基于SWMMH雨水管理模型的降雨径流对排水沟影响分析_谢孔金.pdf
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1、DOI:10 19807/j cnki DXS 2023 03 070基于 SWMMH 雨水管理模型的降雨径流对排水沟影响分析谢孔金1,谢一鸣2,张照祥3,王海洋4(1 山东高速岩土工程有限公司,山东 济南 250098;2 昆明理工大学 国土资源工程学院,云南 昆明 650093;3 山东鲁勘集团有限公司,山东 济南 250118;4 山东鲁建土木工程有限公司,山东 济南 250022)摘要当满足一定地表产流条件时,随着降雨强度及持续时间的增加,地表径流对实际工程的影响更加直观。以某生态修复提升改造项目为例,阐述了研究区降雨径流方向,构建了研究区地形 3D 模型,利用 SWMMH 雨水管理模
2、型进行降雨径流数值模拟,分析了排水设施不同管段在不同降雨条件下地表径流的汇水深度和流速。结果表明:降水形成的地表径流随坡向汇入排水沟,在 16 mm/h、115 mm/d、267 9 mm/d 三种不同降雨强度和 1 h、1 d 两种降雨持续时间条件下,模拟排水沟内各管段汇水深度最大值均未超过其设计深度。三种降雨情形下径流途径土体介质到达饱和含水率的时间分别为 2 h、2 5 h、1 5 h,若持续降雨时间较短,则汇水深度、流速增大趋势的拐点会随降雨结束呈现出滞后性,且汇水深度、流速的变化趋势不稳定。土体介质到达饱和含水率的时间与降雨强度呈负相关,沟道易积累堵塞物位置不会因降雨强度和持续时间而
3、明显变化。关键词SWMMH 雨水管理模型;降雨径流;排水沟;数值模拟;降雨强度中图分类号TV121+1文献标识码A文章编号1004 1184(2023)03 0205 04收稿日期2022 12 28基金项目国家自然科学基金:“岩溶 裂隙含水层地下水重金属迁移机理研究”(41562012)作者简介谢孔金(1974 ),男,山东单县人,教授级高级工程师,主要从事水文地质与工程地质方面工作。Impact analysis of rainfall runoff on drainage ditchesbased on SWMMH rainwater management modelXIE Kong j
4、in1,XIE Yi ming2,ZHANG Zhao xiang3,WANG Hai yang4(1 Shandong Gaosu Geotechnical Engineering Co,Ltd,Jinan 250098,China;2 Faculffl of land and esources Engi-neering,Kunming University of Science and Technology,Kunming 650093,China;3 Shandong Lukan Group Co,Ltd,Ji-nan 250118,China;4 Shandong Lujian Civ
5、il Engineering Co,Ltd,Jinan 250022,China)Abstract:When certain surface runoff generation conditions are met,with the increase of rainfall intensity and duration,the impact of surface runoff on the actual project is more intuitive Taking an ecological restoration and upgrading project as anexample,th
6、e direction of rainfall runoff in the study area is described,the terrain 3D model of the study area is constructed,the SWMMH rainwater management model is used to conduct numerical simulation of rainfall runoff,and the catchment depthand velocity of surface runoff in different pipe sections of drai
7、nage facilities under different rainfall conditions are analyzed Theresults show that the surface runoff formed by precipitation flows into the drainage ditch along the slope direction Under theconditions of 16 mm/h,115 mm/d,267 9 mm/d rainfall intensity and 1h,1d rainfall duration,the maximum catch
