CN108446464B - 一种利用swmm模型构建大排水系统的方法 - Google Patents

一种利用swmm模型构建大排水系统的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种利用SWMM模型构建大排水系统的方法，以帮助解决现有城市内涝问题，包括步骤：1、选定模拟区域，确定地表径流行泄通道；2、进行汇水区域水文分析并根据现状普查管线资料和已有设计、施工图纸，对模拟区域在SWMM中进行概化；3、SWMM模型基本参数设定；4、雨水检查井节点参数与雨水管道参数设定；5、地表行泄通道基本参数设定；6、地表行泄通道的参数优化调整；7、运行SWMM，查看SWMM输出报告中模拟区域内易涝点周边区域是否发生内涝；8、若SWMM输出报告中显示易涝点周边形成内涝，返回步骤6，继续进行模拟，直至模型输出结果显示易涝点周边区域内涝减缓或消除时结束模拟。

Description

一种利用SWMM模型构建大排水系统的方法
技术领域
本发明属于城市内涝治理的技术领域，具体涉及一种基于SWMM模型构建包含道路的大排水系统的应用。
背景技术
城市内涝灾害近年来一直困扰着各个城市，特别是特大城市。在我国的规划设计理念中，超过雨水管网排水能力的暴雨径流可以暂时蓄存在地表低洼处，待暴雨过后或管网有富余排水能力时再排出，所以一定会产生城市区域内积水问题。传统的管道系统一般只解决小重现期的暴雨径流，要解决高重现期暴雨内涝问题，解决超管渠设计标准的雨水出路问题，避免城市区域内产生积水问题，必须构建大排水系统，或称内涝防治体系。
大排水系统的设施可分为“排放设施”与“调蓄设施”两类，其中，“排放设施”主要包括具备排水功能的地表漫流（竖向控制）、道路（包括道路路面、利用道路红线内带状绿地构建的生态沟渠）、沟渠、河道等地表径流行泄通道。城市区域内规划设计的道路除了保障交通运输的任务以外，还应承担排除雨水的任务，主要是作为输送超标雨水排除的行泄通道。但如果依靠现有道路（即非设计通道）输送超标雨水，在汇水面积和地面坡度较大的情况下，容易引起其他方面的危险，如行泄通道输送流量过大，可能对通道下游建筑物及行人、行车造成威胁。只有通过科学合理地确定道路的坡度和断面才能既保证超标雨水可及时排除，同时避免由于非设计通道不合理引起的其他危险。
2017年1月住房和城乡建设部发布了城镇内涝防治技术规范（GB51222-2017）中规定：应为城镇雨水径流提供空间和出路，对于内涝防治设计重现期下超出源头减排设施和排水管渠承载能力的雨水，应预设城镇水体、调蓄设施和行泄通道并核实下游的受纳能力；城镇易涝区域可选取部分道路作为排涝除险的行泄通道，并应符合下列规定：
1、行泄通道上的雨水应就近排入水体、管渠或调蓄设施，设计积水时间不应大于12h，并应根据实际需要缩短；
2、宜采用数学模型法校核道路作为行泄通道时的积水深度和积水时间。使用数学模型的作用是：一是可以根据模型的动态水力模拟确定超出内涝重现期标准降雨事件的流量过程线；二是能根据流量过程线分析非设计通道的不合理之处并进行优化改进。
目前的技术方案是通过手动水力计算判断非设计通道是否满足要求，还没有利用数学模型软件动态模拟易涝点积水情况并针对非设计通道进行优化改进。
SWMM模型是由美国环保局推出的一种暴雨径流模型，能够完整地模拟城市降雨径流过程，广泛应用于暴雨径流模拟和城市排水系统管理。SWMM中有稳定波、运动波和动力波三种方法计算管网中的恒定流和非恒定流。选择动力波进行水力模拟，可实现并行管道的水力计算以及管道的承压模拟，满足大排水系统地下排水系统与地上排水系统并行的模拟要求。在SWMM模型中构建大排水系统，可以实现动态降雨过程下两个排水系统的耦合，还可实现同时模拟压力流与重力流并存的管道流态实现两个系统之间水量和动量平衡。
发明内容
