梁懌禎，李樹(shù)平，謝予婕

（同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200092）

城市內(nèi)澇是指在強(qiáng)降雨或連續(xù)性降雨情況下，由于城市排水能力不足導(dǎo)致的城市低洼地區(qū)大面積積水現(xiàn)象。高校校園作為城市的一個(gè)功能分區(qū)，在排水不暢情況下，不可避免地受到內(nèi)澇影響。2013年7月19日，廈門(mén)遭遇暴雨突襲，部分高校內(nèi)澇嚴(yán)重，校園環(huán)境和物資遭到嚴(yán)重破壞；2015年6月16日～17日，上海遭遇持續(xù)強(qiáng)降雨，部分高校出現(xiàn)大面積積水，局部水深達(dá)50 cm以上，嚴(yán)重影響師生的正常出行；2016年7月6日，武漢遭遇特大暴雨，造成多所高校因內(nèi)澇停課……近年來(lái)高校校園內(nèi)澇頻發(fā)，必須引起重視。高校校園內(nèi)含有教學(xué)區(qū)、生活區(qū)、體育活動(dòng)區(qū)、生態(tài)休閑區(qū)等功能區(qū)劃分，地表不透水性變化顯著；景觀上包括假山、廣場(chǎng)、河流和湖泊，校園內(nèi)地勢(shì)高低起伏；高校校園存在不同時(shí)期建設(shè)的排水管道，埋設(shè)年代和健康狀況不一；校園內(nèi)雨水管道具有建筑給水排水特點(diǎn)，局部雨水管道直徑較小（小于市政管道最小直徑300 mm的要求）。

以下將首先討論內(nèi)澇分析的步驟，然后以某高校校園為例，模擬各種降雨重現(xiàn)期下內(nèi)澇程度，并分析形成內(nèi)澇的主要原因。

1 分析方法

內(nèi)澇分析需要根據(jù)研究區(qū)域內(nèi)的地形地貌、土壤特征、排水管網(wǎng)、排放水體等資料，構(gòu)建內(nèi)澇分析模型；然后分析不同重現(xiàn)期降雨情景下排水管網(wǎng)的排水能力，總結(jié)內(nèi)澇的形成原因及排水管網(wǎng)存在的缺陷，提出相應(yīng)的改進(jìn)措施［1-2］。因此內(nèi)澇分析步驟如圖1所示。

圖1 內(nèi)澇分析方法路線圖Fig.1 Route Diagram of Analysis Method for Waterlogging

（1）收集研究區(qū)域資料，包括地形圖、用地規(guī)劃圖、排水管網(wǎng)勘測(cè)圖、排水管網(wǎng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、降雨統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)等。

（2）選取合適的內(nèi)澇分析模型。模型應(yīng)能夠模擬地表降雨徑流過(guò)程和排水系統(tǒng)中的水流特征。

（3）建立內(nèi)澇分析模型：①將研究區(qū)域的排水管網(wǎng)圖概化；② 根據(jù)下墊面特征及管道布置情況，劃分子匯水區(qū)域；③設(shè)置模型排水管網(wǎng)參數(shù)及子匯水區(qū)參數(shù)；④根據(jù)當(dāng)?shù)氐谋┯陱?qiáng)度公式或?qū)崪y(cè)降雨數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)降雨情景。

（4）模擬不同降雨重現(xiàn)期下排水管網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)，包括地表徑流、排放口狀態(tài)、節(jié)點(diǎn)積水、管道超載等，分析內(nèi)澇形成原因及排水管網(wǎng)系統(tǒng)缺陷，提出相應(yīng)的改造措施。

基礎(chǔ)資料分析中經(jīng)常遇到的問(wèn)題包括淤積管道、孤立節(jié)點(diǎn)和管道、數(shù)據(jù)缺失或錯(cuò)誤的節(jié)點(diǎn)和管道等，需在建模時(shí)進(jìn)行相應(yīng)處理。管道淤積會(huì)削弱管道的過(guò)水能力，建模時(shí)應(yīng)以縮小管徑的方式假設(shè)管道淤積；未與主管網(wǎng)相連的孤立節(jié)點(diǎn)和管道，在模擬過(guò)程中會(huì)導(dǎo)致過(guò)早的節(jié)點(diǎn)積水和管道超載，影響模擬結(jié)果的準(zhǔn)確度，建模時(shí)應(yīng)將其刪除并將相應(yīng)的子匯水面積連接到下游鄰近的雨水口；對(duì)于井深為負(fù)的節(jié)點(diǎn)以及管徑數(shù)據(jù)缺失的管道，應(yīng)根據(jù)上下游管道的內(nèi)底標(biāo)高及管徑進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)的估計(jì)。處理過(guò)程中，應(yīng)標(biāo)記所作的修改，以備進(jìn)一步核實(shí)資料，便于將來(lái)訂正。

