基于SWMMH雨水管理模型的降雨径流对排水沟影响分析_谢孔金.pdf

DOI:10 19807/j cnki DXS 2023 03 070基于 SWMMH 雨水管理模型的降雨径流对排水沟影响分析谢孔金1，谢一鸣2，张照祥3，王海洋4(1 山东高速岩土工程有限公司，山东 济南 250098;2 昆明理工大学 国土资源工程学院，云南 昆明 650093;3 山东鲁勘集团有限公司，山东 济南 250118;4 山东鲁建土木工程有限公司，山东 济南 250022)摘要当满足一定地表产流条件时，随着降雨强度及持续时间的增加，地表径流对实际工程的影响更加直观。以某生态修复提升改造项目为例，阐述了研究区降雨径流方向，构建了研究区地形 3D 模型，利用 SWMMH 雨水管理模型进行降雨径流数值模拟，分析了排水设施不同管段在不同降雨条件下地表径流的汇水深度和流速。结果表明:降水形成的地表径流随坡向汇入排水沟，在 16 mm/h、115 mm/d、267 9 mm/d 三种不同降雨强度和 1 h、1 d 两种降雨持续时间条件下，模拟排水沟内各管段汇水深度最大值均未超过其设计深度。三种降雨情形下径流途径土体介质到达饱和含水率的时间分别为 2 h、2 5 h、1 5 h，若持续降雨时间较短，则汇水深度、流速增大趋势的拐点会随降雨结束呈现出滞后性，且汇水深度、流速的变化趋势不稳定。土体介质到达饱和含水率的时间与降雨强度呈负相关，沟道易积累堵塞物位置不会因降雨强度和持续时间而明显变化。关键词SWMMH 雨水管理模型;降雨径流;排水沟;数值模拟;降雨强度中图分类号TV121+1文献标识码A文章编号1004 1184(2023)03 0205 04收稿日期2022 12 28基金项目国家自然科学基金:“岩溶 裂隙含水层地下水重金属迁移机理研究”(41562012)作者简介谢孔金(1974 )，男，山东单县人，教授级高级工程师，主要从事水文地质与工程地质方面工作。Impact analysis of rainfall runoff on drainage ditchesbased on SWMMH rainwater management modelXIE Kong jin1，XIE Yi ming2，ZHANG Zhao xiang3，WANG Hai yang4(1 Shandong Gaosu Geotechnical Engineering Co，Ltd，Jinan 250098，China;2 Faculffl of land and esources Engi-neering，Kunming University of Science and Technology，Kunming 650093，China;3 Shandong Lukan Group Co，Ltd，Ji-nan 250118，China;4 Shandong Lujian Civil Engineering Co，Ltd，Jinan 250022，China)Abstract:When certain surface runoff generation conditions are met，with the increase of rainfall intensity and duration，the impact of surface runoff on the actual project is more intuitive Taking an ecological restoration and upgrading project as anexample，the direction of rainfall runoff in the study area is described，the terrain 3D model of the study area is constructed，the SWMMH rainwater management model is used to conduct numerical simulation of rainfall runoff，and the catchment depthand velocity of