针对现有城市内涝严重的问题，本发明所要解决的技术问题就是提供一种利用SWMM模型构建大排水系统的方法，它能将道路和雨水管道作为双排水系统，模拟暴雨情况下易涝点周边区域积水情况，为改进行泄通道提供指导，减少或避免城市内涝的发生。
本发明所要解决的技术问题是通过这样的技术方案实现的，它包括有以下步骤：
步骤1，选定模拟区域，确定地表径流行泄通道；
步骤2，进行汇水区域水文分析并根据现状普查管线资料和已有设计、施工图纸，对模拟区域在SWMM中进行概化；
步骤3，SWMM模型基本参数设定，包括重现期与对应雨型、汇水区域基本参数，并选择动力波进行水力模拟；
步骤4，雨水检查井节点参数与雨水管道参数设定；
步骤5，地表行泄通道基本参数设定；
步骤6，地表行泄通道的参数优化调整；
步骤7，运行SWMM，查看SWMM输出报告中模拟区域内易涝点周边区域是否发生内涝；
步骤8，若SWMM输出报告中显示易涝点周边形成内涝，即行泄通道坡度与断面不符合要求。需返回步骤6，通过调整行泄通道的地面标高、断面形式及断面宽度，继续进行模拟，直至模型输出结果显示易涝点周边区域内涝减缓或消除时结束模拟。
本发明的技术效果是：
1、利用SWMM模型构建以道路为大排水系统的方法，通过SWMM进行动态模拟，可准确得到易涝点周边区域积水情况，为改进行泄通道提供指导。
2、本发明在SWMM模型中考虑了动态降雨过程以及与地下排水管道的联动制动进行水量动量平衡，更精确地模拟评估了不同降雨重现期下道路作为泄洪通道的通洪能力。将道路设置为管道并利用动力波进行水力模拟，实现了上下并行管道的水力计算和管道承压模拟，避免节点超载水量以洪流形式直接损失，更准确反映将道路作为大排水系统的排水情况。
3、本发明通过评估动态降雨洪涝过程，反映了溢出水一部分从街道流向下游，一部分回流进排水管道的情况，可计算地表街道水面线变化情况，更贴近于实际，为易积水地区的涝情提供预报，减小洪涝灾害的损失。
所以本发明具有如下的优点：将道路和雨水管道作为双排水系统在SWMM模型中进行动态模拟，可准确模拟溢流处检查井的雨水通过道路行泄的情况以及易涝点周边区域积水情况，减少或避免城市内涝的发生。
附图说明
本发明的附图说明如下：
图1为一个双层排水系统的示意图；
图2为本发明的流程图；
图3为实施例中的易涝点周边区域积水深度变化图；
图4为实施例中的雨水管道排放流量变化图；
图5为实施例中的行泄通道排放流量变化图；
图6为实施例中的行泄通道水深变化图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：
如图1所示，双层排水系统系统包括地下排水管道与地上行泄通道，行泄通道输送的为超出内涝防治重现期下的超标雨水，是大排水系统的构成部分；排水管道输送的是常见降雨事件下的雨水。当进入排水系统的水量不大于排水管网的排水能力时，水流能通过排水管网排出；反之，水流会通过检查井溢出至行泄通道，形成地表漫流。行泄通道与排水管道通过检查井相连构成了一个双层排水结构。
图2为本发明的流程图,包括以下步骤：
步骤1，选定模拟区域并依据当地水文条件、地形地貌分析，并通过不同降雨条件下的内涝风险评估等综合确定地表径流行泄通道；
步骤2，对汇水区域水文进行分析；按地表排水方向、汇水区关键节点竖向、断面控制要求，进行子汇水区划分，确定道路、沟渠等作为径流行泄通道的布局并根据现状普查管线资料和已有设计、施工图纸，对模拟区域在SWMM中进行概化（即简化处理，SWMM模型包括检查井节点、汇水区及管道即可）。
步骤3，SWMM模型基本参数设定
步骤3.1，考虑城镇类型、积水影响程度和内河水位变化等因素，根据城市内涝防治技术规范确定内涝防治重现期与对应的暴雨雨型，若有实际降雨资料，则可根据重现期选择对应降雨事件输入SWMM中；若无实际降雨资料，可利用确定的暴雨雨型生成对应重现期的降雨事件；
步骤3.2，根据步骤2获取的资料，确定汇水区水文参数，包括汇水区面积、坡度、宽度、下垫面类型，不透水地面的百分比等数据；