2 案例區(qū)域和所選計(jì)算軟件

分析將以上海市某高校校園內(nèi)頻繁發(fā)生內(nèi)澇的區(qū)域作為案例，該區(qū)域包括教學(xué)樓、宿舍樓、體育館、田徑場(chǎng)、道路和綠地等，占地面積約0.152 km2，地坪標(biāo)高在3.0～3.4 m，整體趨勢(shì)較平緩，但局部地勢(shì)偏高，如兩處田徑場(chǎng)地面標(biāo)高在4.2 m以上。建模之前已收集到該高校校園的地形圖和地下管道布置圖等基礎(chǔ)資料。

內(nèi)澇分析將采用SWMM模型。該模型由美國(guó)環(huán)保局開(kāi)發(fā)，是一個(gè)動(dòng)態(tài)的降水-徑流模擬模型，用于城市區(qū)域單場(chǎng)降雨或連續(xù)降雨的徑流水量和水質(zhì)模擬。其徑流模塊部分能模擬各匯水子區(qū)域上的降雨所形成的徑流量和污染負(fù)荷，匯流模塊部分能模擬徑流在管網(wǎng)、渠道、調(diào)蓄和處理設(shè)施、泵站、控制設(shè)施的流量和水質(zhì)變化。通過(guò)對(duì)建模區(qū)輸入的數(shù)據(jù)進(jìn)行編輯，模擬水文、水力和水質(zhì)情況，以時(shí)序圖表、剖面圖、動(dòng)畫(huà)演示和統(tǒng)計(jì)分析等多種形式對(duì)結(jié)果顯示，從而重現(xiàn)和預(yù)測(cè)管網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，可廣泛應(yīng)用于城市暴雨徑流、合流制管道、污水管道以及其他排水系統(tǒng)的規(guī)劃、分析和設(shè)計(jì)［3］。

3 研究區(qū)域概化和模型設(shè)定

3.1 研究區(qū)域概化

根據(jù)建模要求，對(duì)基礎(chǔ)資料處理，對(duì)研究區(qū)域概化并形成模型文件。經(jīng)概化后，雨水徑流通過(guò)雨水管網(wǎng)匯集最終流向排水口p1，然后排至校園外市政管網(wǎng)。雨水管網(wǎng)經(jīng)概化處理：節(jié)點(diǎn)881個(gè)，管道管段892條，子匯水區(qū)844個(gè)，排放口1個(gè)，如圖2、圖3所示。

3.2 降雨情景設(shè)計(jì)

圖2 子匯水區(qū)劃分示意圖Fig.2 Schematic Diagram of Sub-Division of Catchment Area

圖3 雨水管網(wǎng)概化示意圖Fig.3 Conceptual Schematic Diagram of Storm Networks

選用芝加哥降雨過(guò)程線模型合成重現(xiàn)期分別為1年、5年、100年，雨峰系數(shù) r＝0.4，降雨歷時(shí) t＝2 h的合成降雨，作為模擬降雨過(guò)程輸入。選取的暴雨強(qiáng)度公式如式（1）。

其中：q—暴雨強(qiáng)度，L ／（s·hm2）；

P—重現(xiàn)期，年；

t—降雨歷時(shí)，min。

3.3 模型參數(shù)確定

各子流域產(chǎn)匯流計(jì)算時(shí)所需參數(shù)包括［4］：產(chǎn)流計(jì)算采用Horton入滲模型，模型的最大入滲率、最小入滲率和衰減系數(shù)分別取52.7 mm／h、4.9 mm／h和3.9 h－1；匯流計(jì)算采用非線性水庫(kù)模型；透水地表和不透水地表的洼蓄量分別取為10.65 mm和0.66 mm；透水地表、不透水地表和管道的曼寧系數(shù)分別取0.13、0.04和 0.01；地表坡度取 0.005；屋面、道路、網(wǎng)球場(chǎng)、排球場(chǎng)的不滲透百分比取98%；田徑場(chǎng)和綠地取40%。模擬過(guò)程采用動(dòng)力波進(jìn)行流量演算，模擬歷時(shí)為24 h。

