1、2023 年 25 期实验报告科技创新与应用Technology Innovation and Application基于 SWMM 模型的变电站雨水径流仿真研究林伯江（中国电建集团福建省电力勘测设计院有限公司，福州 350001）自 2012 年 2012 低碳城市与区域发展科技论坛 中“海绵城市”概念首次在国内提出以来，全国多地推出相关海绵城市建设政策。厦门市作为全国首批海绵城市试点城市之一，进行了一系列顶层政策规范设计，着力将“渗、滞、蓄、净、用、排”6 大海绵城市要素融入城市的规划建设中。变电站作为城市的基础电力设施早已融入城市中的各个区域，以厦门市为例，要求新建工程在工程项目范围内将
2、 70%的降雨就地消纳和利用的海绵城市要求。随着变电站建设朝着集成化、标准化和智能化方向的发展1，一方面，站内除必要的电气设备和生产生活建筑物外，其他可供腾挪的空间十分有限；另一方面站内的电气设施、建筑物、硬化道路等均属于不透水下垫面，较工程建设前场地蓄滞雨水的能力大大降低。此外，为了方便排放口的管理，变电站内通常只设置一处排水出口，因此原来分散面流，变成了集中排放，特别是对于 500 kV 及以上的大型变电站而言，由于场地范围较大，即使是一年一遇的常遇暴雨，集中排放也容易造成周边的农田或道路被淹没，给变电站周边的排水系统带来很大压力。SWMM（Storm Water Management M
3、odel）软件是美国环保署研发暴雨洪水管理模型开源软件，内置有多种海绵措施模型，国内学者2-5已用于市政工程、建筑小区、机场等的雨水仿真研究。在变电站建设范围内建设海绵措施，是一种有效削减地表径流的手段。由于变电站站区场地设备密集，如何科学地在变电站配置合适的海绵措施，需要借助 SWMM 软件进行仿真分析。1SWMM模型建立变电站场地一般由围墙内用地和围墙外边坡等其他用地 2 部分组成。其中围墙内用地主要由电气设备及其支撑、围护结构、生产生活建筑物、道路和绿地等组成；围墙外主要由边坡、排水沟等组成。用 SWMM 模型模拟变电站的场地，需要注意由于变电站电气设备作者简介：林伯江（1990-），男
4、，硕士，工程师。研究方向为工业给排水。摘要：基于 SWMM 模型建立福建省典型 500 kV 变电站的雨水仿真模型，通过对 70%常遇降雨事件的模拟，对比变电站海绵措施改造前后的总峰值削减率和总径流控制率变化情况，结果表明海绵改造后的洪峰削减率达 92%，总径流控制率达 90%；并采用对重现期一年到三年一遇的设计暴雨对模型进行校验，结果表明海绵措施的总径流控制率不低于 60%。证明典型变电站通过合理海绵措施布置，可以达到明显的雨水蓄滞减排作用。关键词：雨水径流仿真；SWMM；海绵措施；变电站；洪峰中图分类号院TU992文献标志码院A文章编号院2095-2945渊2023冤25-0066-04A
5、bstract:The rainfall-runoff simulation that based on the SWMM model was established for the typical 500 kV substation ofFujian province.Compare the differences between whether LID measures were constructed in substation or not under the 70%frequent rainfall.It shows that the flood peak reduction rat
6、e reached 92%and the total runoff control rate reached 90%with theLID measures were constructed.The design rainstorms were used to verify the rainfall-runoff simulation model,and the resultsshow that the total runoff control rate with the LID measures were constructed is over 60%.It is proved that t
7、he typical substationcan achieve the obvious effect of rain water storage lag and emission reduction through reasonable layout of sea measures.Keywords:rain water runoff simulation;SWMM;low impact development(LID);substation;flood peakDOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2023.25.01666-实验报告科技创新与应用Technology I
