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SWMM在城市排水管网内涝整治改造中的应用尹兆龙1 黄成江2 陈玮1

发表时间：2021/7/27 来源：《基层建设》2021年第12期作者：尹兆龙1 黄成江2 陈玮1

[导读] 城市内涝积水已逐步成为影响城市发展的一大顽疾，结合现状利用SWMM城市雨洪模型研究城市内涝整治方案

        1浙江工业大学工程设计集团有限公司浙江杭州 310000
        2杭州市市政工程集团有限公司浙江杭州 310000
        摘要：城市内涝积水已逐步成为影响城市发展的一大顽疾，结合现状利用SWMM城市雨洪模型研究城市内涝整治方案，分析城市内涝、积水成因，同时提出对原排水管网系统及道路等优化调整方案，为工程实际提供技术支持。
        关键词：SWMM；内涝积水；管网模拟；排水管网优化改造

        城市化进程的不断加快,自然地形、地貌不断被现代城市文明更新换代，大面积的地面硬化、不透水区域正逐步改变着城市气候，而随之而来的内涝灾害天气发生概率明显增大，日益成为困扰着城市居民日常生活的一大难题。根据住建部根据住建部2010年对349个城市内涝情况调研，2008-2010年共有289个城市发生了不同程度的内涝，占调查城市总数的80％[1]。内涝已成为普遍困扰城市的一大难题。
        目前，大部分城市已逐步从合流排面因素综合影响导致，如地表水入渗率低、受纳水体调蓄能力不足、排水设施系统布局缺陷和排水能力不足以及区域地形地势等诸多因素，因此即使采用分流制排水系统仍存在诸多内涝潜在问题亟待整治。
        水模式逐步整改为分流制，但受资金、建设条件及建设标准等因素影响，仍存在部分合流管道，合流管道因水质及水量多变，管道沉积、淤堵等状况导致排水及时甚至内涝积水［2］。当然内涝积水是多方SWMM（Storm Water Management Model）是由美国环境保护署1971 年开发研发的第一个集地面水文、水质和地下管网计算为一体的典型水文模型，可用于城市区域降雨径流、合流制管网、污水管道和其他排水系统的规划设计、情景分析和方案评估［3］。SWMM模型可以为城市排水管网优化改造及内涝整治提供可靠的模拟，为实际方案提供可靠的技术支持，有利于提高城市改造整治方案可实施性及减小城市遭遇洪涝灾害的几率。本文利用SWMM软件模拟了瑞安市起步区排水管网内涝积水情况，结合模拟结果进行内涝、积水成因分析，同时提出可行性方案，进而指导实际工程实施、落地。
        1模型建立
        1.1研究区域概况
        研究区域为瑞安经济开发区起步区, 占地面积约为2km2, 市政基础设施于2004年前基本建成投入使用。道路及市政基础经过二十几年的使用后，沉降、破损严重。据2018年8月的地坪测量报告，现有道路高程保持在2.47m～3.6m之间，与规划高程4.2m相差0.6m～1.6m，最低地面高程几乎与内河清泉河水位持平，甚至最低点已几近低于内河水位，雨水排放缺少必要的水头差，没有足够的压差做为排水的动力，无疑导致地势低洼区域的涝水频发，同时研究区域毗邻飞云江，排出口设施废弃，受潮汐影响，江水倒灌，无疑加剧了区域内涝风险。
        1.2 研究区域概化
        在满足真实管网水力状况和模拟计算精度要求下，选取必要主干管网进行管网简化，假设降雨在整个区域上是均匀的和子汇水区域内雨水就近汇入管网节点[4]。雨水系统模型根据研究区物探资料建立，共建立了92个节点、6个排放口、109个管道单元、6个河道单元和104个子汇水单元。研究区域雨水排水系统概化如图1所示。

        图1 研究区域雨水管网概化示意图

        1.3模型参数确定[5]
        在各子流域的产流过程中，采用Horton入渗模型模拟研究区域的降雨入渗过程。
        1)土壤入渗模型采用的是Horton入渗模型，因此需要确定Horton入渗模型的入渗参数。根据《土壤水动力学》中土壤入渗率和衰减系数的取值范围，模型中均值土壤的最大入渗率、最小入渗率和衰减系数，分别取值为80mm、4mm和4h-1。
        2)产汇流模型采用非线性水库模型。透水区曼宁系数取0.15，不透水区曼宁系数取0.011，透水区和不透水区的洼蓄量分别取12mm和2mm。
        3）水力模型采用动力波模型。
        1.4降雨雨型
        结合瑞安及国内降雨普遍规律，采用1957年由Keifer和Chu根据雨强-历时关系提出的“芝加哥雨型”，该雨型与国内降雨雨强和历时的变化规律基本吻合，可用于国内降雨模型模拟分析设计雨型依据。故本工程降雨模型根据瑞安市暴雨强度公式，采用芝加哥雨型，建立2小时降雨历程，雨型峰值相对位置r采用0.37。
        采用瑞安市暴雨强度公式：
         （L/sha）
        式中：q-设计暴雨强度（L/s.ha）；P-设计暴雨重现期（年）；t-降雨历时（分钟）；综合径流系数取0.7；汇流时间取10min。采用泰勒多边形法划分汇水面积。
        1.4 排水管网水力模拟
        采用两种降雨重现期，分别为普通降雨（P=0.1年）和设计暴雨（P=3年），在对现状管网进行建模模拟及结合近期积水状况及点位进行验证模型准确性的前提下进行设计暴雨模拟分析。现状模拟在（P=3年）工况下积水点主要有21处，主要分布在各条道路的低洼路段。与近期及历史高重现期降雨道路积水收集信息基本相符,模型基本准确、可靠。