surface runoff in different pipe sections of drainage facilities under different rainfall conditions are analyzed Theresults show that the surface runoff formed by precipitation flows into the drainage ditch along the slope direction Under theconditions of 16 mm/h，115 mm/d，267 9 mm/d rainfall intensity and 1h，1d rainfall duration，the maximum catchmentdepth of each pipe section in the simulated drainage ditch does not exceed its design depth Under three rainfall conditions，the time for runoff to reach saturated water content through soil medium is 2h，2 5h and 1 5h respectively If the duration ofrainfall is short，the inflection point of the increasing trend of catchment depth and flow rate will show hysteresis with the endof rainfall，and the changing trend of catchment depth and flow rate is unstable The time when the soil medium reaches thesaturated water content is negatively related to the rainfall intensity，and the position where the channel is easy to accumulateblockage will not change significantly due to the rainfall intensity and durationKey words:SWMMH stormwater management model;ainfall runoff;Drainage ditches;Numerical simulation;ainfall in-tensit0引言随着城市化进程不断推进，城市的降雨径流形成条件发生改变，同时城市管网的排水能力不足，更增大了内涝事件发生概率1。为持续和有效改善生态环境，地方政府和矿山企业不断加大对废弃矿坑的生态恢复治理力度，快速赋予废5022023 年 5 月第 45 卷第 3 期地下水Ground waterMay，2023Vol.45NO.3弃土地新的经济价值2。废弃矿坑的生态恢复是一个系统工程，其中排水设施是一项重要内容，排水设施与降雨径流关系密切，径流形成于降水过程，受土壤含水率的影响3，土壤湿度和降雨强度是径流曲线模型改进调整的基础4。当满足一定的地表产流条件时，随着降雨强度的增加，地表径流对实际工程的影响相比地下径流更加直观。降雨强度是径流系数的重要影响因素5，对区域水资源生态和经济社会发展具有重要作用6。天然降水过程因降雨强度、持续时间等因素复杂多变而具有随机性，随着降雨强度增加，非连续降雨的径流控制率在降低7。降雨改变了松散岩土体中的渗流场8，产生的径流受人类活动和气候变化影响具有不同程度变异9，为此，国内外学者对降雨径流开展了大量研究工作，其中城市雨洪模型是研究降雨径流对排水设施影响的一种重要方法10，目前针对降雨排水设施的水深、流速与降水径流颗粒堵塞关系的研究较少。1研究区概况研究区为采石场遗留下的废弃地，占地面积 207 hm2，地形向北开口呈簸箕状，区内分布许多大小不同的矿坑，受构造和采石影响矿坑岩体裂隙发育，矿坑储水能力较差，水土流失严重。