林利森 熊子鷹 趙少遠(yuǎn)

〔摘 要〕為了有效調(diào)度城市雨水系統(tǒng)中的灰色管渠部分，使之能與綠色基礎(chǔ)設(shè)施聯(lián)動(dòng)作用，最大限度地控制城市雨水，對(duì)S縣城雨水系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化模擬并建立SWMM模型。結(jié)果表明，通過改造S縣雨水系統(tǒng)，當(dāng)?shù)卦诘湫徒涤晗碌膹搅鞣逯的苎舆t約9 min出現(xiàn)，5 a重現(xiàn)期以下超載管道和超載節(jié)點(diǎn)數(shù)比改造前降低了90%以上，排放口流量明顯降低。

〔關(guān)鍵詞〕 SWMM;雨水系統(tǒng);優(yōu)化模擬

中圖分類號(hào)：TU992? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B? 文章編號(hào)：1004-4345（2024）03-0051-04

Optimization Simulation of Rainwater System in County S Based on SWMM Analysis Model

LIN Lisen1， XIONG Ziying2， ZHAO Shaoyuan2

（1. Jiangxi Water Investment Construction Group Co.， Ltd.， Nanchang， Jiangxi 330029， China;

2. Jiangxi Water Group Co.， Ltd.， Nanchang， Jiangxi 330029， China）

Abstract? In order to effectively regulate the gray pipe culverts of the urban rainwater system， enabling them to interact with green infrastructure and control urban rainwater to the maximum extent， this study is made on the optimization simulation of the rainwater system in County S， and a SWMM model is developed. The results by renovating the rainwater system in County S show that the local peak runoff under typical rainfall condition can be delayed by about 9 minutes， and the number of overloaded pipelines and nodes below the 5 a recurrence period has decreased by more than 90% compared to the number before the renovation， and the flow rate of discharge outlet has also been significantly reduced.

Keywords? SWMM; rainwater system; optimization simulation

收稿日期：2023-11-20

作者簡(jiǎn)介：林利森（1975—），男，高級(jí)工程師，主要從事工程建設(shè)與管理工作。

1?? 研究背景

近年來，我國(guó)學(xué)者將低影響開發(fā)理念引入城市雨水系統(tǒng)設(shè)計(jì)當(dāng)中，利用建模技術(shù)在城市雨水控制利用與雨水資源化回收領(lǐng)域取得了一系列成果。為解決控制目標(biāo)的適用性問題，劉建彪[1]提出了一套適用于LID雨水系統(tǒng)的水文分析方法，以徑流總量為主要指征，科學(xué)地評(píng)價(jià)LID雨水系統(tǒng)對(duì)于地表雨水的削減效果。蒲政衡[2]在青島市李滄區(qū)海綿城市試點(diǎn)區(qū)內(nèi)構(gòu)建了降雨徑流模型，證實(shí)了LID設(shè)施可以增加雨水的滲透，降低雨洪發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)，尤其在低重現(xiàn)期對(duì)雨水徑流總量和峰值具有顯著控制效果。然而，隨著研究的深入，國(guó)內(nèi)學(xué)者也發(fā)現(xiàn)了一些問題，例如LID理念的核心內(nèi)容“低影響”，過于強(qiáng)調(diào)新型雨水調(diào)蓄設(shè)施，而未將長(zhǎng)期以來占主導(dǎo)作用的傳統(tǒng)雨水管道、溝渠等灰色基礎(chǔ)設(shè)施統(tǒng)籌考慮。在LID系統(tǒng)設(shè)定中，灰色設(shè)施僅作為雨水轉(zhuǎn)運(yùn)的空間通道，卻未能與綠色設(shè)施產(chǎn)生聯(lián)動(dòng)效果。為了更好地達(dá)成城市排澇的目的[4]，本文在以S縣城為例研究構(gòu)建其雨水系統(tǒng)時(shí)，綜合考慮了灰色和綠色基礎(chǔ)設(shè)施的協(xié)調(diào)聯(lián)用，以期最大限度地控制城市雨水，為我國(guó)內(nèi)澇防治和雨水控制利用提供參考。

