SWMM在城市排水管网系统的应用研究.pdf
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1、科技与质量 Science and technology and quality 159质量管理 【文章摘要】 随着城市化的不断加剧与极端暴 雨频发, 加之我国排水系统标准偏低, 因此城市内涝现象日益频发, 给城市 的发展以及人民的生产生活带来了极 大不便, 故本文以西安市北片未央区 内未央湖公园及附近区域作为研究对 象, 并通过 ArcGIS 基本的空间分析和数 据处理功能以及模型手册获得 SWMM 模型前期基本数据和基本参数, 基于 SWMM 模拟了研究区域内现状排水管 网系统在不同重现期设计暴雨情形下 的内涝情形, 并分析原因, 提出工程改 善措施并对其改善结果做量化分析, 从而提高研究
2、区域内排水管网系统的 排水能力, 减少城市内涝灾害。 【关键词】 城市内涝; 城市雨洪模型; 工程改善; SWMM ; ArcGIS ; 0 引言 由于城市不断扩张, 致使我国城市道 路硬化率逐渐提高, 城市下垫面不透水面 积增加, 造成城区暴雨产、 汇流流量大大 增加, 导致城市内涝现象不断发生。 2010 年住建部关于国内 351 个城市 防洪排涝能力调研结果反映, 在 08-10 年 这 3 年期间, 全国经调查共 218 座城市 发生严重洪涝灾害。 全国有 137 个城市 发生多于 3 次以上的涝灾, 占城市总数 的 39.0%。196 座城市中涝灾积水深度大 于 0.15 米, 严重
3、影响城市交通, 且其中高 达 166 个城市涝水深度大于 0.5 米, 为城 市总数的 47.3%,172 座城市涝水囤积时 间大于半小时, 占城市总数的 49.0%, 更有 57 座城市涝水囤积时间超过 12 小时, 占 城市总数的 16.2%。 基于上述调研, 得知城 市洪涝灾害大大影响人民正常的生产生 活, 对我国经济发展造成不可逆转的重大 损失。 理应不断探求城市洪涝机理, 并利用 先进的技术进行城市内涝灾害模拟, 分析 涝点状况, 为城市排水系统建设提供高效 的支持, 为完善城市内涝机制提供帮助, 对城市防洪排涝减灾有着重大意义, 有效 减少城市内涝灾害给社会带来的经济损 失。 因此
4、本文通过文献全面地整理国内 外雨洪模型, 全方位探讨 SWMM 雨洪模 型原理以及建模方法, 建立基于 SWMM SWMM 在城市排水管网 系统的应用研究 符博渊 西安理工大学 陕西西安 710061 的研究区域城市雨洪模型, 模拟研究区域 内排水管网内涝状况, 进而通过科学有效 的技术手段, 提出缓解城市内涝灾害的方 法, 有效降低城市洪涝灾害。 1 SWMM 原理及建模方法 所谓 SWMM 模型, 系暴雨洪水管理 模型, 是美国环境保护署开发的一个基于 水力学的城市降雨径流模拟模型。 首次 问世于 1971 年, 该模型在城市排水系统 设计中被广泛应用。SWMM 模型不仅对 单一暴雨事件进
5、行降雨径流模拟, 而且可 以对连续降雨而产生的降雨径流进行动 态模拟。SWMM 建模步骤主要可分为六 步 : 创建新项目工程、 绘制研究对象、 设置 研究对象属性参数、 执行运行模拟、 运行 模拟结果、 模拟结果查看。 2 基于 SWMM 研究区域雨洪模型的 建立 本论文研究区域位于西安市北片区 未央区 , 东起灞河 , 南至北三环 , 西至 包茂高速 , 北至渭河。 规划总用地面积 18.76。 研究区域内陇海线由西向东 贯穿。 研究区域内地块现状以建设用地为 主, 少量农田为辅。 由于西安市平均高程 为 400 米, 本研究区域平均高程低于西安 市平均高程, 根据西安市历史洪涝资料, 其北
6、片区为易涝区域, 下图为通过 ArcGIS 提取研究区 DEM 高程数据 : 图 3-1 研究区高程图 得到研究区域每块地块用地性质。 其 中包括医疗用地, 公共绿地, 防护绿地, 教 育科研用地, 居住用地, 文化娱乐用地, 市 政用地, 生态绿地, 商业用地, 行政用地, 体育用地以及仓储用地。 下图所示为研究 区域示意图 : 图 3-2 研究区域用地性质图 2.1 研究区现状排水管网系统概化 本文研究区域内的管网数据为现状 管网实测资料, 由于在研究区域内现状排 水系统分布比较稀少 , 部分子汇水区域旁 并没有铺设排水管道 , 因此现状排水管网 系统属性为 : 研究区域内共 4 个雨水排
