Urban Stormwater and Sewerage Modelling: An Approach for Peak Runoff and Volume Assessment

In this study, an integrated approach for runoff estimation using the storm water management model (SWMM) was applied to undertake a stormwater and sewerage modelling in urban setting. The main objectives of the research and this manuscript include overload detection of sewer systems during extreme rainfall events with SWMM and to model and predict the relationship between precipitation parameters and overflooding of sewer collection system that includes emergency ponds to relieve flow from pump stations. The study takes into account monitored concurrent extreme rainfall event data and peak wet weather flows observed at outfall of collection system entering a wastewater treatment plant draining the urban centre. In the study SWMM was modified and adapted for the Tati and Ntshe confluence rivers draining the urban centre of Francistown in Northern Botswana. Landuse, soil, geological, drainage and sewerage network and imperviousness data sets were acquired and developed in GIS database. The runoff coefficient is found to range between 0.12 and 0.24 in the studied catchments. The calibrated model was able to predict the observed outputs with reasonable accuracy for calibration datasets of two peak flood events of 2016-Jan 12 and 2017-Feb 16 and verification flood events of 2016-Feb 05 and 2017-Feb 26. For six watersheds that drain the study area considered with a seventh entire collection system catchment area, we have evaluated the model performance using different criteria. We have found that correlation coefficients range from 0.539 to 0.813 and NSE ranges from 40.9% to 89.0%, and RSR ranges from 0.330 to 0.812 for the calibration datasets. Whereas, for the verification dataset, the correlation coefficients range from 0.539 to 0.813 and NSE values range from 40.9% to 89.0%, and RSR values range from 0.330 to 0.812. Using the criteria adopted, the SWMM-simulated runoff values are in acceptable agreement with the observed hydrographs.

Evaluation of a traditional method for peak flow discharge estimation for floods in the Wenchuan Earthquake area,Sichuan Province,China

Peak discharge of flood in small mountainous watershed is usually calculated using the "Rainstorm–runoff calculation method in small watersheds in Sichuan Province"(RRM). This study evaluated the RRM calculation using real-time monitored rainfall and hydrologic data from a small watershed in the Wenchuan Earthquake area of Sichuan Province, China. The results indicated that the discharge values given by the RRM are commonly overestimating the measured discharge. The overestimation rate was discussed and empirical equations were proposed for improving RRM estimations, based on the relationship between calculated and measured discharge values at different watershed scales(2, 30, and 40 km2), under different rainfall probabilities(0.97–0.5, 0.5–0.2, and 0.2–0.002), and for different rainfall durations(0–6, 6–24, and >24 h). The results of this study help contribute to the understanding of water floods formation and help provide more accurate estimations of peak flow discharge in small watersheds in the Wenchuan Earthquake area.

The effects of rainfall regimes and rainfall characteristics on peak discharge in a small debris flow-prone catchment

Peak discharge plays an important role in triggering channelized debris flows.The rainfall regimes and rainfall characteristics have been demonstrated to have important influences on peak discharge.In order to explore the relationship between rainfall regimes and peak discharge,a measuring system was placed at the outlet of a small,debris flow-prone catchment.The facility consisted of an approximately rectangular stilling basin,ending with a sharp-crested weir.Six runoff events were recorded which provided a unique opportunity for characterizing the hydrological response of the debris flow-prone catchment.Then,a rainfall–runoff model was tested against the flow discharge measurements to have a deep understanding of hydrological response.Based on the calibrated rainfall-runoff model,twelve different artificially set rainfall patterns were regarded as the input parameters to investigate the effect of rainfall regimes on peak discharge.The results show that the rainfall patterns have a significant effect on peak discharge.The rainfall regimes which have higher peak rainfall intensity and peak rainfall point occur at the later part of rainfall process are easy to generate larger peak discharge in the condition of the same cumulative rainfall and duration.Then,in order to explore the relationship between rainfall characteristics and peak discharge under different cumulative precipitation and different duration,167 measured rainfall events were also collected.On the basis of rainfall depth,rainfall duration,and maximum hourly intensity,all the rainfall events were classified into four categories by using K-mean clustering.Rainfall regime 1 was composed of rainfall events with a moderate mean P(precipitation),a moderate D(duration),and a moderate I60(maximum hourly intensity).Rainfall regime 2 was the group of rainfall events with a high mean P,long D.Rainfall regime 3,however,had a low P and a long D.The characteristic of Rainfall regime 4 was high I60 and short duration with large P.The results show that the rainfall regime 2 and 4 are easier to generate peak discharge as the rainfall intensity plays an important role in generating peak discharge.The results in this study have implications for improving peak discharge prediction accuracy in debris flow gully.

