SWMM模型在西南地区山前平原城市防洪计算中的应用

导读:SWMM模型在西南地区山前平原城市,防洪计算中的应用,摘要:针对传统水文计算方法应用于山前平原型城市防洪计算中存在的不足,基于SWMM模型,结合西南地区快速的城市化进程与复杂的水文水力特性,建立了集防洪、排涝、排水于一体的水文水动力学模型,SWMM模型在西南地区具有良好的适用性,采用集总的子流域概化方法在满足计算精度的条件下可有效减少建模工作量,易于模型的推广应用,关键词:SWMM模型,随着城

SWMM模型在西南地区山前平原城市防洪计算中的应用

第31卷第12期2013年12月    

()文章编号:10007709201312003804---水 电 能 源 科 学

WaterResourcesandPower   Vol.31No.12

Dec.2013   

SWMM模型在西南地区山前平原城市

防洪计算中的应用

朱 靖,刘 俊,崔 韩,周莨棋()河海大学水文水资源学院,江苏南京210098

摘要:针对传统水文计算方法应用于山前平原型城市防洪计算中存在的不足,基于SWMM模型,结合西南地区快速的城市化进程与复杂的水文水力特性,建立了集防洪、排涝、排水于一体的水文水动力学模型,并深入研究了较大尺度范围下子流域的集总概化方法。结果表明,SWMM模型在西南地区具有良好的适用性,采用集总的子流域概化方法在满足计算精度的条件下可有效减少建模工作量,易于模型的推广应用。关键词:SWMM模型;西南地区;防洪计算;城市化

中图分类号:TV122.5

文献标志码:A

随着城市化进程的快速推进,城市范  近年来,围不断扩展,局地水文气象特性发生了显著变化,而城市建设又缺乏长远规划和有效管理,暴雨内涝灾害频现,造成了重大的经济损失和社会问题。因此,加强城市防洪排涝工程建设,尤其是科学合理地计算城市雨水径流迫在眉睫。西南地区很多水文水力城市分布于山丘区或山岭之间的盆地,特性更为复杂。随着西南地区迅速的城市化进程改变了当地天然产汇流机制,传统的计算方法如推导公式、等流时线法、单位线法等难以反映新的

1]

。同时,雨洪特点[由于城市涉水工程分属多个

1 SWMM模型

1.1 子流域概化

在SWMM模型中,一般将研究区域划分为若干个子流域,根据各子流域的水文水力特性分并通过流量演算方法将各个别计算其径流过程,

子流域的出流组合起来,再应用于具有复杂下垫面的城市地区时就可很方便地解决多特征的雨洪模拟问题。为反映不同的地表特征对产流的影响,各子流域划分为透水区和不透水区,其中不透水区又分为有、无滞蓄库容的不透水面积两部分。整个子流域的总出流量为透水区和不透水区出流量之和。

1.2 地表产流计算

对无滞蓄库容的不透水面积,净雨量等于降对有滞蓄库容的不透水面积,净雨量为降雨雨量;

。对透水面积,量扣除初损(主要为填洼量)除了填洼的损失外,还有下渗的损失,SWMM模型提供了霍顿方程、格林-安普特方程和径流曲线数值方法三种方式模拟下渗。1.3 地表汇流计算

将子流域的三个组成部分视为非线性水库进即联立求解曼宁方程和连续方程,从而将行处理,

子流域的净雨过程转化为出流过程。曼宁方程为:

部门管理,防洪、排涝、排水工程规划设计采用不同的行业规范及水文水利计算方法,要从根本上解决水文水利计算方法不一致而造成防洪排涝工需建立集防洪、排涝、排水于一程不匹配的问题,

体的水文水动力学模型。SWMM模型是为研究和管理城市雨洪而研制的动态降水-径流模拟模型,已广泛应用于城市的暴雨洪水、合流式下水道、排污管道及其他排水系统的规划、分析和设计。SWMM在我国的应用相对较晚,但已在天

2~5]

。鉴此,津、上海等地进行了试用并获得成功[

本文结合西南地区特点,基于SWMM模型,概化下垫面特征及水文水力特性复杂的城市地区,研为城市究了大尺度范围下的城市雨洪模拟问题,防洪排涝及排水规划提供了技术支撑。

,收稿日期:修回日期:2013072820130922----)基金项目:国家自然科学基金资助项目(41301016

,:作者简介:朱靖(男,硕士研究生,研究方向为城市防洪与排水,1988E-mailzhuin6223@163.com-)jg,:通讯作者:刘俊(男,教授、博导,研究方向为城市水务规划与管理,1968E-maillhu.edu.cn-)@hj

第31卷第12期朱 靖等:SWMM模型在西南地区山前平原城市防洪计算中的应用·39·

Q=W1.49n(d-d)5/3S/p 1

2(1)式中,W为子流域漫流宽度;n为曼宁糙率系数;d为水深;dp为地表滞蓄水深;

