基于SWMM的村镇易涝小区雨水系统改造与优化研究

摘要 以某村镇居民小区内涝防治工程为例，应用SWMM雨水管理模型模拟该小区在多个重现期下雨水系统改造效果，分析雨水管道泄流能力、雨水井最大水深、排放口峰值流量等水力特征；考察增加海绵设施后子汇水区径流量、雨水井最大水深和排放口峰值流量等水力特征，并通过雨水井积水深度随时间的变化曲线分析了雨水井累积雨水量。结果表明：无海绵设施的情况下，改造后雨水管网重现期提升至20 a，GQ32雨水管道泄流能力提升2.70%～22.81%，雨水井最大积水深度下降值为0.024～1.651 m，PFK1水流频率下降4.69%～8.02%，PFK2水流频率下降4.72%～8.12%。增加海绵设施的情况下，改造后雨水井积水深度下降0.020～0.298 m，PFK1峰值流量下降0.051～0.144 m3/s，PFK2峰值流量下降0.043～0.143 m3/s；雨水径流削减率随重现期的增加而减少，最高达28.68%。该研究结果可为村镇居民环境优化提供思路和技术支撑。

关键词 SWMM；雨水系统改造；海绵设施；积水深度；泄流量

中图分类号 TU992 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2023）06-0208-08

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2023.06.049

Research on the Renovation and Optimization of Rain System in Waterlogged Areas Based on SWMM

SU Jin－hai1， HUANG Xin2，3， HU Hao2，3 et al

（1. Anhui Shui’an Construction Group Co.， Ltd.， Hefei，Anhui 230601;2. nhui Key Laboratory of Water Pollution Control and Wastewater Resource，Hefei， Anhui 230601;3. College of Environment and Energy Engineering， Anhui Jianzhu University， Hefei， Anhui  230601）

Abstract Taking waterlogging prevention project of a residential area as an example， SWMM rainwater management model was used to simulate the effect of the renovated project of rainwater pipe system in many multiple return periods，  the discharge capacity of rainwater pipe， maximum water depth of rainwater well， peak discharge of drainage mouth and other hydraulic characteristics were analyzed. The hydraulic characteristics such as the runoff in the sub－catchment area， the maximum water depth of the rainwater well and the peak flow of the discharge port after adding the sponge facilities were investigated. The accumulated rainwater in the rainwater well was analyzed by using the curved line integral of water depth of rainwater well with the time. The results showed that the return period of rainwater pipe increased to 20 a under the conditions of no sponge facilities after rainwater pipe renovated，GQ32 rainwater pipe’s discharge capacity increased by 2.70%-22.81%， the maximum water depth in the rainwater well decreased 0.024-1.651 m， the peak flow frequency of PFK1 decreased by 4.69%-8.02%， the flow frequency of PFK2 decreased by 4.72%-8.12%. Under the conditions of adding sponge facilities after the construction， the water depth of rainwater well further decreased 0.020-0.298 m， the peak flow of PFK1 decreased 0.051-0.144 m3/s， and the peak flow of PFK2 decreased 0.043-0.143 m3/s. The reduction rate of rain runoff decreased with the increase of return period， the highest value reached 28.68%. This study results could provide ideas and technical supports for the optimization of environment of rural residents.

Key words SWMM；Rainwater pipe system’s renovation；Sponge facilities；Depth of water;Water discharge

近年来，随着我国美丽乡村建设的加快，许多村镇硬化率不断上升，许多村镇雨季内涝严重［1］，一些地势低的老旧小区情况更为严重，对村镇居民生活和出行造成了严重影响。老旧小区雨季发生内涝主要有以下原因：①合流制排水管问题。许多村镇居民小区在此前设计时采用雨污合流制排水管。随着硬化率的上升，合流制管道在暴雨季节已经无法满足泄流能力要求［2］。②雨水管老化破损。很多村镇居民小区的雨水管年久失修，破损、堵塞、腐蚀严重，导致雨水不能及时排除［3］。③雨水口堵塞。很多村镇的雨水井井底布满垃圾和淤泥，下雨时雨水将地面上的颗粒垃圾和泥沙一起冲刷到雨水口，造成雨水口堵塞［4］。④地面硬化率增加。随着新农村建设进程的加快，地面硬化率也不断增加，不透水面积比例增加，雨水径流量增加。唐炉亮等［5］研究表明雨水管网改造是治理内涝的一个有效途径。为避免发生内涝，村镇居民小区雨水管改造和海绵设施的增加显得尤为重要，而雨水管改造能否达到预期效果需要利用相关模型进行预测。雨水管理模型（SWMM）能够很好地模拟地面雨水径流和雨水管道的泄流量，评估雨水井和雨水管道的泄流能力［6-7］。笔者以安徽某村镇居民小区雨水系统改造为例，利用SWMM水力模型对该小区雨水系统改造工程进行模拟研究，评估改造后的运行效果，旨在为相关建设项目提供参考。