步骤3.3，选择SWMM中的动力波方程进行水力模拟。
步骤4，在SWMM模型中进行雨水检查井节点与雨水管道参数设定
步骤4.1，雨水检查井节点参数设定：输入参数包括检查井底标高、最大深度和初始深度。根据实际情况输入，最大深度为检查井高度，初始深度一般为0；
步骤4.2，雨水管道参数设定：管道为道路下方雨水管道，设为C1；断面形状根据实际情况选择；最大深度为管道管径；长度和曼宁系数根据实际情况输入；进水偏移与出水偏移表示管底距检查井底部的距离，根据实际情况输入。
步骤5，在SWMM模型中进行地表行泄通道基本参数设定
步骤5.1，在行泄通道对应两检查井中间重新添加另外一条管道C2概化行泄通道；
步骤5.2，根据《城镇内涝防治技术规范》规定，以道路作为行泄通道时，道路积水深度需满足不高于15cm，因此最大深度设置为0.15m；
步骤5.3，是否可从道路两边边坡溢出，选项选择洪水不能从两边边坡溢出；或者选择一边或两边溢出，此时系统默认超过最大深度的洪水会从道路两旁溢出，成为损失水量；
步骤5.4，行泄通道其他参数设定：长度为道路长度，曼宁系数在0.015-0.02之间，初始深度通常为0；
步骤6，在SWMM模型中进行地表行泄通道的参数优化调整
步骤6.1，管道断面形状选择矩形，即道路断面形状；若道路断面形状不规则，即可选择不规则形状进行自定义设定；
步骤6.2，若行泄通道为道路中央无隔离带，各种车辆在车道上混合行驶的单幅路，则管道并行数量设置为1；若行泄通道为道路中央设置隔离带，车辆可分向行驶的多幅路面，双侧排水，则管道并行数量设置为2；
步骤6.3，行泄通道底部宽度即为道路宽度，依据实际情况输入即可；
步骤6.4，行泄通道的初始进水偏移设置为检查井高度，保证检查井溢流雨水可直接进入行泄通道，出水偏移等于或低于进水偏移即可，此时行泄通道纵断面与实际情况一致。
步骤7，运行SWMM，查看SWMM输出报告中易涝点的最大水深及持续时间，通过输出报告判断易涝区域的易涝点是否发生内涝；
步骤8，若SWMM输出报告中显示易涝点积水深度大于0.15m，积水时间超过30min，说明易涝点周边形成内涝，即行泄通道坡度或断面不符合要求，易涝点雨水无法及时排出。
步骤8.1，返回步骤6，依据实际工程情况与限制条件选择以下三种调整方式进行优化：①调整地面标高，即通过调整泄洪通道的进水偏移与出水偏移来改变行泄通道的坡度；②改变道路的断面形式；③增大道路的断面宽度；
步骤8.2，通过反复进行步骤6-步骤8.1，直至输出报告显示易涝点内涝缓解或完全消失，结束。
实施例：
选取重庆市某广场，研究区段为此广场两条大道相交路段，此路段两大道相交处为最低点，极易形成内涝。前期通过SWMM模型进行积水现状模拟，结果为：在重现期为10年一遇情况下，内涝点积水深度超过2m，积水时间超过2小时，积水严重，因此提出了一种设置行泄通道的改善方案，具体实施过程的前4个步骤已在积水现状模拟时完成。从步骤5开始，地表行泄通道的改进过程为：
步骤5，在SWMM模型中进行地表行泄通道参数设定
步骤5.1，在易涝点与下游节点之间添加一条管道C2概化地表行泄通道；
步骤5.2，最大深度设置为0.15m；
步骤5.3，选择洪水不能从两边边坡溢出；
步骤5.4，行泄通道其他参数设定：长度为400米（即为道路长度），曼宁系数为0.015，初始深度为0。
步骤6，在SWMM模型中进行地表行泄通道的参数优化调整
步骤6.1，管道断面形状选择矩形；
步骤6.2，由于行泄通道为道路中央设置隔离带，车辆可分向行驶的多幅路面，双侧排水，则管道并行数量设置为2；
步骤6.3，行泄通道底部宽度设为35m；
步骤6.4，行泄通道的初始进水偏移设置为检查井高度，为3米，出水偏移同样设置为3米，此时行泄通道纵断面与实际情况保持一致。
步骤7，运行SWMM， SWMM输出报告如下：
如图3所示，易涝点周边区域积水深度小于0.1米，基本无积水现象，说明此时易涝点周边区域内涝情况得到极大改善；
