區劃分為620個。

2.2.2 SWMM模型參數

首先，使用雨水工程狀態圖和土地利用模式圖獲取研究區域內的子集水區面積、特征寬度、防滲面積百分比、管道形狀、管道長度、直徑大小、平均坡度和井底高度的信息。然后使用GIS軟件對這些信息進行編譯，在1∶1000地形圖上，包括研究區域的等高線、集水區的坡度以及檢查井和管道的地面高程。利用Horton入滲模型模擬降雨的入滲過程，采用動力波法描述排澇管道中的流動，采用非線性水庫法對三個子流域的匯流進行計算，模型計算相關的參數見表1。

表1 模型計算相關參數

SWMM模型的其他相關參數主要來自SWMM模型手冊和相關文獻，并根據研究區的概況進行了修改。

2.2.3 SWMM模型參數率定

觀測了15個不同降雨模式分布的降雨數據，以此確定模型參數。首先，將觀測到的降雨量數據輸入SWMM模型，然后將測得的內澇數據與內澇計算結果進行比較，確保所使用的降雨淹沒模型滿足城市防災研究的要求，實際澇災區和模擬澇災區比較見表2。

表2 內澇模擬區與實測區積水面積對比

模擬結果表明，模擬積水面積與實測積水面所計算的誤差很小，大體上反映了實際情況，可以對子流域進行歸納，在模型中選擇模型參數值，模型得到的模擬結果可信度很高。模擬面積小于測量面積的原因主要為：

(1)模型只概括了主要的管道系統，未模擬小的管道系統或模擬堵塞的管道系統。

(2)研究地區降水站數量較少，很難確定降水分布情況，而且城市雨量的空間分布不均，即使雨量相同，也會造成不同的洪水[4-5]。

(3)本研究中的實際洪水數據是測量的，部分是估計的，因此存在誤差。

2.3 SWMM模型模擬結果

2.3.1 管道排澇能力確定

分析重現期為5.0 a、3.0 a、2.0 a、1.0 a和0.5 a，降雨持續時間為150 min，將暴雨資料輸入SWMM模型，以此分析管道的排澇能力，并模擬包含退水時間在內的降雨徑流過程，包括降雨徑流持續時間(共4 h)。該模型的模擬分析確定了在暴雨期間管道超載的部分，并為估計管道的排澇和防洪系統的能力提供了依據，模擬結果見表3。

表3 管網排澇防澇模擬

由表3可見，研究區域內27.86%的排澇管在不同程度的超載情況下運行，管道直徑小，在遭遇1a一遇的設計降雨量時，管道中的水流具有很高的充滿度。表明研究區的排澇管道設計并不完善，有的管道不符合設計標準，一些管道位置太低，無法充分利用防洪和排澇系統的功能[6-8]，可能導致研究區域發生嚴重洪災。

2.3.2 內澇風險

該模型采用的暴雨重現期分別為30 a、20 a、10 a和5 a(24 h設計暴雨)，并使用相同的設計暴雨來計算市中心和城市上游山地的徑流量。由暴雨求得設計洪水，并將其作為雨水管理模型的上游邊界條件；水文計算可以在較大的流域上進行，獲得下游出水口的設計洪水位，并作為下游邊界條件，對中部地區的洪水進行模擬。成果詳見表4。

表4 各個暴雨重現期中心城區內積水面積情況統計

由表4可見，隨著城市暴雨頻率的增加，被淹沒的面積也在增加，而積水深度也在繼續增加。城區30 a一遇、20 a一遇、10 a一遇和5 a一遇的暴雨重現期平均深度分別為44.9 cm、37.7 cm、26.8 cm和8.5 cm，最大深度分別為115.0 cm、99.0 cm、72.0 cm和60.0 cm。SWMM模型的模擬結果還顯示，一些站點的降雨深度較大，累積時間較長。詳見表5、表6。

表5 不同暴雨重現期城區積水持續時間觀測點數量

表6 不同暴雨重現期內城區積水深度的觀測點數量

由表5和表6可見，暴雨重現期的增加，觀測點的積水數量也隨之增加，其持續時間也在增加。在30 a一遇的暴雨中，有48個觀測點的積水時間超過30 min，91個觀測點的積水超過10 cm；在20 a一遇暴雨中，有41個觀測點積水時間超過30 min，80個觀測點積水超過10 cm；在10 a一遇暴雨中，有29個觀測點積水時間超過30 min，53個觀測點積水超過10 cm；在5 a一遇暴雨中，有29個觀測點積水時間超過30 min，17個觀測點積水超過10 cm。

2.4 內澇措施緩解研究

由模擬結果可知，老城區編號J35、J60、J95和J170四個節點，淹沒較為嚴重，這是老城區洪水風險總體較高的主要原因。模擬結果詳見表7。

表7 老城區澇災模擬結果

從相關部門了解，老城區的新老建筑高低大體相同，新建筑的地基比舊建筑的地基高，這很容易導致內澇。老城區排澇管道在原先設計時其重現期相對較低，而且新城區的部分雨水管道和污水管道與老城區的排澇管網相連，老城區的雨水管道和污水管道容易出現過大的壓力和積水，當強降雨發生時，主要的排澇管道無法滿負荷運轉。此外，老城區有非常好的基礎設施，對原先的管道很難進行改造，因此，有人提議在老城區建立一個深層儲水設施。在老城區難以降低排澇水壓的區域和地段，安裝排澇泵站，以緩解老城區的洪水和排澇問題。模擬建設一個蓄水池，并以10 a一遇的暴雨(假設為24 h暴雨)為例，對老城區的洪水進行了模擬，可使J35、J60、J95和J170四個觀測點的淹沒深度分別降低63.50%、67.75%、64.42%和67.70%，因此，可以看出，建造蓄水池可以減輕排澇管網的壓力，減少老城區的洪澇災害。

3 結 語

本文通過SWMM模型模擬某城市地的洪澇容易發生的地區，并獲得該城市防洪和排澇系統的綜合模擬結果。通過量化城市地區被淹沒的時間、被淹沒的面積和被淹沒的觀測點數量來獲得數據。該研究對城市內澇和排澇規劃、防洪規劃和城市防洪具有一定的參考價值。然而，由于涉及的數據量很大，模擬的工作相對復雜，使得模型的概化更加困難，未來的建模研究應進一步探索實用的模型，以有效概化城市防洪排澇系統。