8、nnovation and Application2023 年 25 期带电安全要求，一般不允许在建筑物或设备围护结构上方布置海绵措施，这类模型在仿真模型中视为不透水区域。此外，道路、外露设备基础等也视为不透水区域。除却上述区域，站内可供利用的其他空间十分有限，模型建立必须足够细化，以达到反映真实场地特征。在设计变电站配套海绵措施时，由于变电站的特殊管理规定，一般不允许进行大体积的蓄滞设施施工，也不允许种植灌木乔木等植被，海绵措施应采用尽量简易的设施，并且需要与户外电气设备结合布置，充分挖掘变电站的雨水蓄滞潜力。为了模拟对比分析变电站海绵措施所发挥的削峰滞水作用，需要分别建立 SWMM 模拟变
9、电站海绵改造前原始模型和海绵改造后的低影响开发（LID）模型。通过模型对比分析变电站的总排放口的管道峰值流量削减率和径流控制率的变化情况，作为变电站配套海绵措施作用的评价指标6。2模型参数设置2.1暴雨资料暴雨资料是变电站雨水仿真模型的输入条件，暴雨强度和暴雨历时均会影响变电站雨水模型的输出结果，具体资料需要根据变电站所处区域分析取得。为了分析变电站海绵措施的作用，首先应根据径流总量控制率的要求，取得典型暴雨资料。以厦门地区为例，根据项目年径流总量控制率 70%的要求，对应的典型暴雨为 26.8 mm 降雨事件7。对该典型暴雨输入模型进行分析，所得出的变电站径流总量控制率不应低于 70%，即表
10、明站内所采用海绵措施达到了设计目的，否则应调整海绵措施重新计算。为了进一步分析，当变电站遭遇设计暴雨时，海绵措施所能发挥的削峰作用，同时采用降雨重现期为一到三年一遇、降雨历时 2 h 的暴雨模型进行模拟校核。相关降雨事件过程线如图 1图 4 所示。2.2子汇水区参数设置子汇水区是 SWMM 软件用于模拟场地雨水汇水区的计算单元，其中下渗模型是用于模拟土壤水分下渗的过程。SWMM 软件提供了 Horton 模型、修正Horton 模型、Green-Ampt 模型、修正 Green-Ampt 模型和曲线数模型共 5 种下渗模型8。考虑到变电站的非硬化区为均质土，下渗模型宜选择 Green-Ampt
11、。其余子汇水区的参数还有流域坡度、非透水区域洼地滞留系数和普通绿地的下垫面径流系数。汇水区坡度根据具体地块坡度输入；非透水区域洼地滞留系数，根据变电站工程的经验，可取 0.05；普通绿地的下垫面径流系数，根据室外排水标准取 0.159。图 1设计 26.8 mm 降雨事件降雨过程线图 2重现期为一年降雨历时为 2 h 降雨事件降雨过程线图 3重现期为二年降雨历时为 2 h 降雨事件降雨过程线图 4重现期为三年降雨历时为 2 h 降雨事件降雨过程线1614121086420时间0：002：004：006：008：00 10：00 12：00 14：00 16：00 18：00 20：00 22：
12、000：00时间0：000：120：240：360：481：001：121：241：361：482：00200180160140120100806040200时间0：000：120：240：360：481：001：121：241：361：482：00240200160120804001601401201008060402000：000：120：240：360：481：001：121：241：361：482：00时间67-2023 年 25 期实验报告科技创新与应用Technology Innovation and Application2.3海绵措施模型设置变电站中可供海绵措施利用的区域比较分
13、散，通常是设备与道路之间的条状空地或架空设备下方块状区域，无法使用较大的雨水调蓄措施。下凹式绿地和雨水花园由于布置灵活、措施简单是变电站中应用最普遍的海绵措施。在 SWMM 模型中可采用 Bio-Reten原tion Cell 模块模拟下凹绿地和雨水花园，模块的参数设置如图5图 6 所示。图 5下凹绿地模型参数设置图 6雨水花园模型参数设置3工程应用3.1工程简介福建省典型 500kV 变电站工程，项目总用地面积为40000m2，其中围墙内用地面积 33000m2，其他用地面积7 000 m2，总建筑面积 1 214 m2，建筑物无地下室，设计绿地率为 12.0%。站区主要包括 4 组 100
14、0MVA 主变压器、各类配电装置、构架等；建筑物主要包括主控通信楼、继电小室、警传室及水泵房等。采用 SWMM 5.2 软件，将场地按不同下垫面细致划分为 109 个排水子流域，各子流域雨水按径流组织排入周边简化后的排水干管，雨水最终由场地南侧总排放口排出。全站分区域设置下凹式绿地和雨水花园，其中下凹式绿地总面积 2 410 m2，平均深度150 mm；雨水花园总面积 1 225 m2，平均深度250mm，变电站雨水仿真模型如图 7 所示。图 7福建省典型 500 kV 变电站雨水仿真模型平面图3.2峰值流量削减率分析通过 SWMM 软件分别采用原始场地模型和海绵措施改造后的场地模型进行计算得