7、放 口, 即研究区域内北边有一个雨水排放口 排入雨水处理厂, 东边由南向北分别设置 3 个雨水排放口排入灞河河道。 研究区域 为独立排水区域, 因此研究区域内现状雨 水管网概化结果为 : 节点 55 个 (包括 4 个 排水口) , 现状排水管道 51 条。 下图利用 GIS 技术对现状排水管网进行概化, 如图 所示 : 图 3-3 研究区域内现状排水管网系统概 化图 2.2 研究区子汇水划分 SWMM 模型中所谓子汇水区排水管 网节点所收纳产生地表径流所在区域。 科技与质量 Science and technology and quality 160质量管理 SWMM 模型规定一个子汇水区域
8、有且仅 有一个排水节点, 本文结合研究区地形图 借助 ArcGIS 空间分析与数据处理功能对 研究区域进行子汇水区域的划分。 同时利 用 ArcGIS 中几何计算工具计算每一个子 汇水的面积大小和其特征宽度。 所谓子汇 水区特征宽度为子汇水区最远点到集水 收纳点的距离。 如下图所示为研究区子汇水划分区 域 : 图 3-4 研究区子汇水区域图 2.3 子汇水区不透水面积率确定 通过 GIS 与 Intersect 工具将子汇水 区所在的面要素与土地利用要素图层进 行计算可以得出子汇水区不透水面积率 , 结果如下图所示。 其中研究区域地表被硬 化程度比较高, 其中子汇水区最小不透水 率 5%, 子
9、汇水区最大不透水为 85%, 子汇 水区平均坡度 66%, 因此属于城市化程度 相对比较高的片区。 下图为通过 GIS 计算得到子汇水区 不透水面积率, 如图 2.4 模型参数率定 模型校验基本路线为 : 首先运用芝加 哥过程线方法分别模拟出不同重现期相 同降雨短历时和雨峰系数的降雨过程。 将 模拟得出的降雨过程输入初始的 SWMM 模型里, 其次入渗模型采用霍顿模型, 管 网汇流模型釆用动力波法 , 使子汇水区坡 面流均排入排水节点。 运用刚提出的不同 重现期中居中重现期降雨工况模拟结果, 并进行模型参数预校准工作, 在利用合成 降雨中高重现期降雨与低重现期降雨过 程对预校准的 SWMM 模
10、型参数校准其稳 健性, 如果模拟出的结果满足经验值或者 满足城市综合径流系数范围, 那么模型参 数即选择合理。 (1)SWMM 模型参数校准 本论文确定性参数的选取基于西安 市排水专项规划和西安市 08-20 总规 和 GIS 技术的提取与计算, 而获取经验参数 的方法是根据已有文献资料或 SWMM 模 型手册中的已有的经验值选定。 在建模和 模型分析过程中, 一定要对模型选择的经 验参数进行多次反复的调整和校验, 以提 高模型精准度。 本论文采用刘兴坡于 2009 年提出的 基于综合径流系数的城市雨洪模型参数 率定的方法。 本方法其基本原理是 : 将径 流系数作为 SWMM 模型参数校准最终
11、目 标函数 , 通过城市雨水管网设计中所采 用的综合径流系数与 SWMM 模型模拟得 到的径流系数模拟值进行比较 , 以便对 SWMM 模型中主要的参数进行率定。 下表 经过查阅城市排水手册, 得出城市综合径 流系数的经验值。 表 3.1 城市综合径流系数经验值 以下为对研究区域模型参数校准 : 通过上文对研究区概化得知 : 研究区 属于城市化比较高的地区 , 道路硬化面积 较大 , 平均不透水面积率约为 65.9%, 研 究区面积 18.76, 子汇水区平均坡度 1.69%。 因此选用芝加哥降雨过程线模型 合成居中重现期 P=2a, 雨峰系数 r=0.35, 降雨历时 t=180min 合成
12、降雨作为模拟降 雨过程输入。 根据子汇水区实际情况, 将透水区 曼宁系数、 不透水区曼宁系数、 透水区洼 蓄量、 不透水区洼蓄量、 衰减系数、 采用 入渗模型中最小入渗率、入 渗模型中最大入渗率作为最终校准模型 参数。 通过 SWMM 模型模拟计算得出的 径流系数, 与上文列表综合径流系数经验 值进行对比, 逐步对 SWMM 模型反复迭 代调整 , 最终得到 SWMM 模型参数校准 的解。 其最终模型参数调试结果为 : 透水区曼宁系数取 0.02, 不透水区 曼宁系数取 0.01, 子汇水区透水区洼蓄 量取, 子汇水区不透水区洼蓄量取 , 入渗衰减系数取, 最大入渗 率取, 最小入渗率取 ,