2?? 雨水系統(tǒng)組成

本次模擬構(gòu)建的雨水系統(tǒng)組成如圖1所示，包括入滲系統(tǒng)、轉(zhuǎn)輸系統(tǒng)、調(diào)蓄系統(tǒng)和排放系統(tǒng)。其中調(diào)蓄系統(tǒng)作為控制超常規(guī)降水量的輔助措施，應(yīng)在有條件的情況下敷設(shè)。

圖1? 雨水系統(tǒng)優(yōu)化形式

雨水排放最前端是入滲系統(tǒng)，通過對(duì)城市地表、屋面等結(jié)構(gòu)采取相應(yīng)的改造措施，如鋪設(shè)綠色屋頂、下墊面透水鋪裝等，可以提升區(qū)域內(nèi)的入滲量，從總量上控制住了徑流量的增長(zhǎng)幅度。轉(zhuǎn)輸系統(tǒng)通過雨水控制單元對(duì)地表徑流的匯流過程產(chǎn)生影響，其中灰色基礎(chǔ)設(shè)施將流入管渠系統(tǒng)的徑流向下游輸送，綠色基礎(chǔ)設(shè)施將匯集于自然地面上的地表徑流沿城市綠色下墊面向下游輸送。轉(zhuǎn)輸過程中，雨水會(huì)在壓力水頭的作用下，在灰色—綠色界面上向低壓方向做豎向流動(dòng)，形成雙排水的效果。排放系統(tǒng)位于雨水系統(tǒng)的最下游，借助灰色管渠系統(tǒng)或綠色自然地面，最終將雨水排入水體。

3?? 研究區(qū)域雨水系統(tǒng)優(yōu)化與建模

3.1? 研究區(qū)域概況

S縣位于江西中東部，地處贛、閩交流的主要通道，倚靠武夷山脈，其有據(jù)可考的建城歷史長(zhǎng)達(dá)

1 762年。S縣自然生態(tài)資源豐富，風(fēng)景優(yōu)美，全縣森林覆蓋率73.29 %，是國(guó)家認(rèn)證的國(guó)家級(jí)生態(tài)示范區(qū)、國(guó)家重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)，地貌特征是山多平地少。S縣四季分明，氣候較溫和，屬亞熱帶濕潤(rùn)性山區(qū)氣候，年平均氣溫18.0 ℃，年平均降水量1 800.8 mm，最大年降雨量為2 462.6 mm;最小年降雨量為

1 135.6 mm。當(dāng)?shù)?～6月的降雨量占全年降雨總量的48 %。歷年24 h最大降雨量為178.2 mm。

3.2? 降雨情景規(guī)劃及產(chǎn)匯流過程模擬

3.2.1? 降雨情景規(guī)劃

本文采用芝加哥雨型[5]模擬生成的降雨情景作為模型背景，是因?yàn)榭紤]到芝加哥雨型的降雨模型較實(shí)際常規(guī)降雨峰值更明顯，對(duì)雨水系統(tǒng)的要求更高。結(jié)合S縣住建及氣象部門的指導(dǎo)建議，得出S縣的暴雨強(qiáng)度公式為：

q=。

式中：q為設(shè)計(jì)暴雨強(qiáng)度，L/（hm2·s）;p為設(shè)計(jì)重現(xiàn)期，年;t為降雨歷時(shí)，min;公式中常數(shù)根據(jù)S縣統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算確定。

3.2.2? 雨水產(chǎn)匯流模擬

本文采用非線性水庫(kù)模型[6]模擬徑流匯流，模型基本設(shè)定為將任意子匯水面積均視作非線性水庫(kù)，其一般形式方程如下：

=。

式中：ic（t）為對(duì)應(yīng)單位時(shí)間內(nèi)的凈雨強(qiáng)度，mm/min;Q（t）為對(duì)應(yīng)單位時(shí)間內(nèi)的系統(tǒng)排放量，m3/s;K為庫(kù)容系數(shù);n為無量綱指數(shù)，取值范圍為0～1。