S为子流域坡度。连续方程为:

dV/dt=Add/dt=Ai′-Q(2

)式中,V为地表积水量;t为时间;A为子流域面积;i′为净雨;Q为出流量。1.4 排水系统流量演算

SWMM模型将排水系统概化为一系列管段(如明渠和管道)和连接节点,并提供稳定波、运动波和动力波三种水力演算方法。其中动力波演算通过求解完整的一维圣维南方程组而得到理论上

最准确的结果[

]。这些方程组包括管段中的连续方程、动量方程及节点处的质量守恒方程。因此,动力波法可模拟城市排水系统中回水、进出口损失和有压流等情况,以及多根下游出水管和环状管网。

 实例

2.1 研究区概况及洪涝特性

某市位于山丘区下游,中心城区面积22.5

km2,区内地势平坦,城区有一条主要河道,干流长27km,上游有一座小(1)

型水库,区间有2条支流汇入,平均比降6.6‰。近年来,该城市发展迅速,干流河道中下游两岸均规划为中心城区,雨水主干管布设改变了当地的产汇流机制。该市面临着上游山丘区来水与城市内涝的双重威胁。上游山丘区源短流急,洪水峰高量大,采用天然流域水文计算方法进行计算。城区管道排水由于传统设计方法的不足及河道高水位的顶托与倒灌,易形成内涝。采用天然流域水文计算方法难以反映城市化地区的产汇流特性,因而选用SWMM模型对该市设计洪水进行计算。2.2 计算方案

针对某城市洪涝特征,根据城市总体规划,结合地形地貌将流域分为城区、郊区和山丘区三类。分区划分见图1。

图1 分区划分示意图

Fig.1 Schematic diagram of reg

ion partition(1

)城区。依据中心城区排水规划的管网布局,考虑地形因素,地面径流就近入河,对城市管网进行概化,在此基础上划分为205个子区域,

总面积45.5km

,在SWMM模型中采用动力波方法进行演算。

(2

)郊区。该区域位于中心城区外侧,属地势较平缓的天然区域,未规划雨水管网。依据地形

资料共划分9个区域,总面积24km

,在SWMM模型中通过坡面汇流进入下游接受管渠。(3

)山丘区。该流域上游的汇水区域属于天然流域,集水面积38.5km2

。水库上游山丘区采用天然流域水文计算方法进行产汇流计算,水库调洪演算按水库汛期调度模式进行。

采用天然流域水文计算方法的山丘区与采用WMM模型演算的城区和郊区使用统一的设计

暴雨分别进行产流计算。上游山丘区产汇流计算得出的设计洪水作为SWMM模型计算的山丘区入流边界条件;

下游河口设计洪水位通过更大流域范围内水文计算得出并作为SWMM模型下游出流边界条件;山丘区至河口区间暴雨径流由WMM模型进行演算,

并通过排水干管进入下游接受河流。.3 模型计算

.3.1 主要参数

(1)子流域漫流宽度。将子流域概化为矩形,当排水干管两侧的汇水面积对称分布时,漫流宽度等于子流域干管长的2倍,即2l;当排水干管两侧的汇水面积为非对称的不规则分布时,漫流宽度取(2-r)l,其中r为形状倾斜因子,取值在0~之间。不同的子流域漫流宽度对子流域的出流

过程有较大影响,

子流域漫流宽度增大时会减小子流域的调蓄作用,出流加快,流量过程线较陡;反之,

出流减缓,流量过程线较平缓,因而在确定时需特别注意。

(2

)不透水面积百分比。SWMM模型中不透水面积指有效不透水面积,即不透水面积与排水系统必须是直接连接的。根据城市总体规划提供的土地利用类型分布,

参照丹佛城市排水和防洪区域(UDFCD

),加权计算各子流域不透水面积比。(3)土壤下渗参数。采用霍顿方程计算透水面积的下渗量,根据当地土壤条件和地区经验手册确定。

(4

)洼蓄。指由洼地蓄水、植物截留等造成的初始损失。通常不透水面积洼蓄小于透水面积洼

蓄。参照美国城市雨洪管理系统[7]

,老城区、新城

区不透水面积洼蓄分别为2、1mm;

下凹式绿地透SS2212·40·

水 电 能 源 科 学                 2013年

水面积洼蓄为10mm,其他透水面积洼蓄5mm。最大、最小下渗率分别为76.2、2.2mm/h,下渗衰减系数为3h。

(5

)地表糙率。用来表征子流域坡面汇流时的阻力,

根据模型用户手册及实践经验确定。城区、郊区不透水区糙率均为0.015,城区、郊区透水区糙率分别为0.240、0.300。

(6

)蓄水单元。用于模拟有蓄水能力的水塘、水库或湖泊。根据规划对湖泊规模进行概化,蓄水单元的水深-面积曲线见表1。

表1 蓄水单元的水深-面积曲线

ab.1 Relationship 

between depth and area of storage unit水深/m面积/m2水深/m面积/m20 8 000 2 42 0001 24 000 3 44 1602.3.2 设计暴雨

