城市暴雨管理模型在雨洪利用 SWMM application in zjw project

水力学所城市暴雨管理模型及在雨洪利用中的应用高亮（2009210180）导师：茅泽育老师2020/4/15城市暴雨管理模型及在雨洪利用中的应用第一章绪论第二章城市暴雨管理模型研究第三章雨洪径流的模拟计算第四章非点源污染物的模拟2第五章雨洪资源化利用分析第六章结论与展望城市暴雨管理模型及在雨洪利用中的应用第一章绪论1.1研究背景城市化导致产汇流条件改变，加大洪涝灾害的风险长期以来强调控制水灾，快速排出雨水探讨城市防洪减灾方法2020/4/153降雨屋顶植被/土壤人行道/车道/广场街道排洪沟渠表面滞留雨水口排水管网表面截留集水井排水干管附属构筑物滞洪水库蓄水水库污水处理厂受纳水体地表径流管网汇流系统图1.1城市雨洪系统示意图城市洪水减灾方法工程方法非工程方法开辟分洪区修建滞水设施修建蓄水设施修建挡水闸修建泵站修建水库河道整治修筑堤坝流域治理防洪立法管理信息采集传输洪水预警预报对策分析系统抢险物资管理分滞洪区撤离社会灾害保险图1.2城市洪水减灾方法2020/4/15城市暴雨管理模型及在雨洪利用中的应用雨洪灾害控制非点源污染控制水生态与水环境修复最佳管理措施（BMPs）•减少不透水面积•渗透沟等渗透设施•调蓄池城市雨洪模型•水质水量模拟•排水系统规划•雨洪利用设施设计城市雨洪利用Text4第一章绪论1.1研究背景城市暴雨管理模型及在雨洪利用中的应用第一章绪论1.2研究现状城市雨洪模型按功能：一维、二维；按应用：单一事件、长期连续国外研究如Park等人通过SWMM的EXTRAN模块对芝加哥地区地下室洪涝和街道漫水灾害模拟[1]Anthony等人利用SWMM模拟了极端降雨条件下尾水效应对排水系统的影响[2]Ostroff等人通过SWMM模型分析了纽约市屋顶绿化对雨水管理效果的影响[3]国内研究刘俊利用SWMM模型对天津的进行模拟，并对模型的参数进行了率定[4]曹韵霞利用SWMM模拟了北京市生活小区的雨水管理[5]李彦伟等人运用SWMM模型展开了雨水管网优化的研究[6]2020/4/155城市暴雨管理模型及在雨洪利用中的应用第一章绪论1.3研究意义研究城市雨洪及其利用具有必要性探讨城市雨洪有效利用方式具有现实意义为BMPs效果评价提供依据1.4研究目标1）通过对城市化问题所展开的研究进行汇总，整理和分析，讨论城市雨洪利用问题；2）根据城市雨洪模拟的理论和方法，研究城市雨洪模型对于解决城市雨洪利用问题的作用及应用价值；3）利用城市雨洪模型对某生态小区进行水量水质模拟，并分析其雨洪利用效果；4）针对模拟结果，探讨雨洪利用所起到的实际价值，提出见解和建议。2020/4/1562020/4/15城市暴雨管理模型及在雨洪利用中的应用1城市雨洪采取的措施和方法；SWMM模型在雨洪径流及非点源污染负荷计算方面的应用2建立基于SWMM的雨洪径流模型，模拟出流过程；建立基于SWMM模型非点源污染负荷模型，模拟四种典型污染物出口浓度变化过程3模拟绿色屋顶的洼蓄作用；研究铺设渗透沟的蓄水潜力；模拟增加调蓄池的出口流量及非点源污染物浓度变化7第一章绪论1.5研究内容2020/4/15城市暴雨管理模型及在雨洪利用中的应用8第一章绪论1.6研究技术路线确定研究内容及任务径流子系统传输子系统SWMM模型系统研究收集资料水文资料下垫面资料管网资料确定模型模拟机理确定模型参数建立城市化地区雨洪模型雨洪径流计算雨洪资源化利用计算不同降雨频率的降雨径流模拟计算不同下垫面的降雨径流模拟计算不同雨水集流管道的水资源可实现潜力计算增设储水池情景下的降雨径流模拟计算结果分析总结非点源污染负荷计算不同降雨强度下非点源污染负荷计算增设净化群落情景下的非点源污染计算城市暴雨管理模型及在雨洪利用中的应用第二章城市暴雨管理模型研究2.1概述城市雨洪模拟存在难点可以指导城市雨洪利用论文选用SWMM模型2.2SWMM模型