以Horton曲線[7]模擬下滲過程，其計(jì)算公式如下：

式中：f0為徑流剛形成時(shí)單位時(shí)間內(nèi)的下滲量，mm/h;f∞為徑流在土壤飽和時(shí)刻，單位時(shí)間的下滲量，mm/h;

fp，t為t時(shí)刻對(duì)應(yīng)的徑流單位時(shí)間下滲量，mm/h;kd為下滲量的衰減速率，h-1;F（tp）表示tp時(shí)刻內(nèi)達(dá)到的總下滲量，mm。

3.3? 模型參數(shù)設(shè)置

根據(jù)雨水系統(tǒng)模型指導(dǎo)書和當(dāng)?shù)氐膶?shí)測(cè)的氣象水文資料，對(duì)模型進(jìn)行了初始設(shè)定的調(diào)試。之后運(yùn)用大量真實(shí)數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行擬合度調(diào)教，不斷反饋到參數(shù)值的調(diào)整上，最終保證模型計(jì)算出的預(yù)測(cè)值和真實(shí)值在可靠范圍內(nèi)。本文將這部分計(jì)算參數(shù)選定如表1。

表1? 模型計(jì)算參數(shù)

3.4? 模型參數(shù)率定

選取跟蹤監(jiān)測(cè)S縣3場(chǎng)不同發(fā)生時(shí)間、不同降雨強(qiáng)度的降雨情境，獲取其降雨過程數(shù)據(jù)，據(jù)此進(jìn)行模型的參數(shù)率定。

以納什效率系數(shù)（NSE）作為模型質(zhì)量驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)[8]，可以反映其擬合精準(zhǔn)度。若NSE>0.7，則表明模型的質(zhì)量較好，可靠度較高，模型推導(dǎo)出的模擬值和實(shí)測(cè)值擬合程度較高。NSE越是趨近于1，則模型的質(zhì)量越好，模型置信度越高。

對(duì)上述降雨過程數(shù)據(jù)匯總形成校驗(yàn)數(shù)據(jù)源，輸入模型對(duì)其可靠性進(jìn)行驗(yàn)證，3場(chǎng)降雨輸出的納什效率系數(shù)NSE分別為0.86、0.91、0.83，均處于0.7～1.0之間。圖2顯示的是在2018年9月22日的降雨情境下實(shí)測(cè)過程和模擬過程的對(duì)比情況?？梢钥闯?，優(yōu)化后的模型參數(shù)表現(xiàn)出良好的擬合可靠性，所以該模型用于模擬降雨情境是符合準(zhǔn)確度要求的。

3.5? 雨水系統(tǒng)優(yōu)化

研究區(qū)下墊面的滲透性、蓄容量等指標(biāo)有差異，因此需要規(guī)劃每一小塊子匯水區(qū)的雨洪控制單元敷設(shè)占比。考慮到研究區(qū)為S縣城，短時(shí)間內(nèi)不具備設(shè)置超標(biāo)調(diào)蓄系統(tǒng)的條件，故本次雨水系統(tǒng)優(yōu)化不考慮該部分內(nèi)容。

為了使模型的研究條件更精準(zhǔn)，首先需要做好資料準(zhǔn)備工作（包括當(dāng)?shù)厮臍庀笙嚓P(guān)資料、SWMM應(yīng)用的相關(guān)文獻(xiàn)和手冊(cè)等），通過這些資料確定在雨水排除過程中各項(xiàng)設(shè)施參數(shù)的一般設(shè)定，隨后對(duì)照當(dāng)?shù)氐牡乩硇l(wèi)星圖文資料，獲得各子匯水區(qū)的坡度i，最后參考S縣規(guī)劃，確定研究區(qū)域的劃分等級(jí)。本文通過上述程序?qū)縣研究區(qū)劃分為5個(gè)等級(jí)，如圖3所示。

