基于SWMM模型的雨水管網(wǎng)優(yōu)化

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1引言

　　城市雨水管網(wǎng)是重要的城市基礎(chǔ)設(shè)施，擔(dān)負著收集雨水、及時排除市區(qū)和流經(jīng)市區(qū)雨水的任務(wù)。隨著城市的發(fā)展，區(qū)域不透水面積增加，降雨造成淹水現(xiàn)象較為普遍。當(dāng)大強度降雨時，造成排水管網(wǎng)壓力過大，雨水無法及時排走，在城區(qū)低洼處形成積水，嚴(yán)重影響城市交通和居民生活。同時，運行多年的管道已年久失修。因此，利用數(shù)值模擬手段，了解城市雨水管網(wǎng)運行現(xiàn)狀，合理地進行排水管網(wǎng)優(yōu)化與改擴建是十分必要和緊迫的。

　　自20世紀(jì)70年代起，美國等發(fā)達國家開始利用數(shù)學(xué)模型模擬城市地表徑流對降雨事件的響應(yīng)過程，用于城市防洪規(guī)劃和管網(wǎng)的優(yōu)化。Pomeroy等以美國53年的降雨資料為依據(jù)，利用SWMM模型進行水文和水動力學(xué)模擬，提出通過減小徑流量以及優(yōu)化水質(zhì)來降低渠道的侵蝕潛力的觀點。我國城市排水管網(wǎng)的數(shù)字化研究起步較晚，但近年來已經(jīng)取得了一些成果。

　　劉俊等以SWMM為基礎(chǔ)，模擬了匯水區(qū)和街區(qū)的地面積水全過程，開發(fā)出了適合上海市區(qū)地表產(chǎn)流和防洪管理要求的雨洪模型。叢翔宇等通過SWMM模型，在不同暴雨設(shè)計頻率下，模擬了北京某小區(qū)的排水效果以及積水、道路坡面流等情況。本文通過模擬不同重現(xiàn)期下的降雨過程、管道內(nèi)雨水流動以及地面積水情況，找出排水系統(tǒng)的“瓶頸制約”，提出改造措

　　施并對改造措施進行評估，為排水管網(wǎng)的優(yōu)化與改擴建提供理論和技術(shù)指導(dǎo)。

　　2模型與模擬方法

　　2.1SWMM模型簡介SWMM模型是美國環(huán)保局為設(shè)計和管理城市雨洪而研制的綜合性數(shù)學(xué)模型。它可以基于降雨量和其它氣象資料模擬真實的暴雨事件，預(yù)測水量和水質(zhì)總值，給出水量水質(zhì)的時空分布，評價排水系統(tǒng)的排水能力。它可以實現(xiàn)雨水管、合流制管道，自然排放系統(tǒng)的水量和水質(zhì)模擬，并且具有強大的數(shù)據(jù)提取功能。本文排水管道水力模擬的重點在于解決如何降低地面積水和管道過載程度。

　　2.2建模過程本文利用ArcGIS水文分析（HydrologicalAnalysis）功能自動劃分匯水區(qū)，簡化了SWMM建模過程中的工作量，提高了建模效率。

　　2.2.1管網(wǎng)概化利用研究區(qū)域的管網(wǎng)數(shù)據(jù)信息，主要包括：管網(wǎng)的空間位置（即X、Y坐標(biāo)）、節(jié)點高程、管長、管徑、流向、坡度等屬性數(shù)據(jù)，通過GIS對管網(wǎng)節(jié)點（檢查井）和匯水區(qū)進行分析處理，并將結(jié)果輸入SWMM模型中，以便后面的研究。所選區(qū)域檢查井眾多，本文只對功能性突出、對模擬產(chǎn)生直接影響的檢查井進行研究。根據(jù)區(qū)域地形以及管網(wǎng)圖，將匯水區(qū)內(nèi)的管網(wǎng)簡化后直接匯流到城市雨水管網(wǎng)支管中。管網(wǎng)概化后的檢查井和管道圖見圖1。2.2.2DEM圖生成將導(dǎo)入到ArcGIS的CAD圖轉(zhuǎn)換成矢量式數(shù)據(jù)，添加相關(guān)屬性后，利用3D分析生成TIN表面，然后轉(zhuǎn)換成DEM（DigitalElevationModel）數(shù)據(jù)。

　　2.2.3匯水區(qū)的劃分將DEM數(shù)據(jù)圖經(jīng)過流向分析，利用Basins工具提取自然匯水區(qū)，然后利用Thiessen多邊形工具，將獲得的自然匯水區(qū)進一步劃分，使每一個出水口對應(yīng)一個匯水區(qū)。由于研究區(qū)域的地勢相對平坦，利用自然匯水劃分得到的匯水區(qū)并不能完全反映實際的匯水情況，本文采用Thiessen多邊形和修改工具進行調(diào)整，使劃分結(jié)果更具實際意義。將生成的匯水區(qū)圖導(dǎo)入SWMM模型生成子匯水區(qū)模型（見圖2）。

　　通過ArcGIS分析得到的數(shù)據(jù)中，SWMM入口和出口偏移量、曼寧系數(shù)；面要素：平均不透水區(qū)）、粗糙率（透水區(qū)、不透水區(qū)）。

　　3案例分析

　　3.1區(qū)域概況選取某城市區(qū)域為研究對象，該區(qū)域面積為360公頃，平均坡度很小，可忽略不計。地面標(biāo)高在3米左右，管道的最小埋深為1.5m。地面多為瀝青地面，建筑物多為住宅區(qū)，各匯水區(qū)的不透水面積率為60%-75%，排水體制為分流制，雨水管道總長有6000余米。雨水匯流至城市雨水管網(wǎng)中，分別流向區(qū)域范圍內(nèi)的兩個排水口O1、O2（見圖1），然后排至河流。