介绍2020/4/159图2.1SWMM5操作界面城市暴雨管理模型及在雨洪利用中的应用第二章城市暴雨管理模型研究2.2SWMM模型简介——模块2020/4/1510图2.2SWMM模块及配置关系执行模块EXECUTIVEBLOCK统计模块STATISTICSBLOCK绘图模块GRAPHBLOCK联合模块COMBINEBLOCK降雨模块RAINBLOCK运行模块TEMPBLOCK径流模块RUNOFFBLOCK输送模块TRANSPORTBLOCK扩充输送模块EXTRANBLOCK贮存/处理模块STORAGE/TREATMENTBLOCK服务模块计算模块径流模块输送模块扩展的输送模块调蓄/处理模块受纳水体模块图2.3SWMM模型结构2020/4/15城市暴雨管理模型及在雨洪利用中的应用模拟管道或自然渠道、专门的设施径流传输；模拟表面径流、降雨入渗流、额外水流及其水质的输入；模拟各种水流形式随时间变化的降雨量；蒸发量；洼地蓄水量；降雨入渗变化；非线性水库的坡面漫流污染物累积；降雨冲刷；BMPs针对减少冲刷污染负荷作用；晴天流入的生活污水；排水系统任意节点上的额外入流；排水系统的水质要素模拟径流过程模拟径流传输计算污染负荷11第二章城市暴雨管理模型研究2.2SWMM模型简介——功能2020/4/15城市暴雨管理模型及在雨洪利用中的应用SWMM功能实现方面针对不同土地利用类型水量水质模拟适用分流制管网具有一定灵活性SWMM适用性分析数据和资料方面对输入数据要求较低相关经验较多选取参数可借鉴相关研究12第二章城市暴雨管理模型研究2.3SWMM模型适用性城市暴雨管理模型及在雨洪利用中的应用第三章雨洪径流的模拟计算3.1概述2020/4/1513降雨地表径流排水管网出流ltQttQ图3.1概化城市雨洪模型分析土地利用状况调研管网排水走向划分排水小区选择计算方法参数优化降雨过程线计算SWMM模型计算图3.2利用SWMM模型计算步骤2020/4/15城市暴雨管理模型及在雨洪利用中的应用动力波方法（可计算回水）Horton公式（和降雨时间有关）连续方程和曼宁方程联立求解三种类型地表单独计算输送系统水力模拟地表下渗计算地表汇流计算地表产流计算14第三章雨洪径流的模拟计算3.1概述2020/4/15城市暴雨管理模型及在雨洪利用中的应用15第三章雨洪径流的模拟计算3.2研究区域研究区域ZJW小区位于天津。面积为101900m2以居住和商用的建筑物、道路为主，也有小区公园，道路绿化，景观河（FC河）ZJW小区的排水模式采用雨、污分流制，雨水最终排入景观河FC河图3.3研究区域-10-5051015202530020406080100120140一月二月三月四月五月六月七月八月九月十月十一月十二月温度/℃降雨量/mm月份降雨量（mm）温度(℃)图3.4研究区域的降雨量与温度2020/4/15城市暴雨管理模型及在雨洪利用中的应用划分小区管网表达输入数据16第三章雨洪径流的模拟计算3.3模型概化——方法将排水小区、管网系统进行概化，输入并存入数据库排水小区、管网系统的基础数据取自设计单位CAD图分析土地利用情况，插入矢量化的CAD图用较小的网格划分尽量与实际情况吻合仅考虑主干管依据CAD背景图表达小区汇水就近流入节点流向由实际情况决定确定性参数由资料提供需识别的参考相关文献2020/4/15城市暴雨管理模型及在雨洪利用中的应用数据类型包括内容属性描述获取方式管网形状横截面的几何属性实地调查测量最大深度横截面的最大深度（m）CAD长度长度大小（m）CAD粗糙度内壁的曼宁糙率（N）调查，文献，模型手册出水&进水节点出水&进水节点名称调查制定排水小区面积面积大小（ha）实际量算宽度坡面漫流过程的特征宽度（m）A/L（面积/水流长度）坡度坡面漫流过程的坡度参考周围道路纵向坡度不透水率不透水区所占面积比例（%）实际区域地表覆盖分析不透水区N值坡面漫流穿过不透水区的曼宁糙率调查，文献，模型