在收集已有气象、水文等方面资料的基础上，通过地形测量和水文地质试验，利用地形建模和数值模拟进行降雨径流影响分析，为规划设计提供参考和依据。研究主要针对排水沟内径流汇水的深度、流速，其中地下径流因与排水设施接触面较小，且自身由于渗流多孔介质的粒径比11和渗流速度12及雨水径流中颗粒浓度13等复杂因素造成在渗流过程中的堵塞，在模拟和实际排水结果中影响较小。研究区为暖温带大陆性季风气候区，四季分明，春季干旱多风，夏季温热多雨，秋季天高气爽，冬季寒冷少雪，春夏干湿差异明显。历年最大日降水量 267 9 mm(1956 9 5)。根据当地水文局监测资料显示，近期最大降雨量为 2018 年 6月 25 日 8 时26 日 7 时，全市平均降雨 147 mm，张店区平均降雨 115 mm。区内周边无河流通过。高程测量采用 1985国家高程基准，区内最大标高 201 10 m，最小标高 119 10m，地表相对高差 82 00 m，地貌单元为低山丘陵，整体地形呈西高东低、南高北低，由南向北逐渐变缓。全区植被覆盖，山体坡脚设置有排水沟。2水文地质条件2 1径流方向分析在不考虑排水沟及道路对降雨径流通道阻挡的条件下，南北方向南段地势较为平缓，由于地表径流主要受地形条件的控制，南段地表径流方向为自西向东，北段地形坡度变陡，为降雨径流排泄通道，方向自南向北。东西方向地形坡度较陡，当降水量较大形成地表径流时，为降水良好的排泄通道，其中在南北路区域，地势稍平缓，形成一陡坎。南北路整体南高北低，地表降雨径流方向主要为自南向北，当降水量较大时，一部分降水漫过路牙石向东侧地势低洼处径流。综上分析，研究区为降水的径流排泄区，降水形成的地表径流通过该区域向东侧及东北侧下游，道路及排水沟对降雨径流有一定阻挡和引导作用。根据现场调查，道路将东坡分成数个汇水区域，各区域地表径流方向与地形倾向一致，地表径流通过道路向下游方向流动，如图 1 所示。图 1研究区径流方向示意图2 2水文地质试验研究深度范围内未揭露地下水，局部存在基岩裂隙水。为查明研究区包气带非饱和松散岩层的渗透系数，选用具有精确度高等诸多优点的双环渗水试验进行现场渗透系数采集工作14。双环渗水试验的外环约束了侧向渗透力、内环模拟垂向一维渗流来求取垂向渗透系数15，在一定的水文地质边界以内，向松散岩层进行连续注水，直到渗水量达到稳定，单位时间的渗水量近似相等时，根据达西定律公式求出渗透系数。现场准备好渗水双环(两个高约 50 cm，直径分别为 25cm 和 40 cm 的不透水圆环)、两套带有刻度的供水杯、铁锹、尺子等。把双环嵌入地表松散岩层内，试验开始时同时向内环和外环内注水，使内、外环的水柱都保持在 10 cm，开始时观测间隔时间为 5 min 一次，当入渗速度减慢后延长观测时间为 10 min 一次，直到单位时间渗水量达到相对稳定，延续2 4 h 即可结束试验。在研究区内选取不同土体类型区域共进行 8 组渗水试验，试验成果如表 1 所示，试验得到平均渗透系数为 0 17 cm/min，各组渗透系数与时间曲线如图 2所示。表 1双环渗水试验成果表序号内环注水体积/cm3注水流量/cm3/min渗透系数/cm/min11 2001200 242850850 173300300 064800800 165800800 166550550 11713001300 268700700 14平均值812 581 250 17图 2双环渗水试验时间 渗透系数曲线602第 45 卷第 3 期地下水2023 年 5 月3数值模拟3 1模型建立研究区地势起伏较大，根据地形测量结果对调查区地形构建 3D 数值模型，地形 3D 模型构建如图 3 所示。图 3地形 3D 模型3 1 1模拟范围、内容和方法本次模拟范围为东坡边缘排水沟排水的同一汇水区域及东坡边缘排水沟。降雨径流模拟内容主要为在不同降雨强度条件下，东坡边缘排水沟内径流汇水的深度、排水沟内汇水流速，评价在不同降雨强度条件下，排水沟是否能满足山坡降雨径流汇水不外流。本次评价工作采用雨水管理模型SWMMH16进行降雨径流模拟。