模型水文參數(shù)的初始值大多是根據(jù)文獻(xiàn)資料中的經(jīng)驗(yàn)值選定，在建模時(shí)需要進(jìn)行多次反復(fù)的調(diào)整和校核，使模型與實(shí)際情況盡量相符?？蓪搅飨禂?shù)作為目標(biāo)函數(shù)，通過(guò)對(duì)比雨水管網(wǎng)設(shè)計(jì)所采用的綜合徑流系數(shù)和模型模擬得到的徑流系數(shù)，對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行校核［5］。城市綜合徑流系數(shù)經(jīng)驗(yàn)值如表1所示［6］。研究區(qū)域不透水面積率約為74.9%，由表1可知，該區(qū)域的綜合徑流系數(shù)為0.6～0.8。校準(zhǔn)降雨采用重現(xiàn)期為2年的合成降雨，得到上述最終模型參數(shù)調(diào)試結(jié)果時(shí)，模擬徑流系數(shù)為0.78，滿足要求；驗(yàn)證降雨采用重現(xiàn)期為1年和3年的合成降雨，模擬徑流系數(shù)分別為0.76和0.80，均滿足要求，表明校準(zhǔn)后的參數(shù)在常用降雨重現(xiàn)期范圍內(nèi)具有一定的適應(yīng)能力。經(jīng)參數(shù)校核后，模擬所得的降雨、下滲、徑流情況與實(shí)際情況基本吻合，故該模型可用于進(jìn)行內(nèi)澇分析。

表1 城市綜合徑流系數(shù)經(jīng)驗(yàn)值Tab.1 Empirical Value of Urban Integrated Runoff Coefficient

4 內(nèi)澇情景模擬與成因分析

模型采用重現(xiàn)期為1年、5年、100年，降雨歷時(shí)為2 h的設(shè)計(jì)降雨，對(duì)研究區(qū)域的內(nèi)澇情景進(jìn)行模擬分析。

4.1 地表徑流

地表徑流模擬結(jié)果反映了研究區(qū)域不透水面積大小對(duì)地表徑流的影響。研究區(qū)域的降雨、徑流和下滲情況如表2所示。

表2 降雨、徑流和下滲情況模擬結(jié)果Tab.2 Simulation Results of Rainfall，Runoff and Infiltration

由表2可知，隨著降雨重現(xiàn)期的增加，降雨量、入滲量、徑流量和徑流系數(shù)都有所增加，但入滲量增幅極小。其原因是研究區(qū)域的透水區(qū)面積較小，在重現(xiàn)期為1年的暴雨情景下，透水區(qū)的入滲量以及地表洼蓄量就基本達(dá)到飽和狀態(tài)，當(dāng)降雨重現(xiàn)期增加時(shí)，降雨量增大，而入滲量幾乎不變，致使水流在地表的匯流加劇，徑流量明顯增大。這說(shuō)明校園內(nèi)硬化路面、屋頂?shù)炔煌杆畢^(qū)面積較大是導(dǎo)致校園內(nèi)澇的重要因素。

4.2 節(jié)點(diǎn)積水

節(jié)點(diǎn)積水是指降雨發(fā)生后，檢查井溢流造成周邊雨水停留的現(xiàn)象。在排水模型中，內(nèi)澇的判定標(biāo)準(zhǔn)為節(jié)點(diǎn)水深超過(guò)該節(jié)點(diǎn)最大容水深度，內(nèi)澇的持續(xù)時(shí)間是節(jié)點(diǎn)的水深度超過(guò)該節(jié)點(diǎn)最大容水深度的時(shí)間［7］。不同重現(xiàn)期降雨情景下的節(jié)點(diǎn)積水情況如表3所示。降雨第50 min時(shí)校園積水情況最嚴(yán)重，此時(shí)積水空間和程度分布如圖4、圖5所示。

表3 節(jié)點(diǎn)積水情況模擬結(jié)果Tab.3 Simulation Results of Ponding Nodes

由表3可知，隨著設(shè)計(jì)降雨重現(xiàn)期增大，原有積水節(jié)點(diǎn)的積水時(shí)間增加，并出現(xiàn)新的積水節(jié)點(diǎn)，研究區(qū)域總積水量不斷增大，隨之帶來(lái)內(nèi)澇程度的加深；由圖4和圖5可知，在五年一遇降雨情景下，積水程度較嚴(yán)重的節(jié)點(diǎn)主要集中在校園南部運(yùn)動(dòng)場(chǎng)和北部教學(xué)區(qū)，在百年一遇降雨情景下，校園各處均出現(xiàn)較嚴(yán)重的積水節(jié)點(diǎn)。

圖4 五年一遇降雨的積水空間和程度分布圖Fig.4 Spatial Distribution of Junctions with Various Waterlogging under Rainfall with 5-Year Return Period

圖5 百年一遇降雨的積水空間和程度分布圖Fig.5 Spatial Distribution of Junctions with Various Waterlogging under Rainfall with 100-Year Return Period