4?? 結(jié)果與分析

4.1? 徑流情況模擬分析

以徑流量為研究變量，利用模型計(jì)算出雨水系統(tǒng)改造前后的徑流過程進(jìn)行數(shù)據(jù)化呈現(xiàn)，同時(shí)研究了不同降雨重現(xiàn)期對(duì)徑流情況產(chǎn)生的影響。囿于篇幅限制，本文僅以降雨重現(xiàn)期P =2 a和P =5 a兩種降雨情境的徑流過程進(jìn)行分析，結(jié)果如圖4所示。

根據(jù)圖4所示的數(shù)據(jù)結(jié)果可知，降雨重現(xiàn)期P=

2 a與P =5 a時(shí)，徑流量—時(shí)間曲線變化節(jié)點(diǎn)與降雨強(qiáng)度—時(shí)間曲線變化節(jié)點(diǎn)并非同步，這種結(jié)果符合現(xiàn)實(shí)情境。徑流量峰值與降雨強(qiáng)度峰值存在時(shí)間差，其主要原因是研究區(qū)域下墊面始終存在非徑流水文過程，如下滲、蓄滯、截留等，在這部分水文過程的影響下，降雨初始時(shí)刻不會(huì)形成徑流。總體而言，徑流量—時(shí)間曲線與降雨強(qiáng)度—時(shí)間曲線的變化趨勢(shì)總是高度相似的，這種相似性所依賴的基礎(chǔ)是降雨為城市徑流出現(xiàn)之根源。

在以上論述的基礎(chǔ)上，對(duì)不同降雨重現(xiàn)期下的徑流曲線變化情況差異加以深入分析。在降雨重現(xiàn)期P= 2 a時(shí)，研究區(qū)雨水系統(tǒng)改造前后的徑流量—時(shí)間曲線變化趨勢(shì)基本一致，但是曲線兩處拐點(diǎn)出現(xiàn)時(shí)間均有差異。降雨強(qiáng)度峰值出現(xiàn)時(shí)刻為45 min，改造前后雨水系統(tǒng)徑流量峰值出現(xiàn)時(shí)間分別為

48 min和57 min，灰—綠聯(lián)合雨水系統(tǒng)將徑流峰值出現(xiàn)時(shí)刻推遲了12 min，且大幅降低了徑流峰值;在雨水系統(tǒng)徑流量迎來峰值之后，短時(shí)間內(nèi)快速削減至低水平狀態(tài)，隨后平緩下降。這種現(xiàn)象表明，此階段雨水系統(tǒng)綠色基礎(chǔ)設(shè)施部分已經(jīng)處于滿負(fù)荷狀態(tài)，主要是灰色基礎(chǔ)設(shè)施在起排凈雨水的作用。徑流曲線在120 min出現(xiàn)第2個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，徑流量以更加平緩的下降速度趨向于零，與現(xiàn)實(shí)情況相符。當(dāng)P=5 a時(shí)，徑流曲線相較于短降雨重現(xiàn)期情境下變化確實(shí)基本一致，徑流量峰值出現(xiàn)時(shí)刻接近，改造前后雨水系統(tǒng)徑流量峰值出現(xiàn)時(shí)間分別為48 min和54 min，延時(shí)效果不顯著，在降雨停止之后，轉(zhuǎn)折點(diǎn)出現(xiàn)的時(shí)間與前一重現(xiàn)期相差不大，但徑流曲線在折點(diǎn)后以更陡峭的下降速度趨向于零，說明此時(shí)的灰—綠聯(lián)合系統(tǒng)受到更大的沖擊，但是仍在系統(tǒng)的承受范圍之內(nèi)。