手册透水区N值坡面漫流穿过透水区的曼宁糙率调查，文献，模型手册不透水区洼蓄量不透水区洼蓄存贮深度（mm）调查，文献，模型手册透水区洼蓄量透水区洼蓄存贮深度（mm）调查，文献，模型手册无洼蓄量面积比例无洼蓄不透水面积率实际区域地表特征分析土壤入渗最大入渗率霍顿公式中fmax文献报道最小入渗率霍顿公式中fmin文献报道衰减指数霍顿公式中α文献报道17表3.1SWMM模型输入数据2020/4/15城市暴雨管理模型及在雨洪利用中的应用18图3.5管网概化图图3.6汇水区分区示意图第三章雨洪径流的模拟计算3.3模型概化——结果2020/4/15城市暴雨管理模型及在雨洪利用中的应用19第三章雨洪径流的模拟计算3.4水文水力参数模型参数文献7文献8文献9文献10调整值不透水率（%imperv）—0~9060~80—10~80不透水区曼宁系数（N-imperv）0.0150.010~0.0150.0300.0150.012透水区曼宁系数（N-perv）0.0320.10~0.300.0150.0320.032管道曼宁系数（roughness）0.0150.013~0.0150.0130.0150.013~0.015不透水区洼蓄量（S-imperv）/mm0.382~520.380.38透水区洼蓄量（S-perv）/mm1.523~10121.521.52霍顿模型最大入渗率（Max.Infil）/(mm/h)7576.276.27575霍顿模型最小入渗率（Min.Infil）/(mm/h)3.83.813.813.83.8霍顿模型衰减系数（α）0.0060.00060.00060.0060.006表3.2水文水力参数2020/4/15城市暴雨管理模型及在雨洪利用中的应用20第三章雨洪径流的模拟计算3.5模拟结果及其分析——不同降雨条件（p1情形/r=0）图3.7p1情况下的降雨强度曲线1)(])1)[(lg1(inbtbtnpcAdtdH85.0)17()lg85.01(34.3833tpq图3.8p1=1情况下的出口流量曲线图3.9p1情况下的出口流量曲线2020/4/15城市暴雨管理模型及在雨洪利用中的应用21第三章雨洪径流的模拟计算3.5模拟结果及其分析——不同降雨条件（p1情形/r=0.375）图3.10p2情形下的降雨强度)lg85.01(]375.645375.0763.55391537.645375.001.0575[)(i85.185.185.0ptttn）（）（)lg85.01(]625.1045625.0763.5539152.61045625.001.0575[)(i85.185.185.0ptttn）（）（图3.11p2情况下的出口流量对比曲线0≤t≤45min45min≤t≤120min2020/4/15城市暴雨管理模型及在雨洪利用中的应用22第三章雨洪径流的模拟计算3.5模拟结果及其分析——不同降雨条件溢流情况降雨分布溢流节点号P1=0.5J17、J44P1=1J05、J17、J21、J44P1=2J03、J05、J06、J17、J21、J39、J40、J44、J45P1=5J03、J05、J06、J14、J17、J18、J19、J21、J24、J32、J35、J39、J40、J44、J45P2=0.5J05P2=1J05、J17P2=2J03、J05、J06、J17、J21、J44P2=5J03、J05、J06、J07、J14、J17、J18、J21、J39、J40、J44、J45表3.3溢流节点2020/4/15城市暴雨管理模型及在雨洪利用中的应用23第三章雨洪径流的模拟计算3.5模拟结果及其分析——不同下垫面条件屋顶增加绿化设施利用径流系数对比调整来参数图3.12屋顶有绿化设施情形下的出口流量曲线图3.13有绿化设施的屋顶与普通屋顶的流量对比图参数普通屋顶有绿化设施屋顶不透水区洼蓄量需调整0.380.40无洼蓄不透水面积率需