基于SWMM的城市雨水管网优化设计

SWMM 模型自开发以来经历多个版本的优化更新，本文采
用 2016 年 9 月发布的 SWMM5.1.011。
2.2 研究区域概化
在满足真实管网水力状况和模拟计算精度要求下，选 取每段管网关键性节点，略去不必要的地块内支状管网，保 留主要的排水管线，提出以下两种假设：（1）降雨在整个 区域上是均匀的，子汇水区域内降雨强度相等。（2）子汇 水区域内雨水就近汇入管网节点。
拟建武汉航空企业总部区域地处江汉平原东部，沿线
场地地势起伏较大，自然地面标高一般在 21.30~34.80m 之
Байду номын сангаас
间。区域拟建设内容涵盖市政道路、桥梁、给排水、照明等。
本次研究范围为武汉航空企业总部区域配套工程（四期）景
星路至景云路，庆云西路至任凯湖路围成的地块（以下简称
临空投），见图 1。
1.2 雨水管网初步设计
采用武汉市暴雨强度公式：
q
=
885 1 + 1. 58 l g (P + ( ) t + 6. 37 0. 604
0. 66) （1）
式中：q—设计暴雨强度（L/s·ha）；P—设计暴雨重
现期（年）；t—降雨历时（min）；F—汇水面积（ha）。
关键词：SWMM；排水管网设计计算；降雨径流模拟；排水管网优化 中图分类号：TU992 文献标识码：A 文章编号：1671-0711（2019）02（下）-00130-03
根据设计地区的暴雨强度公式与管网恒定流理论进行
排水管网设计计算已经采用多年，而恒定均匀流理论公式假
定整个汇水面积上降雨均匀分布，忽略了降雨的时空分布特
模拟结果表明，依据初步设计建立的管网模型，总体 上基本满足 3 年重现期降雨要求，重现期为 5 年时积水点 增多。在实际情况下，如果节点溢流时间达到 1h 以上，很 有可能在雨水口附近道路处产生路面积水，造成城市内涝。 因此在 2~5 年重现期暴雨强度下，本研究区域无内涝发生。 节点有积水产生说明管道超负荷运行，排水能力达不到规 范设计文件要求的临界满流状态。在该设计条件下，节点 积水时间较小，通过局部管线优化，可达到 P=5 年的设计 降雨负荷。 4 管线优化方案 4.1 调整管道坡度
提条件。本文将 SWMM 模型参数分为可确定性参数和待校 准参数。对可确定性参数可通过初步设计资料获取，其中管 道采用钢筋混凝土管，曼宁系数取 0.013。根据区域用地和 路网高程规划，平均坡度计算约为 1%。地表漫流宽度选用 公式：Witdth=Area/Flow Length。根据相关研究成果，针 对不同的土地使用类型确定不透水面积百分比，如表 1 所示。 通过计算可得本研究范围内平均不渗透面积率为 60.61。
Research and Exploration 研究与探索·工艺与技术
基于 SWMM 的城市雨水管网优化设计
陈梓迁，田蕾 （中交第二航务工程勘察设计院有限公司，湖北 武汉 430000）
摘要：为解决传统恒定均匀流理论设计计算管网的局限性，提出基于暴雨洪水管理模型（Storm Water Management model，SWMM）的城市排水管网产汇流模型建立方法。利用该方法对武汉航空企业总部片区排水管网初步设计进行模拟。 依据模拟结果，分析易积水节点产生原因，同时提出对原设计管线的优化调整方案。
China 中国 Plant 设备
Engineering 工程
表 1 不同土地利用类型不渗透面积百分比
土地利用 类型 住宅区
车道
不透水面积率 65.1 85.2
土地利用类型 高密度建设用地
高架桥
不透水面积率 85.2 100
草地
9
城市绿地
9
林地
4.5
水体
0
入渗模型。土壤入渗采用 Horton 模型，最大入渗速率为 50.8mm，最小入渗速率为 6.6mm，衰减系数为 4h-1。（2） 产汇流模型。透水区曼宁系数为 0.13，不透水区曼宁系数为 0.015；透水区洼蓄量 5mm，不透水区洼蓄量 1.52mm。汇 流模型采用非线性水库模型。（3）水力模型采用动力波模型。
征；对于地表雨水产汇流路径等内容的假设较为简单化，结
果难以反映真实产汇流具体路径；理论公式推导计算洪峰流
量适用于较小区域的设计，应用于较大汇水流域时计算精度
偏低。SWMM 模型主要包括城市暴雨径流和水质模拟模型，
其模拟精度高，适用范围广，已在国内外广泛使用。
1 研究区域雨水管网设计
1.1 研究区域概况
根据河湖规划资料，低于最高调蓄水位的排水口有 3 处， 该 3 处排放口设置拍门，采用固定阶段排放模式，其余排放 口设置为自由出流模式。 3 排水管网水力模拟 3.1 设计雨型及雨量
采 用 式（1） 暴 雨 强 度 公 式， 雨 型 采 用 芝 加 哥 雨 型， 降雨重现期为 P=2 年、3 年、5 年，降雨历时为 120min。 根据武汉市排水防涝系统规划设计标准，雨峰系数 r 取值 如 下：P=2 年 时，r=0.40；P=3 年 时，r=0.40；P=5 年 时， r=0.45。设计雨型如图 3 所示。
根据临空投雨水管网初步设计，将研究区域划分为 266 个子汇水区，雨水管网概化为 125 个节点和 125 段管道，10 个雨水排放口。研究区域排水系统概化如图 2 所示。
图 1 研究区域范围示意图
图 2 临空投区域排水系统 SWMM 概化图
2.3 模型参数的设定 与研究区域匹配是模型参数是保证模型科学准确的前
根据上位资料，设计暴雨重现期取为 3 年，综合径流
系数 ψ 取为 0.70，汇流时间取为 10min。采用泰勒多边形
法划分汇水面积，雨水就近汇入临近管道为原则进行设计计
算，对研究区域内景星路、景云路、任凯湖路等 12 条市政
道路下雨水管网进行了初步设计。设计研究区域共计 610 个
雨水检查井和 10 个排水口；雨水主干管总长约 14980m，两
对拟建工程项目进行模拟，虽无管网运行实测数据作 为验证，但采用现有的同城市同建设条件区域的经校正的 模型参数进行模拟，结果还是基本可靠的。参考 SWMM 模 型手册中典型取值范围、不同地表类型径流和武汉市排水 建模的相关文献，对模型待校准参数进行设定。（1）土壤
130 中国设备工程 2019.02 ( 下 )
检查井间距约为 30~120m 之间，最小管径为 DN600，最大
管径为 DN1800；汇水区域总面积约为 163ha。
2 研究区域模型的建立
2.1 SWMM 模型简介
SWMM 可以计算模拟城市区域内包括地表蒸发、时变
降雨量、融雪和积雪、洼地产生的降雨截留、降雨对地下
水的补给、地表径流演算、降雨污染物输送等水文过程。