Evaluating the Performance of HEC-HMS and SWAT Hydrological Models in Simulating the Rainfall-Runoff Process for Data Scarce Region of Ethiopian Rift Valley Lake Basin

A number of physically-based and distributed watershed models have been developed to model the hydrology of the watershed. For a specific watershed, selecting the most suitable hydrological model is necessary to obtain good simulated results. In this study, two hydrologic models, Soil and Water Assessment Tool (SWAT) and Hydrological Engineering Centre-The Hydrologic Modeling System (HEC-HMS), were applied to predict streamflow in Katar River basin, Ethiopia. The performances of these two models were compared in order to select the right model for the study basin. Both models were calibrated and validated with stream flow data of 11 years (1990-2000) and 7 years (2001-2007) respectively. Nash-Sutcliffe Error (NSE) and Coefficient of Determination (R2) were used to evaluate efficiency of the models. The results of calibration and validation indicated that, for river basin Katar, both models could simulate fairly well the streamflow. SWAT gave the model performance with the R2 > 0.78 and NSE > 0.67;and the HEC-HMS model provided the model performance with the R2 > 0.87 and NSE > 0.73. Hence, the simulated streamflow given by the HEC-HMS model is more satisfactory than that provided by the SWAT model.

森林结构差异对大兴安岭森林小流域径流情势和退水特征的影响

径流情势和流域退水是反映水文过程至关重要的指标,除气候因素外,主要受到下垫面和流域水文地质特征的影响。利用准配对流域法,对比大兴安岭地区森林结构不同的2个小流域(老爷岭流域、圣诞村流域),排除气候和地形地貌的干扰,探究森林结构变化对流域径流情势及退水过程的影响。结果表明:老爷岭流域的全年洪峰历时比圣诞村流域延长5 h、平均洪峰滞时推迟2 h,洪峰径流量、变异系数均无显著差异。随着森林平均蓄积量、树种组成、郁闭度等森林结构指标的提高,老爷岭流域(森林结构综合指数较高)较圣诞村流域(森林结构综合指数低)的枯水径流时间低4 h,平均枯水径流深提高0.65 mm(是圣诞村流域3倍),平均枯水径流变异系数低33%,且流域间差异均达到了极显著水平(P<0.01)。通过退水分析,结果表明:老爷岭流域和圣诞村流域退水系数(k)的均值分别为16.9、8.5 d,退水常数(α)均值分别为0.909 4、0.862 6,老爷岭流域的平均退水时间比圣诞村流域延缓了8.4 d。该地区流域水文特征受森林植被变化的影响明显,森林结构复杂、森林质量高的老爷岭流域枯水径流量高并且稳定,退水过程更慢,水源涵养功能更好。

基于容积法和水文模型法的海绵设施效能评估研究

为了提升海绵设施布设的科学性和合理性,充分发挥海绵设施的效能,提出了基于容积法和水文模型法的海绵设施效能评估方法.以迁安市某海绵型建筑小区为例,借助容积法量化海绵设计方案,利用水文模型设置海绵设施控制雨水的优选路径,分别选用2、5、10 a的短历时(2 h)设计降雨情景对海绵设施建设效能进行评估,结果表明:1)与排水口演算和不透水区演算模式相比,透水区演算模式更契合海绵城市建设理念;2)在2、5、10 a的短历时(2h)设计降雨情景下,相对于海绵设施布设前,布设后场地雨水径流总量削减率分别为86.9%、82.4%、79.6%,径流峰值流量平均削减为94.57%、87.89%、86.45%,雨水管道中最大充满度80%以上的管道长度分别降低了86.55%、85.27%、64.48%;3)在10 a一遇设计降雨重现期下,溢流节点J31在海绵设施布设后,井内最高水位降低了1.332 m,且其他9个溢流风险节点其水位也明显降低.上述研究表明,在低重现期短历时(2h)设计降雨情景下,海绵设施对场地径流总量、峰值流量有很好的削减作用,对雨水管道排水压力有显著减轻作用,对节点溢流风险有很好的控制效果,为今后开展海绵城市源头减排设施的布设提供了有价值的参考.

