鲁九国① LU Jiu-guo；李钦朋② LI Qin-peng
（①滕州市热力有限公司，滕州 277500；②山东省城乡规划设计研究院，济南 250013）
（① Tengzhou Heating Limited Company，Tengzhou 277500，China；② Shandong Urban and Rural Planning Design Institute，Ji′nan 250013，China）
摘要：排水管网是重要的市政基础设施，对城市防洪排涝起着重要作用。针对某城市沿海地区，采用公式法进行管段水力参数计算。为了分析管网实际排水能力，采用暴雨管理模型（SWMM）建立数学模型，完成了概化管网，划分汇水区，确定参数；利用芝加哥降雨合成线，进行了不同雨情条件下降雨模拟。研究结果对排水管网优化设计等方面具有指导意义。
Abstract： Urban drainage pipe network as important infrastructure facilities is crucial to flood control. In order to construe the actual drainage capacity，the drainage capacities of the inshore area in contrive design rainstorm return periods are construed by the storm water management model（SWMM）. The Chicago hydrograph model is employed to synthesize different rainfall scenes with different return periods for dynamic simulation. The main results obtained are： The relationship of rainfall amount， infiltration and runoff capacity is got. The present research lays a solid basis for management and optimizing design of urban drainage system and treating the reduced drainage ability causing by sludge deposition.
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关键词 ：排水管网；水力模拟；SWMM；研究
Key words： drainage network；hydraulic modeling；Storm Water Management Model；study
中图分类号：TU99 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2015）18-0201-03
作者简介：鲁九国（1977-），男，山东滕州人，1999年南京电力高等专科学校毕业，电厂热能动力工程专业，主要从事热力工程、给排水工程方面的管理与研究工作。
0 引言
我国雨水管道计算多是采用恒定均匀流推理公式法计算雨水设计流量。这种方法适用于计算较小规模排水系统，一旦排水系统规模较大时，这种方法会出现较大误差。2014版《室外排水设计规范》规定当汇水面积超过2km2时，宜考虑降雨在时空分布的不均匀性河管网汇流过程，采用数学模型法计算雨水设计流量。利用SWMM建立数学模型，SWMM（Storm Water Management Model）是美国环保局研制的数学模型，应用普遍，国内外学者多用来设计和管理城市暴雨。赵树旗、以SWMM模型为基础，选取北京市某区域主要在“不同的降雨频率条件下”、“不同的不透水面积条件下”进行模拟。刘兴权等研究了GIS与SWMM耦合集成将积水过程三维动态仿真的方法。均取得比较好的模拟结果。
本文以某区域排水系统规划为依据，利用SWMM软件，研究数学模型法在排水对排水方案的指导与优化作用。相比计算公式法，数学模型法更能全面反映研究区域排水情况，可以为低影响开发和海绵城市建设提供理论支持。
1 工程概况
规划区域位于某城市东北部沿海地区，属未经开发的优质海滨地区。规划范围内地形较为平坦，最西端地势略洼。该地区年均降水量606.2～846mm。其中最多年份为1964年1122.2mm，最少年份为1988年307.6mm。大部分区域雨水经干管分别向西、向南重力流排入A河流。A河流水域总面积106.02公顷。
该地区部分规划区域如图1所示。为便于研究，将规划区域划分为HS1至HS17共计17个子汇水区域，设置管1至管15共计15个排水管道，设置J1至J15共计15个排水节点，设置一个排水口排1，最终雨水排入A河流。
2 推理公式法
当汇水面积不超过2km2时，可采用恒定均匀流推理公式法，按公式（1）和公式（2）计算雨水设计流量。
公式（1）的应用基于以下假定条件：①降雨在整个汇水面积上分布均匀；②暴雨强度为定值，不随时间变化；③汇水面积随集流时间增长速度为定值。
采用公式计算法，取地面集水时间为5min，重现期为3年，径流系数为0.4，计算得到汇水流量、设计管道管径、流速、流量等数值见表1所示。
3 数学模型法
当汇水面积过大或者集流时间过长时，水流状态为非恒定流，不宜继续采用公式（1）计算雨水设计流量。GB50014—2006室外排水设计规范（2014年版）规定，当汇水面积超过2km2时，宜考虑降雨在时空分布的不均匀性河管网汇流过程，采用数学模型法计算雨水设计流量。数学模型法可以同时考虑同一降雨事件中降雨强度在不同时间和空间的分布情况，能够更加准确的反映地表径流的产生过程和径流流量。本文采用SWMM模型法研究径流流量及管道负荷。SWMM是基于物理的、离散时间的模拟模型，利用质量、能量和动量守恒原理，通过模拟地表径流、地下水径流、渗入、雪融、地表积水、流量演算等物理过程研究雨水径流量和管道水力参数。
3.1 子汇水面积设置参数
针对规划区域，设置17个子汇水面积，15个排水节点，15段排水管道，其设置参数见表2所示。
3.2 雨量计设置参数
雨量格式采用INTENSITY，时间间隔为5min，捕雪因子为0。不考虑蒸发损失。采用芝加哥暴雨雨型计算降雨量。其计算采用公式（3）和公式（4）。
雨峰发生前（上升段）：
3.3 入渗设置参数
土壤的下渗损失采用霍顿（Horton）模型计算。该方法是根据经验观测，在整个长期降雨时间过程中，渗入呈指数降低，从初始最大速率到最小速率。其计算方法见公式（5）。
式中：
fc——稳定入渗率（mm/h）；
f0——初始入渗率（mm/h）；
k0——衰减常数（h-1）；
tx——下渗时间（s）。
各个子汇水区域不渗透性面积所占比较约40%，路面多采用光滑沥青（n=0.011）和光滑混凝土（n=0.012），透水性覆盖物多是草坪，n=0.15。不渗透性洼地蓄水深度取0.05m，渗透性洼地蓄水深度取0.15m。
3.4 管道设置参数
管道参数按照表1所示设置数值，粗糙系数为0.013。
3.5 流量演算模式
采用动态波演算求解完整一维圣维南流量方程组，这些方程包括管渠的连续性和动量方程，和节点的容积连续性方程。不考虑雪融、地下水的影响。
4 模拟结果及分析
模拟结果显示，地表径流连续性误差为-2.17%，流量演算连续性误差为-0.29%，模拟成功，模拟数据可靠。管道参数报告见表4。将各管段模型法与公式法最大管道流量比较见图3，模型法最大充满度与满流比较见图4。
从表4及图3、4可以看出，在降雨20分钟时，各管段普遍出现最大流量，管渠5流量最小，为1.35m3/s，管渠15流量最大，为12.57m3/s。从管道流量看，仅管道9和管道10的模型法最大流量明显高于计算法设计流量，其余管段流量均低于或持平于计算法设计流量。管道9模型法最大流量为1.98m3/s，比计算公式法设计流量1.23m3/s高60%；管道10模型法最大流量为2.95m3/s，比计算公式法设计流量2.23m3/s高32%；管道1、3、4、7、8模型法最大流量比公式法设计流量分别低48%、59%、31%、52%、35%。从充满度看，管道9充满度为0.81，其余64%的管道最大充满度介于0.4～0.6，36%的管道最大充满度介于0.6～0.8。
5 结论
通过对同一研究区域排水管网分别采用计算公式法和数学模型法进行水力计算，两者计算结果比较吻合，且数学模型法更能全面反映研究区域排水情况。可见在排水管网工程的规划与设计中采用暴雨管理模型（SWMM）是切实可行的。
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