8、mentdepth of each pipe section in the simulated drainage ditch does not exceed its design depth Under three rainfall conditions,the time for runoff to reach saturated water content through soil medium is 2h,2 5h and 1 5h respectively If the duration ofrainfall is short,the inflection point of the in
9、creasing trend of catchment depth and flow rate will show hysteresis with the endof rainfall,and the changing trend of catchment depth and flow rate is unstable The time when the soil medium reaches thesaturated water content is negatively related to the rainfall intensity,and the position where the
10、 channel is easy to accumulateblockage will not change significantly due to the rainfall intensity and durationKey words:SWMMH stormwater management model;ainfall runoff;Drainage ditches;Numerical simulation;ainfall in-tensit0引言随着城市化进程不断推进,城市的降雨径流形成条件发生改变,同时城市管网的排水能力不足,更增大了内涝事件发生概率1。为持续和有效改善生态环境,地方政
11、府和矿山企业不断加大对废弃矿坑的生态恢复治理力度,快速赋予废5022023 年 5 月第 45 卷第 3 期地下水Ground waterMay,2023Vol.45NO.3弃土地新的经济价值2。废弃矿坑的生态恢复是一个系统工程,其中排水设施是一项重要内容,排水设施与降雨径流关系密切,径流形成于降水过程,受土壤含水率的影响3,土壤湿度和降雨强度是径流曲线模型改进调整的基础4。当满足一定的地表产流条件时,随着降雨强度的增加,地表径流对实际工程的影响相比地下径流更加直观。降雨强度是径流系数的重要影响因素5,对区域水资源生态和经济社会发展具有重要作用6。天然降水过程因降雨强度、持续时间等因素复杂多变
12、而具有随机性,随着降雨强度增加,非连续降雨的径流控制率在降低7。降雨改变了松散岩土体中的渗流场8,产生的径流受人类活动和气候变化影响具有不同程度变异9,为此,国内外学者对降雨径流开展了大量研究工作,其中城市雨洪模型是研究降雨径流对排水设施影响的一种重要方法10,目前针对降雨排水设施的水深、流速与降水径流颗粒堵塞关系的研究较少。1研究区概况研究区为采石场遗留下的废弃地,占地面积 207 hm2,地形向北开口呈簸箕状,区内分布许多大小不同的矿坑,受构造和采石影响矿坑岩体裂隙发育,矿坑储水能力较差,水土流失严重。在收集已有气象、水文等方面资料的基础上,通过地形测量和水文地质试验,利用地形建模和数值模
13、拟进行降雨径流影响分析,为规划设计提供参考和依据。研究主要针对排水沟内径流汇水的深度、流速,其中地下径流因与排水设施接触面较小,且自身由于渗流多孔介质的粒径比11和渗流速度12及雨水径流中颗粒浓度13等复杂因素造成在渗流过程中的堵塞,在模拟和实际排水结果中影响较小。研究区为暖温带大陆性季风气候区,四季分明,春季干旱多风,夏季温热多雨,秋季天高气爽,冬季寒冷少雪,春夏干湿差异明显。历年最大日降水量 267 9 mm(1956 9 5)。根据当地水文局监测资料显示,近期最大降雨量为 2018 年 6月 25 日 8 时26 日 7 时,全市平均降雨 147 mm,张店区平均降雨 115 mm。区内
14、周边无河流通过。高程测量采用 1985国家高程基准,区内最大标高 201 10 m,最小标高 119 10m,地表相对高差 82 00 m,地貌单元为低山丘陵,整体地形呈西高东低、南高北低,由南向北逐渐变缓。全区植被覆盖,山体坡脚设置有排水沟。2水文地质条件2 1径流方向分析在不考虑排水沟及道路对降雨径流通道阻挡的条件下,南北方向南段地势较为平缓,由于地表径流主要受地形条件的控制,南段地表径流方向为自西向东,北段地形坡度变陡,为降雨径流排泄通道,方向自南向北。东西方向地形坡度较陡,当降水量较大形成地表径流时,为降水良好的排泄通道,其中在南北路区域,地势稍平缓,形成一陡坎。南北路整体南高北低,地
15、表降雨径流方向主要为自南向北,当降水量较大时,一部分降水漫过路牙石向东侧地势低洼处径流。综上分析,研究区为降水的径流排泄区,降水形成的地表径流通过该区域向东侧及东北侧下游,道路及排水沟对降雨径流有一定阻挡和引导作用。根据现场调查,道路将东坡分成数个汇水区域,各区域地表径流方向与地形倾向一致,地表径流通过道路向下游方向流动,如图 1 所示。图 1研究区径流方向示意图2 2水文地质试验研究深度范围内未揭露地下水,局部存在基岩裂隙水。为查明研究区包气带非饱和松散岩层的渗透系数,选用具有精确度高等诸多优点的双环渗水试验进行现场渗透系数采集工作14。双环渗水试验的外环约束了侧向渗透力、内环模拟垂向一维渗
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