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摘 要：为研究城市区域的雨洪规律以及城区下垫面透水面积的增加对于雨洪过程的影响，指导城市区域的防洪排涝工作，以山西省孝义市城北区为例，SWMM为工具，经过子汇水区的划分、管网概化、参数选择等过程建立了研究区的雨洪模拟模型，并利用该模型模拟了重现期为1、3、5、10a以及研究区下垫面不透水率分别为70%、60%、50%时的雨洪过程。结果显示：随着重现期的增加，城区雨洪径流峰值明显增加，但增幅逐渐减小；当下垫面透水面积逐渐增加时，径流峰值逐渐减小，但随着重现期的增大，其增幅减小。表明增加城区下垫面透水面积比率对于改善城市雨洪过程具有一定的效果。
关键词：SWMM模型 降雨重现期 下垫面透水率 城区雨洪分析
中图分类号：P333.2 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）01（c）-0010-04
Abstract：In order to study the process of urban storm-flood and how the urban storm-flood process changes and do some efforts to urban flood control work the storm water model for north part of Xiaoyi city in Shanxi province was established after finishing the dividing of subarea， conceptualization of the conduit system and the choice of the parameters. With the help of this model a simulation on the process of the storm water-flood of different rainfalls with return period of 1，3，5，7 and different impervious area including the percentage of 70%，60%，50%. It shows when the rainfall with a bigger return period happens the peak flow increases， but the increasing range decreases. And the peak flow reduces with the increasing of the previous area， but the range of the reduction of the discharge flow is smaller when the rainfall happens with a bigger return period. These results tell that the practice of increasing the previous area is useful in relieving storm waterlogging.
Key words：SWMM Model return period of rainfall percentage of the previous area urban storm-flood analysis
利用数值模拟技术对城市暴雨洪水过程进行模拟是城市地区防洪减灾系统工作的关键技术，结合城市地区的产汇流特性建立相应的城市雨洪模型可为解决城市地区的洪涝问题、雨水资源利用以及面源污染等问题提供一定的技术支持。该文以SWMM（storm water management model，暴雨洪水管理模型）为基础，建立了山西省孝义市城北区域的城市雨洪模拟模型，并针对不同重现期的设计暴雨和不同的下垫面条件下典型的情景进行模拟计算，分析研究区的雨洪特点、规律以及提高下垫面的透水面积的比例对雨洪过程的影响，为研究区的防洪排涝工作提供一定的技术支持。
1 SWMM模型介绍
美国环保署开发的SWMM模型作为一个动态的降雨-径流模型，可以模拟城市地区单场降雨或连续降雨的水量及水质情况。该模型主要通过大气模块、地表模块、地下水模块和运移模块模拟水流和污染物在排水系统中的输移情况[1]。
SWMM作为一个通用性较好的数值模拟模型，可对城区与产汇流相关的一些水文过程进行计算，主要包括时变降雨量、地表的水蒸发、洼地蓄留以及利用非线性水库法进行坡面汇流计算；此外，SWMM还可对包括管网汇流过程在内的水力计算模型。自SWMM问世以来，被全世界广泛应用于城市排水管网规划设计和雨洪管理的研究中。
2 研究区域模型构建
2.1 研究区下垫面概化
研究区域位于山西省孝义市开发区的城北区域，总面积为1786.86 hm2，该区域地势西高东低，根据研究区地形图，计算得研究区的整体坡度约为0.6%。用地类型包括居住用地、公园绿地、工业用地、市政设施用地、发展备用地、停车场以及道路广场等，土地利用比较复杂，不透水面积约占总面积的70%。研究区多年平均降雨量为490.9 mm，年内季节差异较大，全年降雨量的61%集中在夏季，春秋季节约占25%，冬季降雨量比例不足3%。研究区排水管网为雨污合流制。根据研究区域的用地类型图、卫星影像图以及管网现状图等基本资料，按照SWMM模型的设置要求，进行下垫面的概化，包括子汇水区的划分和管网概化。
根据地形情况，以街区和道路为基本单位划分子汇水区，根据管网现状资料进行管网系统概化。共划分子汇水区356个、排水管道100条，节点98个，排水口1个。
2.2 模型参数设置 本文结合研究区域资料情况及流域特点选择Horton法计算水的下渗。结合研究区的土壤类型经过多次调整，取最大下渗率f0为89 mm/hr，稳定下渗率为f∞16 mm/hr，下渗率的衰减系数α为3。SWMM中的坡面汇流过程采用非线性水库法，其中，不透水地面的洼蓄量取1.27 mm，透水地面的洼蓄量取7.59 mm。不透水地面的地面糙率为0.01，透水地面的地面糙率为0.6。