4.2? 溢流及過載情況模擬分析

以研究區(qū)雨水系統(tǒng)管道過載情況為對(duì)象進(jìn)行數(shù)據(jù)化分析，結(jié)果如圖5所示。

在降雨重現(xiàn)期P =0.5 a的降雨情境下，研究區(qū)原始系統(tǒng)與改造后的雨水系統(tǒng)管道過載情況差異很小，分別為1根管道過載和沒有過載;當(dāng)降雨重現(xiàn)期增加到P =2 a時(shí)，兩種雨水系統(tǒng)管道過載情況出現(xiàn)明顯差異，原始系統(tǒng)過載管道的數(shù)量已經(jīng)大幅增加到82根，整體占比32.90%，而改造后的雨水系統(tǒng)只在最不利管道出現(xiàn)2處過載情況，僅為原始系統(tǒng)過載管道數(shù)量的2.44%;當(dāng)降雨重現(xiàn)期進(jìn)一步提高到P = 5 a時(shí)，改造前后的雨水系統(tǒng)過載情況差異仍然明顯，過載管道數(shù)量分別為136根和8根，原始系統(tǒng)過載管道數(shù)量整體占比已經(jīng)過半，上升到到54.62%，優(yōu)化系統(tǒng)過載管道數(shù)量相對(duì)占比5.88%;當(dāng)降雨重現(xiàn)期P=10 a時(shí)，改造前后雨水系統(tǒng)過載情況的差異在縮小，改造前后雨水系統(tǒng)過載管道數(shù)量分別為157根和20根，原始系統(tǒng)過載管道數(shù)量整體占比63.05%，優(yōu)化系統(tǒng)過載管道數(shù)量相對(duì)占比上升至12.74%。

以研究區(qū)雨水系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)積水情況為對(duì)象進(jìn)行數(shù)據(jù)化分析，結(jié)果如圖6所示。

在降雨重現(xiàn)期P =0.5 a的降雨情境下，研究區(qū)改造前后的雨水系統(tǒng)積水節(jié)點(diǎn)數(shù)量均為0;當(dāng)降雨重現(xiàn)期增加到P =2 a時(shí)，改造前后雨水系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)積水情況出現(xiàn)明顯差異，積水節(jié)點(diǎn)數(shù)量分別為64、0，原始系統(tǒng)積水節(jié)點(diǎn)數(shù)量整體占比25.70%;當(dāng)降雨重現(xiàn)期進(jìn)一步提高到P= 5 a時(shí)，改造前后的雨水系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)積水情況依然存在明顯差異，積水節(jié)點(diǎn)數(shù)量分別為102、2，原始系統(tǒng)積水節(jié)點(diǎn)數(shù)量整體占比40.96%，優(yōu)化系統(tǒng)積水節(jié)點(diǎn)數(shù)量相對(duì)占比1.96%;當(dāng)降雨重現(xiàn)期P =10 a時(shí)，改造前后雨水系統(tǒng)積水節(jié)點(diǎn)數(shù)量差距仍然顯著，分別為131、8，原始系統(tǒng)積水節(jié)點(diǎn)數(shù)量整體占比52.61%，優(yōu)化系統(tǒng)積水節(jié)點(diǎn)數(shù)量相對(duì)占比上升，僅為6.10%，隨著降雨重現(xiàn)期的增加，改造后的雨水系統(tǒng)展現(xiàn)出了良好的穩(wěn)定性。

以降雨重現(xiàn)期P=10 a時(shí)的雨水系統(tǒng)最不利管道和節(jié)點(diǎn)為對(duì)象進(jìn)行改造前后的過程分析。改造前的雨水系統(tǒng)最不利管道為G192，達(dá)到滿流狀態(tài)歷時(shí)1.2 h，而改造之后因?yàn)槁?lián)合了局部區(qū)域內(nèi)綠色基礎(chǔ)設(shè)施的排蓄能力，對(duì)G192的運(yùn)行過程產(chǎn)生了非常有利的變化，在運(yùn)行過程中沒有出現(xiàn)滿流狀態(tài)，滿管時(shí)長(zhǎng)為0。原始雨水系統(tǒng)的最不利節(jié)點(diǎn)為J100，改造前后積水累計(jì)時(shí)長(zhǎng)分別為2.50 h、1.03 h，改造后系統(tǒng)最不利節(jié)點(diǎn)積水累計(jì)時(shí)長(zhǎng)僅為改造前的41.20%，積水總量分別為89.70 L、78.86 L，改造后相對(duì)占比89.71%，積水總量小幅下降。