暗河发育区岩溶隧道突涌水洪峰流量估计

地下暗河是岩溶隧道建设与运营重大的安全风险,暗河发育区岩溶隧道突涌水洪峰估计是岩溶隧道施工抢险与后期处治方案制定的重要基础数据。地下暗河洪峰流量不仅由岩溶区水文地质条件控制,而且还受到暴雨期地表径流补给的影响。本文结合实测数据和统计数据,围绕小流域暴雨资料推求出地表汇流洪峰和地下暗河汇泄流洪峰,提出了一种考虑地表径流补给的暗河发育区岩溶隧道突涌水洪峰估计方法,并结合翠屏隧道的地形地貌、水文地质与实测涌水资料,开展了案例分析计算并比较实测涌水量。表明传统涌水预测方法无法考虑暗河与地表水补给的影响,与实测结果差距很大,本方法能够较好预测岩溶区因地表汇水补给暗河发育区隧道突涌水洪峰,为隧道防洪护堤高度、涵管过水容量设计、洪峰避险时间提供重要支撑,保障隧道施工与运营安全。

变化环境下城市流域径流演变及响应研究

流域径流是变化环境的重要响应要素,在气候变化和人类活动的影响下,流域径流量已经发生了深刻变化,研究其演变及响应特征有助于提高人类对变化环境的应对能力。以北运河北京市域主要集水区为研究区,通过分析水文气象观测站近40年水文数据,分析北运河流域降水径流变化趋势,提取洪水场次;引入全球气候模式数据,利用降尺度模型进行降尺度处理,与水文模型结合对流域径流进行了预报分析。结果表明:流域历史降水趋势性变化不明显,径流量呈增大趋势;未来北运河流域(通县站)水资源的变化在气候变化影响下较为明显,随着温度升高、降水增加,流量增大,预测流量在21世纪中期达到新高,为385.1 m^(3)/s;随着辐射强迫的持续增加,水文响应程度也相应增大,北运河流域大部分径流峰值出现在2050时期后期和2090时期。研究结果可为城市流域未来水资源利用、防洪减灾措施与双碳目标的实现路径的探索提供一定的参考。

城市建成区海绵容量评估与排水系统优化设计

低影响开发理念成为解决我国城市化所带来的洪涝灾害、面源污染、水生态破坏等城市水问题的新思路。灰-绿基础设施联用可同时达到削减径流量和污染负荷的目的。但区域本底海绵容量、绿色基础设施调蓄量与关键设计参数缺乏定量依据。该研究通过SWMM模型模拟、数值计算和现场实测评估研究区域本底海绵容量,结合综合径流系数法明确了研究区域水敏感区分级,其海绵容量分级为优、良、中、差、极差5级的子汇水区占比分别为8.6%、9.1%、24.6%、55.0%和2.7%,绝大部分子汇水区分级为中和差;结合现场实测和RECARGA模型模拟,明确了绿色基础设施海绵容量及灰色基础设施入流参数,结果表明:相较于填料厚度变化,绿色基础设施对降雨量大小的响应更为明显。从排水管道系统优化和灰-绿组合排水系统优化两个方面进行了系统方案设计,构建了灰-绿联用雨水调蓄技术路径,为其关键设计参数的选取和管道改造方案的制定提供了有效依据。

产流风险与绿地分布相关性研究——以郑州市金水河片区为例

利用ArcGIS与SCS-CN、SWMM模型相结合对研究区产流状况进行模拟,通过莫兰系数分析研究区产流风险与绿地分布在空间上的联系。绿地分布与产流风险相关性显著,研究区域的产流风险与绿地分布呈基于产流风险的绿地失配现象,在城市尺度上对绿地空间进行合理分配与布局优化,更加高效地解决城市内涝问题。

基于SWMM的杭州小和山区域LID措施

【目的】缓解杭州城西小和山区域涝水问题。【方法】基于海绵城市理念,利用层次分析法(analytic hierarchy process, AHP)针对研究区域设置的5种低影响开发(low impact development, LID)改造设施的效益指标权重进行判别,实现不同LID设施下的综合效益优选,并利用暴雨管理模型(storm water management model, SWMM)构建研究区域雨洪模型,比较LID设施布设前后的汇水情况。【结果】对研究区域中12%的学校和住宅区域用地增添雨水花园,25%的广场铺装改造为透水铺装,65%的道路设置渗渠,可使洪峰出现时刻延迟45 min,洪峰流量削减率达61.5%,径流系数削减率为19.2%。可见,改造措施对洪峰流量、地表径流系数和洪峰时间等均起到显著的削弱作用。【结论】本研究结果对缓解同类区域涝水问题及提升防涝治理技术具有参考意义。

