卢靖宇， 黄 明， 陈 帅， 刘 欣
(1.安徽建筑大学环境与能源工程学院，安徽 合肥 230601；
2 北京清控人居环境研究院有限公司，北京 100083)
雨水管网与河道、湖泊形成的排水系统，是城市重要的排水系统。其中雨水管网与河流相连接，使河流承担了行洪通道的作用，而湖泊常常是降雨排水的受纳水体。河流水位的变化不仅仅受到雨水管网排水速度的影响，也会受到湖泊水位变化的影响，同时雨水管网的排水能力也会随着河流水位的改变而改变。若不考虑雨水管网而单独对河道的排涝能力进行研究，则忽略了雨水管网汇水分区划分以及排水能力的影响，造成河道模型的模拟结果误差较大。若只对雨水管网进行模拟，忽略了河道水位变化的影响，模拟结果也不准确。雨水管网、河道、湖泊构成了一个有机整体，单独构建雨水管网模型或者河道、湖泊模型都不能较好的模拟城市排水系统的运行状态，因此，搭建“管网-河道-湖泊”耦合模型，才能更好的对城市排水系统的运行状态进行分析和研究。目前，研究“管网-河道-湖泊”耦合模型的文献较少，研究探讨了一种使用SWMM搭建雨水管网与河道、湖泊耦合模型的方法。
暴雨洪水管理模型(Storm water management model，SWMM)是美国环境保护署开发的一个基于单个降水事件或者长期降水序列的降水-径流模拟软件，主要用于对研究区域的水量或水质进行动态模拟[1-2]。SWMM模型是典型的排水管网模型,由产流模型、汇流模型和管网水动力模型组成[3-5]，其具有通用性,灵活性,高效性和高拟合度的特点。目前SWMM已被广泛应用于国内外城市排水系统管网的模拟和评估[6-11]。
博望区北倚横山，南濒石臼湖，横山主峰“太阳宫”为市区最高点(459m)，地势南低北高。北部为丘陵山区，城市位于中部平原地区，南部为水乡圩区。属亚热带湿润季风性气候，由于受季风气候的影响，天气多变，冷暖气团交锋频繁，降水年际变化大，5-9月降雨约占全年降雨的60%以上，年内梅雨显著，夏雨集中，常有灾害气候发生。据历年气象资料，最大年降雨量1919mm，最小降雨量460.4mm，多年平均降雨量1096mm。在城市西北部设有撇洪沟一条用于拦截自横山下来的地表径流，西有野风港流域。选取马鞍山市博望区的雨水管网、三条河流(高潮河、博望河、小溪港)以及南部的湖泊(石臼湖)作为研究对象。
2.1 汇水分区划分
汇水分区是SWMM模型的基本计算单元，汇水分区的参数包括面积、宽度、地表坡度、不透水面积百分比、透水地面洼地蓄水量、不透水地面洼地蓄水量、曼宁系数、下渗模型相关参数等[12]。对于子汇水区划分，首先运用ArcGIS软件的Create Thiessen Polygon(创建泰森多边形)功能对汇水区进行初步处理。然后结合研究区域的地形图(图1),在ArcGis中使用合并、拆分、修整边界等工具辅助下对子汇水区进行人工调整处理。
图1 博望区地形图
由于河道、湖泊水面下的土壤处于饱和状态，且水底淤积大量砂石、树枝等阻碍水的下渗，因此在降雨期间内忽略水面区域的下渗。将水面，屋顶，道路等均列为不透水区，结合卫星影像图将水面、路面与土地利用类型综合判断子汇水区的不透水率，不同土地利用类型的不透水率选取参见表1。产流是降雨扣除下渗、植物截留等的损失后形成径流的过程，SWMM 模型提供了Horton，Green-Ampt，SCS三种方法来计算下渗损失，在城市小流域降雨径流模拟中常用的是Horton法[13]。Horton系数、最大洼地蓄水深度等以SWMM模型用户手册推荐值为参考，并根据综合径流系数法进行率定，数使参数选取更准确。
表1 不渗透率参数取值
2.2 降雨数据获取
降雨数据共分为2种，包括实际观测雨量数据和合成雨量数据[14]，合成雨量数据在国内适应性较好的方法是芝加哥合成暴雨过程线,它是由Clint J .Keifer和Heny Hsin Chu在芝加哥进行雨水管网系统研究时,提出的一种合成暴雨过程线[15]。芝加哥合成暴雨过程线对短历时、低重现期的降雨具有很好的拟合作用，根据马鞍山市2015年6月公布的降雨强度公式结合芝加哥雨型生成重现期5a，降雨历时2h的降雨曲线(图2)。马鞍山市强度公式：
式中，q为降雨强度，mm/min；
P为降雨重现期,a；
t为降雨历时，min。
2.3 管网-河道-湖泊模型搭建