图2现状道路降雨积水点示意图（P=3年）

        2雨水管网优化改造
        2.1 内涝积水成因分析
        研究区内涝情况较为严峻，其形成原因是多方面因素综合影响的结果。
        （1）地面硬化率高，降雨入渗率低，现状大面积硬化地面导致地表降雨入渗能力降低，径流量过大，地面涵蓄能力降低，抵御降雨洪流能力降低，加剧了区块内涝风险。
        （2）地面沉降严重，排水动力不足。最低地面高程几乎与内河水位持平，管道内常年满水状态，雨水排放缺少必要的水头差，降水难排。
        （3）受纳水体调蓄、泄洪能力不足。区块四周均存在现状河道，但受现状设施及河道功能等因素影响，目前排水出路仅一条清泉河。水面率远达不到排涝河流要求。内河与飞云江通过现状箱涵连通，现状闸站废弃，飞云江高潮位时江水回灌现象严重，不仅无法实现错峰泄洪、降低内河水位，甚至在降雨急需泄洪时，往往存在江水顶托，江水倒灌，加剧内涝、积水状况。
        （4）排水设施建设标准低，行泄洪能力不足。主干管现状管径偏小，远远低于《室外排水设计规范》规定，同时现状雨水管道破损、错位、断接、地下水回灌等问题突出，排出口处于淹没出流，有效过流及行泄能力严重不足。
        （5）雨水排水系统布局混乱，系统亟待优化。部分排水出路淤堵、雨污混接、“大管接小管”、排水系统管线迂回、冗长，导致雨水排水系统排水不畅、水质较差、及时排水性难以保障。
        2.2 管网优化改造设计方案
        利用现状模型优化改造，经过模型模拟分析得出改善研究区积水、内涝解决方案，按此优化改造设计方案积水点可以基本全消除：
        1）路面抬升，增大排水动力。增大雨水排放的水头差，结合区域现状及规划统筹考虑，确定近远期兼顾的、合适的路面设计高程。
        2）结合道路整治改造排水管网，提高建设标准，增强管网排水能力。
        3）打通清泉河与飞云江连接通道，同时增设雨水排涝泵站，提供排水保障，解决飞云江高潮位时的雨水排江问题。
        通过模型模拟发现，研究区产生路面积水的原因是路段地势低洼、内河水位高、排水出路受限以及排水管道管径不足等因素共同作用的结果。单独解决某一种不足，难以彻底根治内涝，多种解决措施相互辅助，才能共同改善积水症结。同时，方案中提出增设雨水泵站，在自流排水的基础上增加强排措施，以保障研究区降雨、排水安全需要。
        3结语
        （1）城市内涝积水问题已日益成为困扰城市发展的一大顽疾，以SWMM模型为基础，结合实际情况，进行城市内涝积水改造方案研究，具备可行性及指导性，可为实际工程方案提供技术支持。
        （2）内涝积水是多种因素共同作用产生的结果，结合实际情况、因地制宜地选择综合的解决方案，才能从根本上解决问题。
        参考文献：
        [1]朱靖，刘俊，崔韩，等．SWMM模型在西南地区山前平原城市防洪计算中的应用[J]．水电能源科学，2013，31(12)：38-41。
        [2]蒋海涛.新型排水体制在城市排水系统规划中的应用［J］．中国给排水，2008，25(8):1-4．
        [3]刘俊，郭亮辉，张建涛，等．基于SWMM模拟上海市区排水及地面淹水过程[J]．中国给水排水，2006，22(21)：64-66．
        [4]陈梓迁，田蕾．基于SWMM的城市雨水管网优化设计[J]．中国设备与工程，2019，02(下)：130—132．
        [5]李彦伟，尤学一，季民，等．基于SWMM模型的雨水管网优化[J]．中国给水排水，2010，26(23)：40-43．
        第一作者简介：尹兆龙，男，1987年，中级工程师，主要从事市政给排水设计工作。邮政编码：310000