论文导读：城市暴雨管理模型。子汇水区域的划分。并加重排水管网的排水任务。排水管网，不同分区方法在SWMM模拟中的比较。
关键词：暴雨管理模型，子汇水区，排水管网
0 引言
随着城市化进展不断加快，城市下垫面情形发生着显著的变化，其下垫面透水比例逐渐减小。下垫面透水比例不断减小，使得降雨产生的水流渗透量减少以及汇流时间缩短，这些导致洪峰流量提前和加大，并加重排水管网的排水任务，当超过管网排水负荷时，就容易使得地面产生积水，造成局部地区淹没[1]。针对这一问题，美国、欧盟等发达国家从20世纪60年代起，开始研制城市排水管网模型，以满足城市排水、防洪、环境治理、交通运输、工程管理等各方面的要求，目前在这方面取得较大进展，许多模型己广泛应用于雨水管道系统的规划、设计和管理[2]。这些模型有（1）美国环保局的雨水管理模型（SWMM），（2）英国环境部及全国水资源委员会的沃林福特程序（WallingfordSoftware），（3）丹麦水力研究所（DHI）的Mike模型软件，（4）美国Bentley公司的StormCAD。此外还有伊利诺城市排水区域模拟模型（ILLUDAS），伊利诺雨水管道系统模拟模型（ISS），辛辛那提大学城市径流模型（UCURM）等众多模型[3]。其中雨水管理模型（SWMM）由于是非商业性模型，其代码对外开放，经过全世界专业人士几十年来不断完善，使其得到广泛使用和认可。在运用SWMM模型对城市暴雨径流进行模拟时，需要对下垫面进行划分来确定子汇水区域，作为一项参数导入到模型。由于城市自身的特点以及城市化发展对下垫面条件的改变，确定真实汇水区域比较困难。硕士论文，排水管网。硕士论文，排水管网。合理确定子汇水区域，能够使得模型的模拟结果更加契合实际情况。本文运用暴雨管理模型（Storm Water Management Model），对南京市雨花区宁南片区进行不同的子汇水区域划分，以检验不同分区对模拟结果的影响。
1 SWMM模型介绍
城市暴雨管理模型，是美国环保局于1971年提出的，由梅特卡夫―埃迪公司、佛罗里达大学和美国水资源有限公司三个单位联合研制的一个比较完善的城市暴雨雨水的水量水质预测和管理模型。SWMM自开发出来至今已经经历了几次更新，目前己开发至 SWMM 5。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，能够进行城市地区雨水的水量和管网排水能力模拟计算[4]。
在SWMM汇流模型中，地面用于计算入渗损失和地表产流有三种模式，分别是Horton（霍顿）、Green-Ampt（G-A）和SCS-CN（曲线数）。三种不同模式之间有一定差别，其中Green-Ampt模式对土壤资料要求很高，SCS 模式只反映流域下垫面状况不反映降雨过程而只适用于大流域，在城市小流域降雨径流模拟中经常采用Horton模式[5]，因此在本文中主要采用Horton模式。在SWMM管道汇流演算中，采用了修正非线性运动波近似[6]，其计算水文过程，使用了连续方程（1）曼宁公式（2）
 (1)
 （2）
其中 ――在控制单元体中的水体体积变化项；
 ――进出控制单元体的流量变化项。
Q为流量；
K为转换常数；
S为阻力坡度；
A为过水断面面积；
R为水力半径；
n为曼宁粗糙系数。
2 子汇水区域的划分
子汇水区域的合理确定，能够使得模型的模拟结果更加契合实际情况。在实际应用当中，子区域的划分是一个工作量巨大的过程，为了能够较好的划分子汇水区域，并且在尽量简化模型输入数据且保证其模拟精度的前提下，下面通过两种不同的方法，对研究区域进行划分。研究区域位于江苏省南京市雨花区的宁南片区，面积为950.28ha，平均坡度为4.6671%，其中住宅区面积占28%，道路面积占9.98%，其它土地和绿地面积占62.02%。研究区域道路和管道分布如图1所示。
图1 研究区域概况图
Fig. 1The situation of study area
2.1基于DEM的子汇水区域划分
根据研究区域所处的位置，提取研究区域精度为30km的DEM数据，运用ArcGis水文分析（Hydrological Analysis）功能自动划分汇水区，调整阀值，生成对应的汇水区域。结合研究区域道路和房屋分布情况，进行局部调整，以DEM生成的汇水区域为基础，把研究区域划分成了59个子汇水区域，其分布如图2所示。利用ArcGis中的坡度分析工具得出对应59个子汇水区域的坡度、并求出面积和宽度等模型所需的参数。
2.2基于管道和道路的子汇水区域划分
从图1可以看出，道路和管道把研究区域划分成若干片区，并且管道在很多地方和道路重合，根据每一段管道的集水控制范围，把道路和管道连成一个封闭的区域，形成一个独立的片区。硕士论文，排水管网。在独立片区内，根据土地利用图和DEM数据，对片区进行水文特性分析，得出了80个子汇水区域以及对应子区域的坡度、面积、宽度等参数。其划分如图3所示。 
图2 59个子汇水区域图3 80个子汇水区域
Fig. 2 59subcatchmentsFig. 3 80subcatchments
3 模拟结果分析
为了确保只有子汇水区域划分带来的影响，在SWMM模型构建的过程中只改变子汇水区域涉及的参数，其它模型所需的参数在两种情形下都取相同值，因此在相同的下垫面和相同的排水管网条件下，把两种划分方法所得的参数导入模型中，然后对模型进行构建。在模型模拟当中，降雨资料是必须的输入资料，根据南京地区的暴雨强度公式，选取重现期为5a的降雨资料作为模型的降雨输入资料。降雨历时为一小时，对应的降雨量为84.14mm。模拟结果时间序列为每5min读取一次，总的时间为6小时。
3.1检查井状况分析
研究区域雨水汇流后，都是通过排水管网排出，因此对管网中的状况进行分析，可以得出两种分区条件下的差别。管网是通过检查井相连，检查井中的积水状况可以对管道中的积水状况进行反映。从模型模拟结果当中，可以得出检查井中的平均水深。图4是检查井中平均水深分布图，结合图4可以看出，在59子汇水区域和80子汇水区域两种划分情形下，检
图4检查井中平均水深
Fig. 4 Average water depth of node
查井中平均水深存在一定的差异，通过对两种分区情形下检查井平均水深变化值做统计，发现有16.85%的检查井中平均水深变化在0.2m以上，其中平均水深变化较大的检查井为J81，其在59子汇水区域情形下，平均水深为0.12m，而在80子汇水区域条件下，平均水深为0.41m，可以看出二者相差0.29m。观察两种情形下子汇水区域分布图，可以看出存在这些差异的主要原因由于分区的改变，使得一些检查井中的入流情形发生改变，这样导致入流发生一定的变化，最终使得模拟结果存在着一定的差异。硕士论文，排水管网。
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