3 1 2研究区域划分本次模拟将东坡共划分为 6 个区域，HS1(1 62 hm2)、HS2(1 65 hm2)、HS3(1 74 hm2)、HS4(1 77 hm2)、HS5(1 32 hm2)、HS6(1 05 hm2)。排水沟管段相应分为 6 段。研究区模拟分区图如图 4 所示，模拟排水沟截面分段见图 5。图 4模拟分区图图 5模拟排水沟截面分段图3 2模型参数模型参数的选取结合评价场地实际情况，确定参数如下:(1)排水沟尺寸:0 5 m 1 0 m(深 宽);(2)地形坡度:4%6%;(3)包气带渗透系数:0 17 cm/min;(4)降雨量:中国气象局规定，24 小时降雨 50 99 9 mm为暴雨，24 小时降雨 100 250 mm 为大暴雨，每小时降雨 16mm 以上或 24 小时降雨 250 mm 以上为特大暴雨。根据当地水文局监测信息显示，近期最大降雨时段为 2018 年 6 月 25日 8 时 26 日 7 时，期间降雨强度为 115 mm/d;历年最大日降水量为 267 9 mm。因此本次模拟取 16 mm/h、115 mm/d和 267 9 mm/d 三种降雨强度分别代表短期特大暴雨最低限、近期最大降雨强度、历年最大降雨强度三种降雨情形。3 3模拟结果3 3 1降雨强度为 16 mm/h，持续 1 h 模拟结果降雨强度为 16 mm/h，持续 1 小时，假设开始时间为 06:00，排水沟内水深、流速模拟结果如图 6 所示。图 6雨强为 16 mm/h 时排水沟内汇水深度、流速曲线由图 6 可知，雨强为 16 mm/h，从 06:00 开始，持续时间1 h，随着时间增加，坡底排水沟内水深、流速逐渐增大，到08:00 达到最大值时管段 GQ6 水深为 0 13 m，随后逐渐降低，过程中 GQ6 段水深一直大于其余管段水深。在 06:30 08:30 时段内管段 GQ4 流速最大且在模拟过程中流速变化率最大。模拟开始后 3 5 h 内管段 GQ3 流速最小，该管段易发生淤堵。3 3 2降雨强度为 115 mm/d，持续 1 d 模拟结果降雨强度为 115 mm/d 时，排水沟内水深、流速模拟结果如图 7 所示。图 7雨强为 115 mm/d 时排水沟内汇水深度、流速曲线由图 7 可知，雨强为 115 mm/d，持续时间 1 d，在 0 2 5h 时段内，随着时间增加，坡底排水沟内水深、流速逐渐增大，达到最大值时管段 GQ6 水深为 0 09 m，且始终高于其余管段水深，随后各段排水沟内水深、流速保持不变，到降水结束后逐渐降低。在模拟开始 24 h 内管段 GQ4 流速最大且在停雨后的流速变化率最大，管段 GQ3 在模拟降雨过程中流速最小，该管段易发生淤堵。3 3 3降雨强度为 267 9 mm/d，持续 1 d 模拟结果降雨强度为 267 9 mm/d 时，排水沟内水深、流速模拟结果如图 8 所示。由图 8 可知，雨强为 267 9 mm/d，持续时间 1 d，在 0 1 5 h 中随着时间增加，坡底排水沟内水深、流速逐渐增大，达到最大值时管段 GQ6 水深为 0 16 m，随后各段排水沟内水深、流速保持不变，到降水结束后逐渐降低。模拟进行 24h 内管段 GQ4 流速依然最大且在停雨后模拟过程流速变化702第 45 卷第 3 期地下水2023 年 5 月率最高，管段 GQ3 在模拟降雨过程中流速最小，该管段易发生淤堵。图 8雨强为 267 9 mm/d 时排水沟内汇水深度、流速曲线3 4应用分析由数值模拟结果可知，降水形成的地表径流随坡向流至山下，汇入排水沟，在 16 mm/h、115 mm/d、267 9 mm/d 三种不同降雨强度条件下，模拟排水沟内汇水深度最大值(管段GQ6)分别为 0 13 m、0 09 m、0 16 m，均未超过排水沟设计深度，可保证汇水不外流，降雨径流对周边环境无不利影响。地表径流速度对城市内涝有显著影响，且排水压力与径流速度正相关17。在三种降雨强度下，管段 GQ3 模拟汇水流速最小，排水压力最低，最易发生淤堵，管段 GQ4 在降雨过后的流速变化率最大，都应在排水设施清理工作中重点考虑。另外，GQ1、GQ6 管段在降雨结束后由于本身位置和流速变化也应注意淤堵问题。