建筑小区雨水径流控制设计取值问题的探讨

建筑小区的雨水径流控制工程是海绵城市建设的上游工程,包含了源头减排的微排水系统和排水管渠的小排水系统,需要控制径流总量和径流峰值等指标;需控制的雨水年径流总量根据年径流总量控制率,采用“容积法”和硬化指标匹配法计算出对应的汇水面积及调蓄量;而雨水径流峰值在全国各地出现或算法各异或条件参数不详的情况,影响到海绵城市建设工程管控指标的合理性与可达性,故通过对比解读相关国标、地标,范例,探讨建筑小区雨水径流峰值的计算方法并提出建议,旨在为同类工程的设计提供参考。

基于海绵城市建设理念的市政给排水设计研究

学校作为城市绿色生态建设的关键组成部分,其内涝问题成为市政给排水工程中的研究热点。以西安市某学校为研究对象,在海绵城市建设理念的基础上进行给排水方案优化设计。通过区域内涝成因模型提出7种低影响开发设施优化方案,并进行了最优方案的求解。结果显示,根据最优方案将区域内的下垫面沥青路面更改为透水路面,绿地更改为雨水花园,屋顶更改为绿色屋顶,20年重现期下区域径流峰值高达9.14 m^(3)/s,积水时间削减92.45%,最大超载191.44 min。

西南小流域洪峰流量估算

[目的]准确预测小流域的洪峰流量,为小流域水文应用和水保措施设计提供支撑。[方法]利用重庆万州刘家沟小流域2013—2021年共215次降雨事件数据,采用皮尔逊相关分析的方法,分析了重庆小流域次暴雨洪峰流量与降雨参数和径流参数的相关关系,进而采用线性回归和非线性回归方法,根据降雨径流资料估算了洪峰流量。[结果]研究建立了适用于西南小流域的洪峰流量公式,使用172场降雨事件数据进行参数率定,其模型有效系数为0.85;使用43场降雨事件对模型进行验证,相应的模型有效系数为0.82,结果表明新公式在研究区是可以接受的。[结论]研究建立的洪峰流量公式,能够较好地预测研究流域的洪峰流量,新建公式将为重庆乃至中国西南小流域进行水土保持措施的决策、水土保持工程设施设计和土壤侵蚀评价等提供一定技术基础。

基于百色水库调节的郁江“2001.7”洪水复盘反演分析

郁江“2001.7”洪水是1937年以来郁江流域发生的最大洪水,为20年一遇大洪水,洪水给沿河两岸群众造成直接经济损失数亿元。利用具有良好调节作用的百色水库对该次郁江流域大洪水开展现状边界条件下模拟仿真复盘分析和研究,总结归纳出郁江流域水库调度运行方式、时机把握等特征规律,对未来遭遇类似洪水时,充分用水库进行科学合理调度,发挥水库拦洪削峰作用,最大限度减轻洪涝灾害具有十分重要现实意义。

小兴安岭森林采伐对河川径流的影响

采用大流域径流测定与小流域对比实验相结合的方法,利用35年的径流和森林资源变化资料,对小兴安岭林区森林采伐后河川径流发生的一系列变化进行了全面系统的研究.结果表明,森林采伐后营造落叶松人工林,造林初期10年内,河川径流量表现为增加趋势;随着落叶松人工林的不断生长和郁闭成林,采伐流域的径流量逐渐减少,并趋于采伐前水平或低于采伐前水平(与对照流域相比).河川年径流量与年降水量、森林采伐面积及更新造林面积密切相关.森林采伐面积与年径流量呈正相关,森林采伐能增加河川年径流量;更新造林面积与年径流量呈负相关,更新造林能减少年径流量.而森林采伐对洪峰流量和融雪径流量均有显著增加作用.

丹江口水库入库径流特征及其演变规律

为了能够更好地进行中长期径流预报，对1965年-2013年的丹江口水库月平均入库流量进行径流特性分析。首先采用线性回归法和M ailli-Kendall检验法进行趋势分析，然后采用Pettitt突变检验法、Morlet小波法分别进行突变分析与周期分析。结果表明，1965年-2013年间丹江口径流量呈下降趋势，并且分别存在3～5 a,7～9 a、18～20 a的显著周期性。建议进行中长期年径流预报时采用7 a或其倍数年做建模数据序列，同时由于年径流与最大洪峰流量的突变点均为1986年，所以尽量避开1986年，以免影响预报精度。