選取積水時(shí)間較長(zhǎng)的若干節(jié)點(diǎn)進(jìn)行原因分析，發(fā)現(xiàn)積水節(jié)點(diǎn)一般位于起始端管道。起始端管道的管徑較小，通常為DN100～DN200，部分還存在逆坡現(xiàn)象，管道過(guò)水能力不足。此外，部分下游干管管徑偏小，在子匯水區(qū)域產(chǎn)生的徑流量較大時(shí)，不能將雨水及時(shí)排出，造成上游管道及相關(guān)檢查井內(nèi)水位迅速抬升，導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)積水。根據(jù)節(jié)點(diǎn)標(biāo)高數(shù)據(jù)，校園南部運(yùn)動(dòng)場(chǎng)和北部教學(xué)區(qū)的地勢(shì)相比周邊區(qū)域較低，降雨時(shí)排水管網(wǎng)收集了周?chē)鷧^(qū)域匯集的地表徑流，排水負(fù)擔(dān)增加，導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)積水情況加重。

4.3 管道超載

管道超載是指管道需要輸送的水量超過(guò)了其最大輸送能力，致使管道處于滿管流、有壓流狀態(tài)下運(yùn)行［8］。不同重現(xiàn)期降雨情景下不同超載時(shí)間的管道數(shù)量對(duì)比如圖6所示。

圖6 不同超載時(shí)間的管道數(shù)量對(duì)比Fig.6 Comparison of the Numbers of Pipes with Various Overload Time

由圖6可知，隨著設(shè)計(jì)降雨重現(xiàn)期增大，超載管道數(shù)量不斷增加。其中，超載時(shí)間＞20 h的管道數(shù)量基本恒定，占管道總數(shù)的4.8%；超載時(shí)間介于1～5 h的管道數(shù)量隨降雨重現(xiàn)期增大而快速增加；超載時(shí)間＜1 h的管道最多，數(shù)量在小范圍內(nèi)波動(dòng)。因?yàn)楣艿篱L(zhǎng)期處于超載情況下容易發(fā)生破損，所以對(duì)于超載時(shí)間長(zhǎng)、重要性高的管道應(yīng)進(jìn)行超載原因分析和相應(yīng)改造。

選取若干超載管道分析發(fā)現(xiàn)，管道超載時(shí)間＞20 h是由于下游存在逆坡管道或銜接錯(cuò)誤，即下游管道管底標(biāo)高大于上游管道管頂標(biāo)高，導(dǎo)致雨水不能及時(shí)排出；而超載時(shí)間＜5 h的管道是由于管徑較小，當(dāng)上游節(jié)點(diǎn)承接較大流量的雨水徑流時(shí)，管道過(guò)水能力不足，導(dǎo)致長(zhǎng)時(shí)間的滿管現(xiàn)象。

5 改造措施

通過(guò)分析內(nèi)澇模擬結(jié)果可知，不透水面積較大、排水管道管徑偏小、管道存在逆坡和銜接錯(cuò)誤是造成校園內(nèi)澇的主要原因，在進(jìn)行內(nèi)澇整治時(shí)應(yīng)從這三方面著手。

較大的不透水面積導(dǎo)致了雨水下滲量減少，地表徑流量增大，尤其低洼地帶匯集了周?chē)貏?shì)較高區(qū)域的徑流，管網(wǎng)排水負(fù)擔(dān)進(jìn)一步加重。因此在建筑物集中的教學(xué)區(qū)和生活區(qū)，以及局部低洼地帶，可以考慮采用植草洼地、滲水渠、透水路面等雨水滯留滲透設(shè)施，降低地表徑流，或修建地下蓄水池進(jìn)行雨水收集調(diào)蓄［9-10］。擬將校園南部運(yùn)動(dòng)場(chǎng)產(chǎn)生的雨水徑流收集到蓄水池，校園北部教學(xué)區(qū)道路進(jìn)行透水結(jié)構(gòu)改造，改造前后各項(xiàng)模擬結(jié)果對(duì)比如表4所示。

表4 改造前后各項(xiàng)模擬結(jié)果對(duì)比Tab.4 Comparison of Simulation Results before and after Reconstruction_________

由表4可知，隨著降雨重現(xiàn)期增加，改造效果逐漸降低。這說(shuō)明減少不透水面積的措施只能在一定程度上緩解小規(guī)模降雨造成的校園積水問(wèn)題。

根據(jù)模擬結(jié)果分析，逆坡管道會(huì)造成上游管道超載時(shí)間＞20 h，以及入流節(jié)點(diǎn)積水，影響雨水管網(wǎng)排水能力。研究區(qū)域有逆坡管道共147條，其中逆坡在－1%以上的共73條，在管網(wǎng)改造中應(yīng)先調(diào)整該部分管道坡度。