3.2 改善下垫面条件模拟情景
为了研究改善城市区域的下垫面条件对城区暴雨洪水过程的影响，利用模型分别模拟研究区在现状下垫面条件下城市的雨洪过程，以及在现状下垫面基础上分别增加不同绿地面积的情况下，对城市雨洪过程的改善。其中研究区现状情况下不透水面积为70%。然后在现状基础上分别增加10%和20%的绿地面积后的情况。
4 模拟结果分析
4.1 不同重现期流量分析
利用所建立的雨洪模型分别对重现期为1，3，5，10a，降雨历时为120 min的设计降雨条件下的城区雨洪过程进行模拟计算。模拟总时间为9 h，其中前4 h模拟的是降雨前污水流量情况，从第4个小时起降雨开始，模拟的是降雨时合流制管道中污水和雨水的流量过程。不同重现期的降雨条件下，出水口的流量过程如图2所示。
根据图2可知，随着降雨重现期的增大，出水口流量明显增加。重现期为1年、3年、5年、10年的降雨情况下，出水口的峰值流量分别为4.73 m3/s，8.24 m3/s，10.65 m3/s，13.55 m3/s。重现期为3，5，10a时的峰值流量分别比重现期为1a时增加74.2%，125.2%，186.5%。各重现期相对前一个重现期的峰值径流量增幅分别为74.2%，29.2%，28.6%。可见，随着重现期的增大，峰值径流量的增幅逐渐减小。重现期3a时的峰值径流量比1a时增加幅度最大，主要是由于市政排水系统的设计一般按照1a一遇的标准设计。因此降雨强度增大时，峰值流量增加较大，会导致一定程度的管网满流溢流。
4.2 不同下垫面条件下模拟分析
以某一小区为例，模拟重现期分别为1，3，5，10a时，地面透水面积分别增加10%和20%时，出口流量过程的变化。
根据模拟结果，透水面积增加10%的情况下，重现期为1年、3年、5年、10年的降雨发生时，小区出水口流量峰值分别下降：23.7%、16.7%、15%、12.5%。而绿地面积增加20%时，不同重现期的降雨条件下，小区出水口流量峰值与现有情况相比分别下降：45.4%、34.4%、31.1%、26.9%。比绿地面积增加10%以后的出水口流量峰值下降28.5%、21.3%、18.9%、16.4%。如表2及图10所示。
5 结语
利用SWMM模型计算得出随着降雨重现期的增加，城区雨洪过程的变化规律。并针对提高城区下垫面透水面积比例对雨洪过程的改善进行了量化计算。但是由于不同的研究区土壤类型以及土壤含水量等不同，本文的计算结果对其他地区的适用性无法保证。因此，需要进一步研究当土壤条件不同时，增加下垫面的透水面积比例，对于改善雨洪过程有何影响。
参考文献
[1] Rossman L A.Storm water management model user’s manual Version 5.0[M].National Risk Management Research Laboratory Office of research and development U.S.Environmental Protection Agency CincinnatiOH.US EPA，2004.
[2] 室外排水设计规范.GB-2006[S].中华人民共和国建设部，2006.
[3] 张大伟，赵冬泉，陈吉宁，等.芝加哥降雨过程线在排水系统模拟中的应用[J]. 给水排水，2008，34（z）：354-357.
[4] 霍勇峰.山西省设计暴雨雨型分析[J].水资源与水工程学报，2011，22（6）：158-161.
关键词：SWMM模型 降雨重现期 下垫面透水率 城区雨洪分析
中图分类号：P333.2 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）01（c）-0010-04
Abstract：In order to study the process of urban storm-flood and how the urban storm-flood process changes and do some efforts to urban flood control work the storm water model for north part of Xiaoyi city in Shanxi province was established after finishing the dividing of subarea， conceptualization of the conduit system and the choice of the parameters. With the help of this model a simulation on the process of the storm water-flood of different rainfalls with return period of 1，3，5，7 and different impervious area including the percentage of 70%，60%，50%. It shows when the rainfall with a bigger return period happens the peak flow increases， but the increasing range decreases. And the peak flow reduces with the increasing of the previous area， but the range of the reduction of the discharge flow is smaller when the rainfall happens with a bigger return period. These results tell that the practice of increasing the previous area is useful in relieving storm waterlogging.