当降雨强度较大且持续时间较短时，应结合实际地形，注重降雨停止后的流速慢、水位低、地势缓、流速减小时变化率大的管段进行规划清理，当降雨持续时间较长时，应注重降雨过程中的流速稳定较小的缓坡管段以及降雨结束后流速减小时的变化率较大的管段进行规划清理。在模拟雨强为 16 mm/h，持续降雨 1 h 时，排水沟内汇水深度、流速下降拐点的出现相比降雨持续 1 d 的结果在停雨后有滞后性，这与土体介质的含水率有关，模拟结果表明不同降雨强度时研究区的径流通过的土体达到饱和含水率的时间不同。经过多年发展，降雨径流模型日趋成熟18，本次模拟研究可为实际工程在降雨条件下一定坡度坡脚处排水设施设计深度、排水设施清理时段的规划及排水设施易产生堵塞的位置提供参考。4结语(1)在研究径流影响的过程中，双环渗水试验是测定包气带非饱和松散岩层渗透系数的常用方法，其试验方法简单、数据结果可靠，可为后期进一步研究的数值模拟计算和分析评价提供依据。在不考虑排水沟及道路对降雨径流通道阻挡的条件下，降水形成的地表径流方向与地形方向一致;在考虑排水沟及道路对降雨径流通道阻挡的条件下，道路及排水沟对降雨径流有一定阻挡和引导作用。(2)降水形成的地表径流随坡向流至山下，汇入排水沟，在 16 mm/h、115 mm/d、267 9 mm/d 三种不同降雨强度下，模拟排水沟内汇水深度最大值分别为 0 13 m、0 09 m、0 16m，均未超过排水沟设计深度，可保证汇水不外流。研究区降雨径流对周边环境无不利影响。排水设施清理工作应注重流速小、水位低、水位及流速变化率大的管段位置。在三种降雨强度下，管段 GQ3 模拟汇水流速最小，排水压力最低，管段 GQ4 流速变化率最大，两管段汇水深度均低于 GQ6 管段，易发生淤堵。(3)三种降雨情形下径流途径土体介质到达饱和含水率的时间分别为 2 h、2 5 h、1 5 h，若持续降雨时间较长，超过一定降雨强度下达到饱和含水率的时间时，汇水深度、流速都将随降雨结束而逐渐减小，若持续降雨时间较短，则汇水深度、流速增大趋势的拐点会随降雨结束而呈现出明显的滞后性，且模拟汇水深度、流速的变化趋势不稳定。土体介质到达饱和含水率的时间与降雨强度呈负相关，管段易积累堵塞物的位置不会随降雨强度和降雨持续时间的变化而显著变化，这也为后期进一步探究管道水深、流速与降雨径流颗粒堵塞关系研究提供了理论依据。合理规划清理时段，保证排水通畅是工程遇到降水得以顺利进行的基础和重要条件。参考文献 1郭元，李玉玲，王慧亮，等 气象水文模型耦合的郑州城区内涝预警研究J 水文 2022 42(4):61 67 2肖晓楠，韩西丽，曾辉，等 废弃矿坑的景观生态设计与可持续利用以海口市矿坑群 改 造 为 例J 生 态 环 境 学 报 2018 27(7):1343 1350 3邢贞相，孙鹏，纪毅，等 黑龙江省不同土地利用下季节降水 径流 土壤水响应关系研究J 东北农业大学学报 2021 52(9):86 94 4梁峰铭，王洁，蒿萌，等 不同土壤湿度和雨强下径流曲线模型的改进J/OL 水力发电学报 2022 09:1 13 5张新潮，徐佳，张爽娜 衡水市城区降水径流分析J 地下水2019 41(1):173 175 6祁秉宇 南水北调中线水源区降水径流时空演变归因分析D咸阳:西北农林科技大学 2021 7石佳，同玉，侯精明，等 非连续降雨条件下径流控制效果数值模拟研究J 给水排水 2021 47(S1):468 474 8杨洪伟 土质边坡在不同降雨强度下的渗流场分析J 工程勘察 2019 47(5):1 7 9秦雯 叶尔羌河卡群站 1957 2018 年降水径流变化特征分析J 地下水 2022 44(2):197 198 10徐宗学，程涛 城市水管理与海绵城市建设之理论基础城市水文学研究进展J 水利学报 2019 50(1):53 61 11周永潮，许恒磊，陈佳代，等 渗流作用下多孔介质内颗粒迁移与堵塞规律研究J 岩土工程学报 2022 44(2):255 263 12冶雪艳，李铮，罗冉，等 地下水人工补给过程中流速对多孔介质胶体堵塞的影响机理J 化工学报 2021 72(11):5520 5532 13成智文，耿康，陈晓薇，等 雨水径流条件对陶瓷透水砖快速堵塞的影响J 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