15、出，变电站场地峰值总出流量从原始场地模型的 64.79 L/s 减小至海绵改造后的 4.80 L/s，峰值流量削减率达 92%；峰值流速也从 2.21 m/s 减小到 1.02 m/s。模型分析结果表明经海绵改造后的场地，在概率为 70%的降雨事件中发挥作用明显，不仅大幅削减总管洪峰流量，并且改善了总管径流出水条件，减轻了变电站周边的经常性排水压力。SWMM 模型得到的场地总出流量详细对比结果，可见表 1、图 8 和图 9。3.3径流控制率分析根据变电站海绵设施设置情况，海绵设施的理论计算总滞水量约 668 m2，通过仿真模拟对比计算所得原始模型的场地出口总径流量为 630 m3，海绵改造后的
16、场地出口总径流量为 59 m3，海绵措施滞水总为571 m3，径流控制率约 90%。模型计算滞水量与理论计算值接近，说明仿真模型的设置较为科学合理，模型对比结果显示，海绵设施的滞蓄效果明显，可以有效减速小雨水外排，模型计算结果详见表 2。68-实验报告科技创新与应用Technology Innovation and Application2023 年 25 期图 826.8 mm 降雨事件下海绵改造前流量过程线图 926.8 mm 降雨事件下海绵改造后流量过程线表 2总排放口排放量统计表3.4模型校验为进一步校检变电站海绵设施在遭遇变电站设计暴雨时，对径流的调节效果，采用降雨重现期为一、二、三
17、年一遇、降雨历时 2h 进行模拟校核，校核结果见表 3。表 3重现期一尧二尧三年一遇降雨历时 2 h 的降雨事件 SWMM模拟计算结果由表 3 可知，变电站的海绵措施在遭遇设计暴雨时，全站雨水控制率不低于 60%，效果明显，证明变电站的海绵措施布置合理，措施规模适当。4结论通过建立福建省典型 500 kV 变电站的雨水仿真模型，对比场地海绵设施改造前后在常遇降雨水事件中的峰值流量削减率和径流控制率分析，结果表明通过合理的海绵措施布置，典型变电站总出口峰值流量由 64.79 L/s 减小至 4.80 L/s，削减率达 92%，并改善了出流条件；场地径流总量从 630 m3减少至 59 m3，总径
18、流控制率达 90%以上。此外，模型对变电站设计暴雨的校验结果表明，海绵改造后的场地总径流量控制率不低于 60%。上述结果证明了福建省典型 500 kV变电站经合理海绵改造后，具有明显的蓄滞降水的作用。参考文献院1 张鹏，李鹏程，赵彪，等.海绵城市相关技术在变电站中的应用研究J.河北水利电力学院学报，2021，31（2）：56-60.2 王建辉，辛思雨，林爽，等.暴雨管理模型 SWMM 的应用现状J.吉林化工学院学报，2018，35（9）：84-87.3 孙建海，王琳.基于 SWMM 评估的建筑小区年径流总量控制率计算方法及应用探讨J.建设科技，2019（14）：57-61.4 彭晶，唐媛，毛浩
19、然，等.低影响开发海绵机场 SWMM 模型分析J.海河水利，2021（6）：80-82，96.5 黄卡，张翔，李鹏.SWMM 模型在城市设计洪水中的应用研究J.企业科技与发展，2008（10）：214-216.6 余雪兵.基于 SWMM 的重点城区海绵措施调控研究与应用D.合肥：合肥工业大学，2021.7 王宁，吴连丰.厦门海绵城市建设方案编制实践与思考J.给水排水，2015（6）：28-32.8 贺娟，梁小光，温卫华，等.SWMM 下渗模型算法改进研究J.中国给水排水，2022，38（7）：122-125.9 室外排水设计标准：GB 500142021S.北京：中国计划出版社，2021.70
20、6050403020100-100：002：004：006：008：0010：0012：0014：0016：0018：0020：0022：000：00时间重现期/年降雨量/mm降雨总量/m3原始模型外排总量/m3海绵改造后采用（LID）模型外排总量/m3总降雨控制率（%）一50.902 066.951 154.00309.0073.22二61.902 513.641 311.00456.0065.22三68.302 773.531 395.00542.0061.15排放口海绵改造前原始模型 海绵改造后采用（LID）模型 峰值流量/（Ls-1）峰值流速/（ms-1）峰值 时间 峰值流量/（Ls-1）峰值流速/（ms-1）峰值 时间 Out1 64.79 2.21 13：20 4.80 1.02 13：15 表 1海绵城市建设前后总排放管道平均流速和总排放量模拟结果0：002：004：006：008：0010：0012：0014：0016：0018：0020：0022：000：00时间54.543.532.521.510.50-0.5排放口海绵改造前原始模型海绵改造后采用（LID）模型平均流速/（L s-1）总出流量/m3平均流速/（L s-1）总出流量/m3Out112.116301.235969-