Key words：SWMM Model return period of rainfall percentage of the previous area urban storm-flood analysis
利用数值模拟技术对城市暴雨洪水过程进行模拟是城市地区防洪减灾系统工作的关键技术，结合城市地区的产汇流特性建立相应的城市雨洪模型可为解决城市地区的洪涝问题、雨水资源利用以及面源污染等问题提供一定的技术支持。该文以SWMM（storm water management model，暴雨洪水管理模型）为基础，建立了山西省孝义市城北区域的城市雨洪模拟模型，并针对不同重现期的设计暴雨和不同的下垫面条件下典型的情景进行模拟计算，分析研究区的雨洪特点、规律以及提高下垫面的透水面积的比例对雨洪过程的影响，为研究区的防洪排涝工作提供一定的技术支持。
1 SWMM模型介绍
美国环保署开发的SWMM模型作为一个动态的降雨-径流模型，可以模拟城市地区单场降雨或连续降雨的水量及水质情况。该模型主要通过大气模块、地表模块、地下水模块和运移模块模拟水流和污染物在排水系统中的输移情况[1]。
SWMM作为一个通用性较好的数值模拟模型，可对城区与产汇流相关的一些水文过程进行计算，主要包括时变降雨量、地表的水蒸发、洼地蓄留以及利用非线性水库法进行坡面汇流计算；此外，SWMM还可对包括管网汇流过程在内的水力计算模型。自SWMM问世以来，被全世界广泛应用于城市排水管网规划设计和雨洪管理的研究中。
2 研究区域模型构建
2.1 研究区下垫面概化
研究区域位于山西省孝义市开发区的城北区域，总面积为1786.86 hm2，该区域地势西高东低，根据研究区地形图，计算得研究区的整体坡度约为0.6%。用地类型包括居住用地、公园绿地、工业用地、市政设施用地、发展备用地、停车场以及道路广场等，土地利用比较复杂，不透水面积约占总面积的70%。研究区多年平均降雨量为490.9 mm，年内季节差异较大，全年降雨量的61%集中在夏季，春秋季节约占25%，冬季降雨量比例不足3%。研究区排水管网为雨污合流制。根据研究区域的用地类型图、卫星影像图以及管网现状图等基本资料，按照SWMM模型的设置要求，进行下垫面的概化，包括子汇水区的划分和管网概化。
根据地形情况，以街区和道路为基本单位划分子汇水区，根据管网现状资料进行管网系统概化。共划分子汇水区356个、排水管道100条，节点98个，排水口1个。
2.2 模型参数设置 本文结合研究区域资料情况及流域特点选择Horton法计算水的下渗。结合研究区的土壤类型经过多次调整，取最大下渗率f0为89 mm/hr，稳定下渗率为f∞16 mm/hr，下渗率的衰减系数α为3。SWMM中的坡面汇流过程采用非线性水库法，其中，不透水地面的洼蓄量取1.27 mm，透水地面的洼蓄量取7.59 mm。不透水地面的地面糙率为0.01，透水地面的地面糙率为0.6。
3.2 改善下垫面条件模拟情景
为了研究改善城市区域的下垫面条件对城区暴雨洪水过程的影响，利用模型分别模拟研究区在现状下垫面条件下城市的雨洪过程，以及在现状下垫面基础上分别增加不同绿地面积的情况下，对城市雨洪过程的改善。其中研究区现状情况下不透水面积为70%。然后在现状基础上分别增加10%和20%的绿地面积后的情况。
4 模拟结果分析
4.1 不同重现期流量分析
利用所建立的雨洪模型分别对重现期为1，3，5，10a，降雨历时为120 min的设计降雨条件下的城区雨洪过程进行模拟计算。模拟总时间为9 h，其中前4 h模拟的是降雨前污水流量情况，从第4个小时起降雨开始，模拟的是降雨时合流制管道中污水和雨水的流量过程。不同重现期的降雨条件下，出水口的流量过程如图2所示。
根据图2可知，随着降雨重现期的增大，出水口流量明显增加。重现期为1年、3年、5年、10年的降雨情况下，出水口的峰值流量分别为4.73 m3/s，8.24 m3/s，10.65 m3/s，13.55 m3/s。重现期为3，5，10a时的峰值流量分别比重现期为1a时增加74.2%，125.2%，186.5%。各重现期相对前一个重现期的峰值径流量增幅分别为74.2%，29.2%，28.6%。可见，随着重现期的增大，峰值径流量的增幅逐渐减小。重现期3a时的峰值径流量比1a时增加幅度最大，主要是由于市政排水系统的设计一般按照1a一遇的标准设计。因此降雨强度增大时，峰值流量增加较大，会导致一定程度的管网满流溢流。
4.2 不同下垫面条件下模拟分析
以某一小区为例，模拟重现期分别为1，3，5，10a时，地面透水面积分别增加10%和20%时，出口流量过程的变化。
根据模拟结果，透水面积增加10%的情况下，重现期为1年、3年、5年、10年的降雨发生时，小区出水口流量峰值分别下降：23.7%、16.7%、15%、12.5%。而绿地面积增加20%时，不同重现期的降雨条件下，小区出水口流量峰值与现有情况相比分别下降：45.4%、34.4%、31.1%、26.9%。比绿地面积增加10%以后的出水口流量峰值下降28.5%、21.3%、18.9%、16.4%。如表2及图10所示。
5 结语
利用SWMM模型计算得出随着降雨重现期的增加，城区雨洪过程的变化规律。并针对提高城区下垫面透水面积比例对雨洪过程的改善进行了量化计算。但是由于不同的研究区土壤类型以及土壤含水量等不同，本文的计算结果对其他地区的适用性无法保证。因此，需要进一步研究当土壤条件不同时，增加下垫面的透水面积比例，对于改善雨洪过程有何影响。
参考文献
[1] Rossman L A.Storm water management model user’s manual Version 5.0[M].National Risk Management Research Laboratory Office of research and development U.S.Environmental Protection Agency CincinnatiOH.US EPA，2004.
[2] 室外排水设计规范.GB-2006[S].中华人民共和国建设部，2006.
[3] 张大伟，赵冬泉，陈吉宁，等.芝加哥降雨过程线在排水系统模拟中的应用[J]. 给水排水，2008，34（z）：354-357.
[4] 霍勇峰.山西省设计暴雨雨型分析[J].水资源与水工程学报，2011，22（6）：158-161.