收集整理流域雨量资料,

计算雨量频率,推求20年一遇设计雨量及时程分配,

设计雨量点面关系及时程分配采用当地《

暴雨洪水查算图表实用手册》[8]

推荐方法。

2.3.3 水库入流及调洪演算

水库以上的山丘区采用天然流域产汇流计算方法,由设计暴雨推求水库入流过程。按照汛期水库调度模式进行水库调洪演算,将得出的溢洪道出库流量过程作为模型的上边界。2.3.4 计算结果合理性分析

将设计暴雨和各参数输入SWMM模型,运行得出各设计断面和管渠流量过程。下游河口断面流量过程见图2。

图2 出口断面流量过程Fig

.2 Outlet section’s flow curves同时,将SWMM模型计算结果(图2)与天然流域水文计算结果及洪峰模数查图法在设计频率P=25%时进行对比,

分析模型输出的合理性。(1)天然流域水文计算方法。当设计断面上游有调蓄作用较大的水库或设计水库对下游有防洪任务时,采用上游水库调洪后的洪水过程线与区间洪水叠加,得出流域出口的设计洪水。各控制断面采用瞬时单位线法计算洪水过程。(2

)洪峰模数查图法。根据该地区水文手册,查算本流域洪峰模数及相关参数,计算流域出口

设计洪峰模数及洪峰流量。

3种方法计算结果见表2。由表2可看出:①

瞬时单位线适用于未受人类活动影响的山丘区,且流域下游无顶托;②地区水文手册编制时间较早,

难以反映近年来特别是城市快速发展时期地区水文特性的改变;③SWMM模型在该地区应用时考虑了规划城区土地利用、管道排水及地面汇水特性,由于流域不透水面积的增加和汇流时间的缩短,造成了地表径流量和洪峰流量增大,结果合理可靠。

表2 各方案计算结果对比

Tab.2 Comp

arison of results under different methods计算方法设计洪峰流量

/(m3·s

-1)备注

SWMM模型

237考虑了城市化及管网汇流

天然流域计算方法203未考虑城市化洪峰模数查图法

227

编制时间较早,未考虑城市化和水库调蓄

.4 子流域集总概化探究

本次计算子流域数目众多,前期资料整理和模型概化工作量繁重。选取流域中某一区域为研

究对象,面积2.68km2

,划分为18个子流域,

具有详细的排水管网资料,读取模型输出结果中该区域排水干管的出流过程,将18个子流域集总为个子流域,

面积和子流域漫流宽度采用各子流域加和,其余参数按照各子流域面积加权平均求得。同时仅概化排水干管模拟管网资料缺乏地区,

子流域出流通过排水干管进入下游接受河流。通过SWMM模型演算设计频率P=5%时集总

前后该区域的洪峰流量分别为15.9、18.6m3

/s

,相对误差为17.0。出流过程见图3。

图3 集总前后出流过程线对比

Fig.3 Comparison of discharg

e curves beforeand after lump

ed由洪峰流量和出流过程线(图3)可看出,集总后洪峰值较高,峰现时间较早,这是因为仅概化了排水干管而失去了排水支管的调蓄作用,为使模拟更接近于实际,

需对子流域参数进行调整以弥补由于概化而缺失的调蓄作用。由前文可知,总的子流域漫流宽度并不是各个子流域漫流宽度的总和,而应作相应的调整。且在面积不变的情况下,子流域漫流宽度减少,可增大子流域的调蓄作用,使峰现时间延迟,故减少总的子流域漫流宽度进行模拟。调整后的洪峰流量和出流过程分别见表3和图4。由表3、图4可知,对于缺乏详细

T21第31卷第12期朱 靖等:SWMM模型在西南地区山前平原城市防洪计算中的应用·41·

排水管网资料的地区,采用集总的子流域并通过排水干管的实测流量率定总漫流宽度,可在满足计算精度的同时有效减少工作量。

表3 调整后集总前后洪峰流量计算成果对比Tab.3 Comarisonoffloweakbeforeand     pp

afterlumedafteradustment   pj

项目

总漫流宽度/m

计算峰值

3·-1)/(ms

排水管网资料的地区或仅关注出口流量过程而非采用集总的子流域概化可满内部各水力细节时,

足计算精度的要求并有效减少工作量。参考文献:

[]赵鸿奎,李蝶娟.城市化对天津市雨洪情势变1 刘俊,

相对误差/%0.6

]():化的影响[海河水利,J.199454852.-[]徐向阳.城市雨洪模型在天津市区排水分析2 刘俊,

]():计算中的应用[海河水利,J.20011911.-[]郭亮辉,张建涛,等.基于SWMM模拟上海市3 刘俊,

]区排水及地面淹水过程[中国给水排水,J.2006,22():216466,70.-[]4SWMM在城镇排水规划设计中适用性研 陈利群.