如图4所示，雨水管道最大流量为 0.15m3/s ；
如图5所示，道路作为大排水系统的行泄通道最大流量为1.4m3/s；
如图6所示，道路作为行洪通道最大水深约0.04m。
本方法发明能够准确模拟以道路作为大排水系统的双排水系统排放雨水的动态变化过程，模拟结果表明以道路作为大排水系统可迅速排放超标雨水，减轻市政管网压力。

Claims (6)

1.一种利用SWMM模型构建大排水系统的方法，其特征是，包括以下步骤：
步骤1，选定模拟区域，确定地表径流行泄通道；
步骤2，进行汇水区域水文分析并根据现状普查管线资料和已有设计、施工图纸，对模拟区域在SWMM中进行概化；
步骤3，SWMM模型基本参数设定，包括重现期与对应雨型、汇水区域基本参数，并选择动力波进行水力模拟；
步骤4，雨水检查井节点参数与雨水管道参数设定；
步骤5，地表行泄通道基本参数设定；
步骤6，地表行泄通道的参数优化调整；
步骤7，运行SWMM，查看SWMM输出报告中模拟区域内易涝点周边区域是否发生内涝；
步骤8，若SWMM输出报告中显示易涝点周边形成内涝，返回步骤6，通过调整行泄通道的地面标高、断面形式及断面宽度，继续进行模拟，直至模型输出结果显示易涝点周边区域内涝减缓或消除时结束模拟。
2.根据权利要求1所述的利用SWMM模型构建大排水系统的方法，其特征是，所述步骤3包括：
步骤3.1，确定内涝防治重现期与对应的暴雨雨型；
步骤3.2，根据步骤2获取的资料，确定汇水区水文参数，包括汇水区面积、坡度、宽度、下垫面类型和不透水地面百分比的数据；
步骤3.3，选择SWMM中的动力波方程进行水力模拟。
3.根据权利要求2所述的利用SWMM模型构建大排水系统的方法，其特征是，所述步骤4包括：
步骤4.1，雨水检查井节点参数设定：输入参数包括检查井底标高、最大深度和初始深度；
步骤4.2，雨水管道参数设定：管道为道路下方雨水管道，设为C1；断面形状根据实际情况选择；最大深度为管道管径；长度和曼宁系数根据实际情况输入；进水偏移与出水偏移为管底距检查井底部的距离，根据实际情况输入。
4.根据权利要求3所述的利用SWMM模型构建大排水系统的方法，其特征是，所述步骤5包括：
步骤5.1，在行泄通道对应两检查井中间重新添加另外一条管道C2概化行泄通道；
步骤5.2，最大深度设置为0.15m；
步骤5.3，选择洪水不能从两边边坡溢出；或者选择一边或两边溢出；
步骤5.4，行泄通道其他参数设定：长度为道路长度，曼宁系数在0.015-0.02之间，初始深度为0。
5.根据权利要求4所述的利用SWMM模型构建大排水系统的方法，其特征是，所述步骤6包括：
步骤6.1，管道断面形状选择矩形；若道路断面形状不规则，则选择不规则形状进行自定义设定；
步骤6.2，若行泄通道为道路中央无隔离带，各种车辆在车道上混合行驶的单幅路，则管道并行数量设置为1；若行泄通道为道路中央设置隔离带，车辆分向行驶的多幅路面，双侧排水，则管道并行数量设置为2；
步骤6.3，行泄通道底部宽度即为道路宽度，依据实际情况输入即可；
步骤6.4，行泄通道的初始进水偏移设置为检查井高度，保证检查井溢流雨水可直接进入行泄通道；出水偏移等于或低于进水偏移，行泄通道纵断面与实际情况一致。
6.根据权利要求5所述的利用SWMM模型构建大排水系统的方法，其特征是，在SWMM输出易涝点积水深度大于0.15m，积水时间超过30min的情况下，所述步骤8包括：
步骤8.1，返回步骤6，选择以下三种调整方式进行优化：1、调整地面标高，通过调整泄洪通道的进水偏移与出水偏移来改变行泄通道的坡度；2、改变道路的断面形式；3、增大道路的断面宽度；
步骤8.2，通过反复进行步骤6-步骤8.1，直至输出报告显示易涝点周边区域内涝缓解或完全消失。
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