如圖7所示，在一年一遇的降雨情景下，調(diào)整逆坡管道3 204的坡度后，其上游管道5 087、588、79、1 605的超載時(shí)間分別由 23.78、23.76、23.76、23.76 h 縮短為 0.4、0.3、0.3、0.29 h；調(diào)整管道 5505逆坡后，節(jié)點(diǎn)3YS51的積水時(shí)間由3.97 h變?yōu)?，成為非積水節(jié)點(diǎn)。

圖7 局部管網(wǎng)示意圖Fig.7 Schematic Diagram of Partial Pipe Networks

排除逆坡影響后，節(jié)點(diǎn)積水和管道超載的原因主要是管道管徑偏小或銜接錯(cuò)誤，即下游管道管底高于上游管道管頂，導(dǎo)致雨水無(wú)法及時(shí)排出。在進(jìn)行管網(wǎng)改造時(shí)，首先要確定超載時(shí)間長(zhǎng)、重要性高、影響范圍大的“瓶頸”管道，再對(duì)其采取更換大管徑、修正銜接等措施，避免大量開(kāi)挖校園道路，造成工程量大且耗時(shí)，緩解內(nèi)澇現(xiàn)象的成效低。

如圖7所示，在五年一遇的降雨情景下，將節(jié)點(diǎn)3YS111下游管道3204的管徑由0.2 m增大為0.3 m時(shí)，節(jié)點(diǎn)積水時(shí)間由0.8 h縮短為0.07 h，總積水量由54 m3減少為2 m3；修正管道387、587與下游管道4221的銜接錯(cuò)誤后，管道387、587的超載時(shí)間由23.78 h縮短為1.61 h。

6 結(jié)束語(yǔ)

高校校園內(nèi)澇的模擬與分析將根據(jù)地表徑流模擬，分析不透水面積對(duì)產(chǎn)生內(nèi)澇的影響；根據(jù)積水節(jié)點(diǎn)的積水時(shí)間和空間分布，以及超載管道的超載時(shí)間，查找過(guò)水能力嚴(yán)重不足的管道，分析其排水不暢的原因。該內(nèi)澇模擬與分析方法也可以擴(kuò)展到具有類(lèi)似特征的工業(yè)園區(qū)、開(kāi)發(fā)區(qū)等。

高校校園內(nèi)澇模擬與分析還需結(jié)合降雨測(cè)試數(shù)據(jù)、地表徑流和管道內(nèi)流量數(shù)據(jù)，通過(guò)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果的比較，校驗(yàn)構(gòu)建的模型，增強(qiáng)模擬的準(zhǔn)確性?？紤]到SWMM模型僅可模擬節(jié)點(diǎn)的節(jié)水情況，無(wú)法模擬地表漫溢情況，因此后續(xù)可考慮地表漫溢模型的應(yīng)用。

［1］郭云飛.基于SWMM的城市暴雨內(nèi)澇研究——以某校園為例［D］.湖南：湖南工業(yè)大學(xué)，2014.

［2］馮書(shū)倉(cāng).基于SWMM模型的滄州市城區(qū)內(nèi)澇研究［J］.水利科技與經(jīng)濟(jì)，2016，22（5）：92-98.

［3］Rossman L.Storm water management model user's manual version 5.0.［M］.US Environmental Protection Agency，National Risk Management Research Laboratory，Cincinnati，OH，2008.

［4］朱敏.城市雨水管網(wǎng)模型水文參數(shù)率定研究［D］.上海：同濟(jì)大學(xué)，2013.

［5］劉興坡.基于徑流系數(shù)的城市降雨徑流模型參數(shù)校準(zhǔn)方法［J］.給水排水，2009（11）：213-217.

［6］北京市市政設(shè)計(jì)研究院.簡(jiǎn)明排水設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1990.

［7］楊海波，李云飛，王宗敏.不同暴雨與城市化程度情景下城區(qū)內(nèi)澇 SWMM 模擬分析［J］.水利水電技術(shù)，2014，45（11）：15-23.

［8］陳明輝，黃培培，吳非，等.基于SWMM的城市排水管網(wǎng)承載力評(píng)價(jià)與優(yōu)化研究［J］.測(cè)繪通報(bào)，2014（3）：54-57.

［9］田宇.校園雨水徑流控制研究［D］.天津：天津大學(xué)，2011.

［10］李樹(shù)平，劉遂慶.城市排水管渠系統(tǒng)［M］.2版.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2016.