通过河底宽度、左右岸边坡、最大高度等数据将河道概化为明渠(见图3)，且将与河道相连的雨水管网排口设置为节点，使雨水管网与河道直接连接构成“管网-河道”系统，在雨水管网的“排放口”节点处按实际数据设置Outlet Offset(出口偏移)，将河道节点处常水位时的水深作为该点的Initial Depth(初始深度)，以河底高程为该点的Invert EI.(管内底标高)。将石臼湖概化为蓄水池，蓄水池底高程设为0m，以湖水常水位高度作为蓄水池初始水深，常水位之上的蓄水曲线依据石臼湖的高程与面积数据进行概化(见图4)，并使“蓄水池”与“管网-河道”系统相连构成完整的“管网-河道-湖泊”系统。
2.4 闸、泵控制
随着雨水不断汇入石臼湖，石臼湖水位持续抬升，河道、管网排水水位也因此抬升，排水能力逐步下降。当湖泊、河道水位达到一定高度时，雨水管网排水能力下降，易造成积涝，需关闭高潮河(人字河段)与石臼湖连接处的闸门并开启水泵进行抽排，当河道水位下降到常水位时关闭水泵，抽排结束。因水泵短时间内频繁启闭对泵的危害大，另需设置水泵开启、闭合状态的最小持续时间。水泵开启条件：石臼湖水位达到6.2m，泵站前水位2.63m，闭合时间不小于10min，编写闸、泵的控制规则以完善耦合模型，控制规则代码对应关系见表2，控制规则如下：
RULE 1
IF NODE SJH DEPTH >6.2
THEN ORIFICE ZhaMen SETTING = 0
RULE 2
IF NODE SJH DEPTH >6.2
AND NODE ZQjd DEPTH >2.63
AND PUMP B TIMECLOSED >00:10
THEN PUMP B STATUS = ON
RULE 3
IF NODE SJH DEPTH >6.2
AND NODE ZQjd DEPTH <= 2.63
AND PUMP B TIMEOPEN >00:10
THEN PUMP B STATUS = OFF
图2 降雨历时—降雨量
图3 河道概化
图4 石臼湖概化
表2 代码对应关系表
图5 SWMM概化模型溢流点图
SWMM模型中提供恒定流、运动波和动态波三种演算模型。恒定流演算模型是简单的将渠道上游端点的进流水文过程线转化为下游端点，不考虑渠道壅水、进口/出口损失、蓄水影响、流向逆转和压力流动，且在模型中的每一节点(检查井)只允许存在一个排放口。运动波演算模型其最大输水量为满流时的输水量，同样不能模拟出流向逆转和压力流动，每一节点也限制为一个排放口。而动态波演算模型可以模拟渠道壅水、蓄水、流向逆转和压力流、进出口损失，并且一个节点允许出现多个排放口。对于受到显著壅水影响的、一个节点存在多个出水口的模型，动态波是唯一可选方法。对三种演算模型进行横向比较，动态波演算模型最为完整、适用的范围最广，但在演算步长相同的条件下动态波相比其余两种演算模型的运算速度较慢。研究的“管网-河道-湖泊”耦合模型选用动态波演算模型，采用演算运算步长为10s执行模拟。耦合模型模拟结果如图6-9。
图6 雨水管网与高潮河道耦合
图7 高潮河(人字河段)与石臼湖耦合
图8 石臼湖水位与闸门过流量
图9 泵站过流量与泵站前节点水深
从图6、图7可以看出，雨水管网、河道、湖泊的水深之间相互作用，能够耦合。降雨开始之后，约0.9h石臼湖水位略高于闸门前水位发生短暂的逆流(见图8)，但此时石臼湖水位仍较低，短暂逆流之后依靠上下游水位差继续排水。1.8h左右石臼湖水位达到6.2m，此时闸门关闭(见图8)、水泵开启(见图9)。约8.1h后，泵站前水位首次降低到泵站起排水位，水泵停止工作，此时上游的水位略高于泵站前水位，继续向下游汇水使得泵站前水深小幅抬升(见图9)。因控制规则中设置水泵开启、关闭状态的最小持续时间为10min，所以10min后水泵再次开启，抽水10min后关闭，在此次水泵关闭之后泵站前水位小幅抬升但略低于泵站起排水位，水泵不再开启，石臼湖水位停止抬升。
结果表明，在SWMM模型下能够实现管网、河道、湖泊之间的耦合，且模拟结果中的溢流点集中区域与博望区5a一遇降雨的易涝区域基本一致，耦合模型具有很好的模拟效果。耦合模型提高了模拟的准确性，能够更针对性的提出合理的改造建议，并可将具体方案纳入模型之中进行验证，对研究区域的排水设施改造具有重要意义。未来还需对河道断面收集足够的信息将其断面概化为不规则的形状，并且选取更多的控制点，将河道分为相对短的河段,使得模型更加精确。
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