]():究[给水排水,J.2010,365114117.-[]黄晶,喻海军,等.基于G5IS的城市雨洪模 黄国如,

18个子流域8400  集总1个子流域(调整后)1250  

15.916.0 

图4 调整后集总前后出流过程线对比Fi.4 Comarisonofdischarecurvesbeforeand     gpg

)afterlumed(afteradustment  pj

]型SWMM二次开发研究[水电能源科学,J.2011,():2944345,195.-[]6ewisA Rossman.Storm WaterManaementModel L   g

’()[sManualVersion5.0M].WashintonDC:User   gUSEPA,2009.

[]7SCE ManualsandReortsonEnineerin.Desin A    pggg

andConstructionofUrbanStormwaterManaement     g[:M].New YorkWaterEnvironmentFederSstems  -y

,ation1992.

[]云南省水文站.云南省暴雨洪水8 云南省水利水电厅,

]查算实用手册[昆明:云南省水利水电厅,Z.1992.

3 结语

a.SWMM模型考虑了规划城区土地利用、

管道排水及地面汇水特性,可反映城市快速发展时期地区的水文特性。

实例应用表明,b.SWMM模型在城市防洪排涝计算中具有很好的适用性。但对于缺乏详细

AlicationofSWMM ModelinUrbanFloodControlCalculationofCit         ppy

BuiltinPiedmontPlainofSouthwestChina      

(,,)ColleeofHdroloand WaterResourcesHohaiUniversitNanin210098,China    gygyyjg  

:AbstractTraditionalhdroloicalcalculationmethodshaveshortcominsinfloodcontrolcalculationofcitbuiltin            yggy 

,onSWMM modeltakinintoaccounttheraidurbanizationofsouthwestareaandcomlilain.Basedrocessiedmont             -gppppp 

,aercatedhdroloicalandhdrauliccharacteristicsthisestablishesahdroloicalandhdraulicmodelinteratinwith            ppygyygygg 

,controldrainwaterloedanddrainae.Andthelumedeneralizationmethodofsubbasininlarescalescoeisflood          -  -  gggpggp

;oodeneralizationstudieddeel.TheresultsshowthattheSWMM modelhasalicabilitinsouthwestChinalumed            ggpyppyp 

methodofsubbasincaneffectivelreducemodelinworkloadundermeetinthereuirementsofcalculationrecision.  -         yggqp   

,oularized.themodeliseastobeThus     ppy 

:;;;KewordsSWMM modelsouthwestareafloodcontrolcalculationurbanization   y 

,,ZHUJinLIUJun,CUIHanZHOULiani    ggq

櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀櫀(上接第20页)

VarietofSatialHomoeneousDereeforRunoffinLowerReachesof         ypgg 

JinshaianRiverandCascadedThreeGores    jgg 

(,,;1.ColleeOfNaturalResourceandEnvironmentSouthwestUniversitChonin400716,China      gygqg 

,,)2.ColleeofWaterResourceandHdroowerSichuanUniversitChendu610065,China       gypyg

:AbstractThedevelomentofthelowerreachesofJinshaianRiverandcascadedThreeGoresmabeexertinflu              -pjggy 

,enceonsatialandtemoraldistributionoftherunoff.BasedontherunoffdataofPinshanCuntanandYichanhdro                -ppggy 

,loicstationsfrom1954to2007yearLorenzcurveandGinicoefficientareusedtoinvestiatetheuniformchaneofrun                -ggg

,offofsatialandtemoraldistribution.TheresultsshowthattheGinicoefficientsofannualrunoffofPinshanCuntan                ppg

;Yichanhdroloicstationsaeardownwardtrendasawholethetemoraldistributionofdischareishomoeneand              -gygpppgg 

;ousalternationoffloodwithlow waterandconstructiondamstoraeonthebasinhaveobviousimactonhomoeneous                gpg

;;dereeofrunofftheuniformdistributionofdownstreamrunoffcomesfromthecascadedustreamreservoirreulation              gpg

butthisimactlimitsintheerformanceoftheustreamreservoirreulationandreservoirinflow;forthelowreulation                 pppgg

,reaterreservoirthenaturalwetanddrchanesofrunoffhasimactthanthatofreulationreservoir.              gygpg 

:;;;;KewordshdrolounoffcascadehdroowerstationGinicoefficientLorenzcurve    ygyrypy 

12211

,,,YEYanMA GuanwenLONGXunianYEYon   gjg

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