何毅 楊昆 李艷芳

摘 要：以大理白族自治州“海東新區(qū)”規(guī)劃區(qū)設(shè)計(jì)的雨水排放系統(tǒng)為研究對象，基于地理信息系統(tǒng)（GIS）技術(shù)快速構(gòu)建新區(qū)排水管網(wǎng)模型，采用仿真模擬軟件SWMM，對6種暴雨重現(xiàn)期為P=0.25a、0.5a、1a、2a、5a、10a和3種雨峰系數(shù)為r=0.2、0.5、0.8降雨情境下的排水管網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行模擬，以驗(yàn)證排水管網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)的合理性。

關(guān)鍵詞：地理信息系統(tǒng)；SWMM；情境分析；排水管網(wǎng)

排水管網(wǎng)是城市水污染防治和城市排漬防澇、防洪的骨干工程，擔(dān)負(fù)著收集城市生活和工業(yè)生產(chǎn)等污水、及時(shí)排除城區(qū)內(nèi)雨水和流經(jīng)市區(qū)雨水的任務(wù)。

隨著城市化的飛速發(fā)展，排水管網(wǎng)承擔(dān)的排水任務(wù)越來越重。合理的排水管網(wǎng)設(shè)計(jì)，能有效的提高管網(wǎng)的排水能力，降低城市內(nèi)澇的發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)。利用SWMM對各種降雨情境下的城市排水系統(tǒng)進(jìn)行模擬，系統(tǒng)地分析排水管網(wǎng)的排水能力，確定排水管網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)的合理性，從而為排水管網(wǎng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)或改造提供理論性的指導(dǎo)，這一實(shí)踐已經(jīng)成為排水系統(tǒng)規(guī)劃和優(yōu)化的重要內(nèi)容[ 1-4 ]。

1 基于GIS技術(shù)構(gòu)建SWMM模型

1.1 SWMM模型概述

SWMM是美國環(huán)保局為解決日益嚴(yán)重的城市排水問題而推出的暴雨徑流管理模型，此模型可以對單場暴雨或者連續(xù)降雨而產(chǎn)生的暴雨徑流進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬，進(jìn)而解決與城市排水系統(tǒng)相關(guān)的水量與水質(zhì)問題。該模型在北美地區(qū)被廣泛用于城市水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、規(guī)劃和運(yùn)行[ 5 ]。SWMM包含幾個(gè)核心的水文水力模塊。主要有徑流模塊（Runoff），輸送模塊（Transport），擴(kuò)展輸送模塊（Extended）、存儲(chǔ)/處理模塊（Storage/Treatment）和受納水體模塊（Receiving water）等，核心模塊之間的關(guān)系如圖1所示。此外還有多個(gè)服務(wù)模塊，它們的主要功能是進(jìn)行一些計(jì)算后的處理，如統(tǒng)計(jì)、繪圖等[ 6 ]。

1.2 建模方法

建模是進(jìn)行城市排水管網(wǎng)模擬的關(guān)鍵步驟，模型構(gòu)建的準(zhǔn)確性將直接影響模擬的效果，而構(gòu)建SWMM城市排水管網(wǎng)模型是一項(xiàng)繁重復(fù)雜的工作，地理信息技術(shù)（GIS）為模型的快速構(gòu)建提供了技術(shù)支持[ 7 ]。