填料及降雨特征对雨水花园削减径流及实现海绵城市建设目标的影响

为了应对城市化对区域水环境的不利影响,我国各地都在积极倡导城市低影响开发（LID）,鼓励建设海绵城市。城市雨水花园是目前国际上广泛推崇的一项措施,通过对雨洪的拦蓄,增加入渗,削减污染物的输出。为了研究填充介质以及降雨特征对雨水花园效果的影响,以砂、土分层以及均质黄土2种不同填料雨水花园2a的监测数据,研究了花园对雨水径流总量和洪峰的削减效果,并分析了雨水花园在海绵城市建设中的积极作用。结果表明：在2a监测期内,分层填料雨水花园对14场降雨的水量的削减范围为12.0%～85.9%,平均为44.3%;对径流峰值削减范围为11.2%～93.3%,平均为55.8%;均质黄土填料的花园水量削减范围为9.8%～79.8%,平均39.2%;峰值削减范围为20.3%～89.8%,平均50.5%,分层填料雨水花园对峰值和水量削减均都高于均质黄土填料雨水花园。2个雨水花园的水量削减均与降雨量呈负相关关系,对中小型降雨的水量削减效果更为显著。西安市年内降雨多以中、小型降雨为主,两者之和占总降雨量的69.8%。如果以目前研究区海绵城市建设目标中年径流总量消减80%为控制目标,分层雨水花园和均质雨水花园对小雨的海绵城市完成率分别为98.5%和92.5%;对于中雨,分层和均质填料雨水花园的海绵城市完成率分别为69.0%和62.3%。研究还发现,雨水花园对雨水径流的削减能力与降雨前期的干旱天数呈正相关关系;鉴于研究区——西安雨热同期,雨水花园内土壤水分疏干较快,且降雨间隔天数平均4.25d,此类气候特点有利于雨水花园在该地区高效运行。

海绵城市建设对流域海绵体生态水文过程的改善

快速城市化驱动的不透水面比例增加是引起流域洪峰和径流总量增加的直接原因,海绵城市建设通过生态基础设施网络构建增加流域透水面比例,是重构流域生态水文过程的重要途径。但是海绵城市建设在流域海绵体生态水文过程中发挥的作用尚不清楚。以深圳市布吉河流域洪湖片区为例,通过雨季水文过程要素在线连续监测来确定海绵城市建设是否改善洪湖片区生态水文过程。结果表明,中观尺度上,雨季降雨量对洪湖片区地表径流总量无直接影响,降雨强度显著影响洪湖片区地表径流峰值流量(P<0.05),日降雨量对布吉河水质影响极显著(P<0.01)。洪湖片区通过28.3%(0.85 km^(2))海绵面积建设,透水面比例提升,以生物滞留设施和透水铺装等强化片区蒸散和下渗过程,减少雨季径流97.2%(248.72万m^(3)),削减典型降雨峰值流量98.2%以上,降低易涝点积水水位至7.8 cm以下,2.8%形成河川径流(布吉河),海绵面积(比例)和地表径流量削减无直接量化关系。洪湖片区污染物截留时空随保水能力得到提升,控制排放悬浮物月均浓度均低于15.60 mg/L,污染物通过径流裹挟进入布吉河的总量和速率降低,促使布吉河黑臭消除、水质提升至IV类。海绵城市建设对微观尺度生态水文过程的影响与中观尺度存在差异,降雨量等因素与典型项目生态水文过程量化关系不明显。学校、道路和社区公园利用绿色屋顶、透水铺装等强化下渗、蒸散,可削减雨季径流99.0%以上、削减峰值流量97.0%以上,控制悬浮物月均浓度低于17.10 mg/L。总之,以上研究结果强烈表明海绵城市中微观尺度源头减排设施和调蓄设施的耦合建设模式可以削减洪湖片区径流总量、峰值流量、积水水位和径流污染,是一种改善相似流域生态水文过程的有效途径。

小良试验站三种地表径流效应的对比研究

基于连续１０年的观测，本文对比研究了３种植被类型的地表径流效应，证明了混交林的水文效益无论从哪方面都较桉树林和裸地明显，并且随着年度的推移，混交林的水文效益更加突出。发生产流的最小降雨量条件为：混交林３０．２ｍｍ，按树林５．１ｍｍ，裸地６．０ｍｍ。产流发生时饱和土层厚度分别为１２．６ｍｍ，３．４ｍｍ，和６．３ｍｍ．理论上，作者阐明了３种植被类型下的产流类型，提出了桉树林下地表更易形成击实层这样二个设想，这就为水土保持林的营造提供了一个极富实际意义的例子，为在海岸台地这样一个特殊生境下综合研究水土保持效益提供了资料。