4.3? 雨水排放口情況分析

以系統(tǒng)出流量作為系統(tǒng)改造效果的評(píng)判指標(biāo)，分析兩種系統(tǒng)出流量的差異，結(jié)果如圖7。

由數(shù)據(jù)可知，兩系統(tǒng)排放口累計(jì)流量均與重現(xiàn)期呈現(xiàn)近似正相關(guān)，且原始系統(tǒng)的排放口累計(jì)流量比改造后系統(tǒng)的排放口累計(jì)流量高出42%～77%，兩相對(duì)比，改造措施。在降雨重現(xiàn)期依次為P=2 a、P=5 a和P=10 a的情境下，原始系統(tǒng)總出水容積依次遞增17.80萬m3、12.15萬m3、8.80萬m3，對(duì)應(yīng)的增長(zhǎng)率呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，分別為73.70%、29.00%和16.30%。隨著重現(xiàn)期增加，兩系統(tǒng)總排放容積均相應(yīng)增長(zhǎng)，但是增量放緩、環(huán)比增長(zhǎng)率下降。實(shí)際上，灰色基礎(chǔ)設(shè)施排水能力相較更容易達(dá)到滿負(fù)荷甚至超負(fù)荷狀態(tài)，因此降雨重現(xiàn)期的增加肯定會(huì)引起系統(tǒng)內(nèi)的積水量大幅上升，溢出水量在在總排放容積這個(gè)指標(biāo)中沒有體現(xiàn)。

以典型排放口峰值流量為分析對(duì)象，在降雨重現(xiàn)期分別為P =2 a、P=5 a和P=10 a的3種降雨情境下，雙排水系統(tǒng)總出水容積相對(duì)于前一研究重現(xiàn)期的增長(zhǎng)率分別為96.50%、37.54%和20.35%，這是因?yàn)槁?lián)合了綠色基礎(chǔ)設(shè)施的雨水調(diào)蓄效果之后，雨水系統(tǒng)在中低重現(xiàn)期情況下排放口總排放容積有顯著下降，當(dāng)P=0.5 a、P=2 a、P =5 a、P=10 a時(shí)，相比原始系統(tǒng)總排放容積分別下降了57.49%、52.57%、45.02%、42.37%，削減量增長(zhǎng)幅度放緩，結(jié)果如圖8所示。

5?? 結(jié)論與展望

1）構(gòu)建雨水系統(tǒng)時(shí)綜合考慮灰色基礎(chǔ)設(shè)施和綠色基礎(chǔ)設(shè)施，并依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況合理選定優(yōu)化設(shè)施，能夠有效解決城市雨水問題。

2）綜合考察徑流削減率、管道超載數(shù)、節(jié)點(diǎn)溢流數(shù)等各項(xiàng)指標(biāo)，可以從局部蓄滯水到系統(tǒng)末端出流全過程，更整體地評(píng)估雨水系統(tǒng)效果。

3）未來應(yīng)當(dāng)真正將綠色和灰色基礎(chǔ)設(shè)施看作一個(gè)整體系統(tǒng)，對(duì)雨水在灰色和綠色基礎(chǔ)設(shè)施中的流動(dòng)狀態(tài)和變化情況展開研究。

4）為使灰—綠色基礎(chǔ)設(shè)施聯(lián)合作用排除內(nèi)澇的效能充分釋放，需要在實(shí)際項(xiàng)目建設(shè)中輔以一定的配套工程設(shè)施。但是如何從技術(shù)經(jīng)濟(jì)角度更易建設(shè)該部分構(gòu)筑物，還需要在后續(xù)的研究中做更多深入探索。

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