模型主要包括空間數(shù)據(jù)和參數(shù)數(shù)據(jù)兩個(gè)部分。首先，結(jié)合管網(wǎng)規(guī)劃資料，利用ArcGIS軟件完成節(jié)點(diǎn)、管道的數(shù)字化。其次，利用DEM（Digital elevation model）數(shù)據(jù)，通過GIS工具（Spatial Analyst Tools→Hydrological→Basin）自動(dòng)劃分匯水區(qū)，利用Thiessen方法結(jié)合節(jié)點(diǎn)圖層，通過GIS工具（Analysis Tools→Proximity→Create Thiessen Polygons）生成泰森多邊形。最后，結(jié)合泰森多邊形和匯水區(qū)圖層，對子匯水區(qū)再次進(jìn)行細(xì)分和邊界修正。通過以上步驟精確完成模型空間數(shù)據(jù)的提取。然后結(jié)合土地利用規(guī)劃、DEM數(shù)據(jù)，通過GIS的空間統(tǒng)計(jì)功能和圖層疊加方法提取模型相關(guān)參數(shù)數(shù)據(jù)，包括子匯水區(qū)的面積、寬度、坡度和不透水區(qū)比例。通過管網(wǎng)規(guī)劃數(shù)據(jù)獲取管道長度、管徑，節(jié)點(diǎn)內(nèi)底標(biāo)高等參數(shù)。根據(jù)研究區(qū)域的地面特征及SWMM用戶手冊設(shè)定各個(gè)子匯水區(qū)經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，主要包括：透水區(qū)曼寧系數(shù)、不透水區(qū)曼寧系數(shù)、透水區(qū)洼蓄量、不透水區(qū)洼蓄量、管道粗糙系數(shù)等參數(shù)。

最后，利用inpPINS軟件將以ShapeFile格式文件存儲(chǔ)的建模數(shù)據(jù)，快速生成SWMM模型，從而簡化了繁瑣的數(shù)據(jù)處理工作，提高了建模的效率，保證了空間數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，模型構(gòu)建流程如圖2所示。

1.3 合成暴雨模型選取

采用SWMM模型進(jìn)行模擬，雨量資料很重要，反映真實(shí)降雨過程的雨量資料能夠有效提高模型模擬精度。由于不同地區(qū)氣候有差異，從而導(dǎo)致降雨類型有差別，降雨分布規(guī)律適合于哪一種曲線，這需要在大量的統(tǒng)計(jì)分析的基礎(chǔ)上總結(jié)出來。理論上，合成暴雨模型的方法有Huff法、CHM法（PC法）和YC法。在國內(nèi)適用性較好的合成暴雨模型為芝加哥合成暴雨過程線即CHM法[ 8 ]。

2 案例研究

2.1 研究區(qū)域概況

大理“海東新區(qū)”中心片區(qū)位于大理市海東鎮(zhèn)，大理洱海東岸，距大理市（下關(guān)）約10km，匯水區(qū)域約30.88平方千米，居住用地占38.26%，道路面積占18%、綠地和其他用地占43.74%。被劃分為140個(gè)子匯水區(qū)，包含128條管道，124個(gè)檢查井，22個(gè)排放口。研究區(qū)域排水系統(tǒng)如圖3所示：

2.2 情境設(shè)計(jì)

在我國，雨水管網(wǎng)的設(shè)計(jì)重現(xiàn)期一般選用1～3a，對于重要地區(qū)，一般選用2～5a[ 9 ]。為了檢驗(yàn)管網(wǎng)在不同頻率暴雨下的排水能力，采用芝加哥過程線模型合成模擬降雨情境。近年來，我國很多地區(qū)通過對暴雨資料的觀測整理，提出了適合各個(gè)地區(qū)的暴雨強(qiáng)度公式。通過查閱相關(guān)資料，根據(jù)《2014最新全國各城市暴雨強(qiáng)度式》，選取研究區(qū)域的暴雨強(qiáng)度公式為：

為了模擬排水管網(wǎng)系統(tǒng)在不同降雨情境下的表現(xiàn)，分別合成了雨峰系數(shù)分別為r=0.2、0.5、0.8，重現(xiàn)期分別采用P=0.25a、0.5a、1a、2a、5a、10a，降雨歷時(shí)120min的降雨過程線。對于芝加哥過程線模型，重現(xiàn)期P決定著每場降雨強(qiáng)度的最大值，雨峰系數(shù)r決定著雨強(qiáng)最大值出現(xiàn)時(shí)間[ 10 ]。

圖4展示了不同設(shè)計(jì)重現(xiàn)期的暴雨強(qiáng)度，表1不同重現(xiàn)期的降雨情境，表2所示為重現(xiàn)期P=2a的前峰降雨（r=0.2）雨強(qiáng)數(shù)據(jù)。

2.3 情境模擬結(jié)果分析

分析研究區(qū)域管網(wǎng)排水能力，主要選取節(jié)點(diǎn)和管道相關(guān)模擬結(jié)果。在城市小流域降雨徑流中，滲透模型通常采用Horton模型、管網(wǎng)模擬采用動(dòng)力波。