1 研究区概况

研究区地势比较平坦，整体坡度为3%～4%，主要土地利用类型为住宅，总占地面积约3.88 hm2，总建筑面积3.60 hm2。为解决小区内涝问题，对小区进行室外雨污排水管升级改造，扩大原雨水管道管径。利用SWMM软件构建雨水管网水力模型，对改造后的雨水管道排水能力进行评估。研究区如图1所示。

2 降雨数据构建

研究区属于北亚热带季风气候，春夏季节雨水偏多。王睿等［8］收集了该地多个雨水站40多年的暴雨资料，对传统暴雨强度公式加以改进，最终得出该地暴雨强度公式：式中，i为暴雨强度，单位为mm/min；t为降雨历时，单位为min；P为重现期，单位为a。利用上述暴雨强度公式模拟研究区降雨数据，应用芝加哥雨型器分别模拟重现期为2、5、10、20、50 a时的降雨情况。峰值比例r取0.4，历时120 min。模拟的降雨过程如图2所示。

3 模型构建

将研究区进行概化，按照地形走势，共设置31个子汇水区（ZMJ）、58个雨水检查井（J）、59根雨水管（GQ）和2个排放口（PFK），如图3所示。下渗模型选用Horton模型，演算模型选用运动波，时间演算步长取10 s，模型重要参数

取值见表1。

4 模拟结果与分析

将用芝加哥雨型器构建的降雨数据输入到SWMM模型中，分别模拟雨水管道改造前和改造后的管段流量、节点水深和排放口泄流量。

4.1 主要管段流量分析

根据小区雨水管道管底坡度和管径的变化，选取概化区域的主干管段GQ3、GQ13、GQ23、GQ25、GQ32、GQ58，对其最大流量和最大水深进行分析。以重现期20 a为例，改造前后主干管段泄流量如图4所示。从图4可以看出，当重现期为20 a时，改造后主干管段最大泄流量均大幅度提升，GQ58最大泄流量提升最大，改造前最大泄流量为0.781 m3/s，改造后最大泄流量为0.913 m3/s，泄流能

力提升16.90%。主干管段纵剖面见图5。从图5可以看出，当重现期为2 a时，改造后雨水井积水深度略微下降，改造前和改造后雨水管网均能满足泄流能力要求；当重现期为20 a时，改造前主干管段大部分管段已为压力管段，且雨水漫出雨水井；改造后雨水管虽有部分管段为压力管段，但雨水并未漫过雨水井，勉强能达到雨水泄流能力。

考虑GQ32为子汇水区末端主干管段，支管汇入流量较大且管径变化相对较小，因此GQ32是概化区域的最不利管段。对其泄流能力进行分析，GQ32管道最大泄流量对比见表2。从表2可以看出，雨水管道改造后泄流能力提升较为明显，当重现期为2 a时改造后GQ32管段泄流能力提升2.70%，当重现期为20 a时改造后GQ32管段泄流能力提升22.81%。随着重现期的增加，雨水管道泄流能力显著增加。

4.2 重要节点水深分析

根据小区雨水井深度及雨水管管径变化，选取主干管道上的重要节点，编号分别为J5、J18、J21、J24、J25、J33，对其在不同重现期下最大积水深度进行分析，结果如表3所示。

从表3可以看出，当重现期分别为2、5、10、20 a时雨水管道改造后雨水井最大积水深度明显降低。当重现期为2 a时，J18节点改造前后最大积水深度下降值和径流削减率均最大，改造后最大积水深度下降0.492 m，径流削减率为63.48%。当重现期为5 a时，J5节点改造前后径流削减率最大，达87.67%。当重现期为10 a 时，改造前J5、J18、J21节点部分雨水井无法达到泄流要求，此时J18节点最大积水深度已达2.000 m，超过雨水井深度，雨水将漫出路面，造成地面积水；改造后J18为最不利节点，其最大积水深度为0.963 m，能满足泄流要求。当重现期为20 a时，J18、J21节点雨水井最大积水深度高达2.000 m，不能满足泄流要求，但改造后J18、J21节点雨水井最大积水深度明显降低，J18节点雨水井最大积水深度下降0.543 m，J21节点雨水井最大积水深度下降0.579 m，均能满足泄流能力要求。当重现期为50 a时，改造前后雨水管和雨水井均不能满足泄流要求。

重现期为20和50 a时改造前后重要节点水深随降雨时间的变化如图6所示。从图6可以看出，重要节点（雨水井）水深均在降雨1 h后达到最大，改造后重现期为20 a时重要节点水深明显降低；当重现期为50 a时由于改造前后均不能满足泄流要求，重要节点最大水深无明显变化，说明该改造方案不能满足重现期为50 a时的泄流要求。