13、此时 SWMM 模拟径流系数为 0.57, 满足 上述列表要求。 模型参数验证 : 运用刚提出的不同重 现期中居中重现期降雨工况模拟结果, 并 进行模型参数预校准工作, 在利用合成降 雨中高重现期降雨与低重现期降雨过程 对预校准的 SWMM 模型参数校准其稳健 性, 因此本文选用重现期分别为 1a,5a,10a, 雨峰系数 r=0.35, 重现期 t=180min 这三种 合成降雨对 SWMM 模型进行稳健性验证。 通过模拟结果发现 , 三场降雨过程的径流 系数模拟值分别为 0.52,0.64,0.71, 均满足 综合径流系数要求。 3 基于 SWMM 的模拟结果分析 图 4.1 排水口 ND
14、35 水深变化图 表 4.1 不同设计降雨重现期情形下研究区 地表径流模拟 图 3-5 子汇水区不透水面积率图 科技与质量 Science and technology and quality 161质量管理 3.1 不同设计降雨重现期情景模拟分 析 因此针对研究区域内现状排水管网 模拟不同重现期分别 1a,2a,5a,10a 降雨历 时 t=180min, 雨峰系数 r=0.35 的合成降雨 情景下的研究区洪涝情形。 3.1.1 地表径流模拟 首先模拟研究区域内在不同重现期 设计暴雨情形下地表径流情形, 地表径流 模拟结果可以反映研究区域不透水面积 率大小对地表径流的影响 , SWMM 模型
15、 模拟结果为 : 报告中列出了研究区各个子 汇水区总入渗量、 地表径流量以及径流系 数等结果。 显然 , 我们可以看出设计暴雨重现期 的不断增加 , 降雨量 , 地面入渗量 , 地表径 流量以及径流系数也都随之增加。 这主要 原因是研究区内的不透水面积比例较大, 造成降雨的下渗量和地表洼蓄量减少, 促 使水流在地表的汇流加剧, 这也充分体现 随着城市硬化路面的不断增加以及城市不 断扩张, 是导致城市内涝的主要原因。 3.1.2 出水口状态模拟 对现状排水管网系统而言, 出水口 一共有 4 个, 分别位于研究区域东边由 南相北分布 3 个, 排水雨水至灞河, 还有 一个排水口位于研究区域北侧,
16、将雨水 直接排入幸福渠。 其出水口编号分别为 ND35,ND28,ND51,ND55, 下 面 模 拟 1a, 2a,5a,10a, 四种重现期情形下出水口状 态。 首先模拟 1a 设计暴雨情形下排水口 ND35 遭遇最大水深状态, 如图 4.1 所示 : 由图我们可以看出, 横坐标为时间 (单位小时) , 纵坐标为出水口 ND35 水深, 图中显示出水口 ND35 遭遇最大水深为 0.48m, 由于出水口管径为 2m, 故排水口 ND35 没有出现淹没状态。 综上以此类推, 现状排水管网系统 出 水 口 ND35,ND28,ND51,ND55, 在 1a 设计暴雨情形下的状态均没有发生淹 没
17、。 以此类推现状排水管网系统出水口 ND35,ND28,ND51,ND55 在 2a,5a,10a 设计暴雨情形下的经过查询均没有出现 淹没状态。 3.1.3 节点溢流模拟 利用 GIS 描述一年一遇设计暴雨现 状排水管网节点溢流时间与排水管网节 点溢流量 , 如图所示 : 图 4.3 1a 设计降雨排水管网节点溢流量 图 可 知 一 年 一 遇 设 计 降 雨 情 景 下 有 31 个 节 点 出 现 溢 流 , 总 溢 流 量 为 26.165103m3, 最长溢流时间为 1.42 小 时。 一年一遇设计降雨情景下有 43 个节 点出现超载, 最大超载时间 2.41 小时。 通 过 模 拟
18、 计 算 可 以 得 知 :一 年 一 遇 设 计 降 雨 情 景 下 溢 流 总 量 较 大 节 点 有 6 个 , 由 大 到 小 分 别 ND32,ND14,ND23,ND36,ND30,ND15。 下文 分类介绍出现溢流量较大节点的原因。 节点 ND32 的溢流量达 3607m3。 原因 分析 : 其一是节点 ND32 接收 7 个子汇水 区域产生的地表径流量, 分别为 SC62,SC6 0,SC56,SC57,SC59,SC61,SC63 这 7 个子汇 水区域 , 共产生径流量, 导致节点 接收的径流量过大 ; 其二由于节点 周围区域 SC59,SC64,SC65 不透水 面积较大
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