2.3.1 節(jié)點(diǎn)模擬結(jié)果分析

研究區(qū)域內(nèi)的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有最大允許水深，超過最大允許水深則溢出。節(jié)點(diǎn)溢出發(fā)生積水，主要是由于管網(wǎng)排水負(fù)荷過大，超過其最大排水能力，因此節(jié)點(diǎn)積水可作為反映排水管網(wǎng)排水能力的一個(gè)指標(biāo)。

在不同頻率不同雨峰系數(shù)的降雨條件下，根據(jù)模擬結(jié)果，可以得出每一節(jié)點(diǎn)最大水深發(fā)生的時(shí)間和持續(xù)時(shí)間。節(jié)點(diǎn)有連接單一管道和多段管道兩種情況，表3是在不同降雨情境下，連接單一管道的節(jié)點(diǎn)31J和連接多段管道的節(jié)點(diǎn)33J最大水深開始時(shí)間、平均水深和最大水深持續(xù)時(shí)間統(tǒng)計(jì)表。

對比二者平均水深和最大水深持續(xù)時(shí)間，33J遠(yuǎn)大于31J，31J沒有發(fā)生積水。存在這種差別的主要原因是31J主要通過子匯水區(qū)的地面徑流流入管道，33J除了子匯水區(qū)的地面徑流流入管道外，還有其他多條管道的匯流。

此外，流入節(jié)點(diǎn)33J的子匯水區(qū)不滲透占比也遠(yuǎn)大于流入節(jié)點(diǎn)31J的子匯水區(qū)不滲透占比?？梢姡黾幼訁R水區(qū)的滲透占比也很重要。

2.3.2 管道模擬結(jié)果分析

根據(jù)研究區(qū)域管道數(shù)量和長度。管道中水流在滿流狀態(tài)下持續(xù)的時(shí)間稱為管道滿流時(shí)間，管道滿流時(shí)間可以反映管網(wǎng)排水負(fù)荷。

當(dāng)管道滿流時(shí)間較長時(shí)，在地面可能產(chǎn)生嚴(yán)重積水，說明管網(wǎng)排水能力不足。通過統(tǒng)計(jì)不同管道滿流時(shí)間下的管道數(shù)量，可以得出管網(wǎng)的排水能力強(qiáng)弱。

通過模擬發(fā)現(xiàn)，在不同設(shè)計(jì)重現(xiàn)期下，隨著設(shè)計(jì)重現(xiàn)期增大，管道最大流量發(fā)生時(shí)間提前。3種雨峰系數(shù)的降雨情境下，隨著雨峰系數(shù)的增大，管道最大流量發(fā)生時(shí)間向后推遲。但是，所有降雨情境下模擬結(jié)果都沒發(fā)生管道超載的情況，證明該管網(wǎng)設(shè)計(jì)方案十分合理。

3 結(jié)論

本文分析了在不同設(shè)計(jì)頻率不同雨峰系數(shù)的降雨情境下，研究區(qū)域管網(wǎng)排水能力的變化情況，為實(shí)際確定管網(wǎng)排水能力提供參考。

研究發(fā)現(xiàn)，區(qū)域管網(wǎng)隨著暴雨設(shè)計(jì)重現(xiàn)期的增加，管網(wǎng)排水負(fù)荷逐漸加大，但是沒有出現(xiàn)管網(wǎng)超載的情況，唯獨(dú)節(jié)點(diǎn)33J出現(xiàn)超載情況，該節(jié)點(diǎn)應(yīng)作為改造的重點(diǎn)，同時(shí)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)避免一個(gè)節(jié)點(diǎn)連接多條管道的情況。

在雨峰系數(shù)為r=0.2、0.5、0.8的降雨情境下，管網(wǎng)滿流時(shí)間分別往后推遲，沒出現(xiàn)管網(wǎng)超載的情況。通過模擬可知，該研究區(qū)域管網(wǎng)設(shè)計(jì)方案良好，具備非常好的排水性能。

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作者簡介：何毅（1990-），彝族，云南宣威人，碩士，研究方向：城市空間信息工程。