　　3.2模型參數(shù)的確定模型中的確定性參數(shù)（匯水面積、管道長度等）在SWMM中繪制時自動生成，中間參數(shù)經(jīng)ArcGIS數(shù)據(jù)分析得到，其它不確定性參數(shù)參考國內(nèi)外研究成果，根據(jù)研究區(qū)域的地面特征設(shè)定。滲透采用Horton模型，最大入滲率、最小滲透率和入滲遞減率分別取為76.2mm/h、3.81mm/h和0.0006/hr，透水區(qū)和不透水區(qū)的曼寧系數(shù)取為0.03和0.015，混凝土管道粗糙系數(shù)為0.013，透水區(qū)和不透水區(qū)洼蓄量分別為12mm和2mm。計算中采用降雨歷時為4h，計算時間步長為5min。

　　3.3計算結(jié)果分析考慮暴雨重現(xiàn)期為1a、2a、5a、10a、20a，分別對節(jié)點溢流和管道過載情況進行模擬，發(fā)現(xiàn)部分檢查井積水時間較長。如在P=2a時，33、36號檢查井溢流時間最長；此時，部分管道過載現(xiàn)象比較嚴(yán)重，說明管道排水負荷已經(jīng)偏高，其中管道34、37過載最嚴(yán)重。溢流嚴(yán)重的節(jié)點和過載管道的相關(guān)數(shù)據(jù)見表1（含管網(wǎng)優(yōu)化后的相關(guān)數(shù)據(jù)）。

　　4管網(wǎng)優(yōu)化管網(wǎng)改造措施

　　主要有以下幾類：結(jié)構(gòu)改造、設(shè)施改造、布局改造和BMPs（最佳管理實踐）措施等?；赟WMM的計算結(jié)果，分析節(jié)點溢流原因。首先，核查其上游的排水分區(qū)是否合理、地勢是否低洼等，然后核查積水點下游管段管徑是否過小、坡度是否過緩、管道是否堵塞。確定無誤后，根據(jù)改造目的結(jié)合施工難度、施工造價和運行成本等方面綜合考慮選擇改造方案，

　　實現(xiàn)系統(tǒng)運行性能的最優(yōu)化。考慮到新建管道以及增設(shè)蓄水池的工程造價較高，且研究區(qū)域的“瓶頸”區(qū)域較小，本研究采用以下兩種方法緩解地面積水和管道過載狀況，并且對兩種改造方案的運行狀況進行評估。

　　4.1改變節(jié)點高程為了緩解33和36號檢查井的溢流狀況，分析此區(qū)域的水流和管道埋設(shè)情況得知，需要增大下游管道的坡度。在P=2a時，不造成下游節(jié)點溢流的情況下，將31、32、35號檢查井的井底高程分別由-0.025m、0.485m、0.71m降低到-0.55m、-0.30m、-0.10m。結(jié)果顯示，節(jié)點33的最大溢流流量由1.35m3/s降至1.11m3/s，而且大流量（0.5m3/s以上）持續(xù)時間由原來的120分鐘減至55分鐘。在4小時降雨歷時下，節(jié)點33和36的溢流量分別減小了1673m3和1326m3（J33和J36溢流情況見圖3、4），同時下游管道34、37的過載程度明顯降低，節(jié)點溢流和管道過載的緩解情況見表1.整個排水系統(tǒng)總溢流量由8943m3減至4938m³，減小了44.78%。進一步模擬了不同雨情（P=5a，P=10a，P=20a）下，改變節(jié)點高程緩解溢流和管道過載情況。結(jié)果表明，隨著重現(xiàn)期的增大，緩沖結(jié)果愈加不明顯，整個排水系統(tǒng)溢流量見表3。

　　4.2改變管徑為了降低上游節(jié)點的溢流程度，可以通過加快下游管道的匯出流量來實現(xiàn)。結(jié)果顯示，增加某些管道管徑，可有效地緩解溢流程度。在P=2a時，不造成下游節(jié)點溢流的情況下，將管道34、37的管徑分別由DN400和DN600改為DN600和DN1000，節(jié)點33的最大溢流流量由1.35m³/s降至0.66m³/s，且較大溢流流量（0.5m3/s以上）持續(xù)時間僅僅25分鐘。在4小時降雨歷時下，節(jié)點33和36的溢流量分別減小了5148m3和1446m³，下游管道34和37的過載程度明顯降低。相關(guān)節(jié)點溢流和管道過載情況見表1.整個排水系統(tǒng)的總溢流量減小了7293m³-81.62%。J33和J36在管網(wǎng)改造前后的溢流情況見圖3和圖4。不同雨情下（P=5a、P=10a、P=20a）的模擬結(jié)果顯示，改變管徑緩解節(jié)點溢流和管道過載的效果比較理想，整個排水系統(tǒng)的溢流量變化見表3。

　　可以看出，兩種改造方案都能緩解節(jié)點溢流和管道過載程度?，F(xiàn)分析兩種改造方案下管道淤積情況。分析結(jié)果可知，受管道坡度和流速的影響，管道34和37形成淤泥的可能性最大。

　　在P=2a時，假設(shè)三種狀態(tài)下這兩個管道內(nèi)的淤泥厚度都為0.1m，對管網(wǎng)運行情況進行模擬，管網(wǎng)優(yōu)化前后節(jié)點33和36溢流情況見圖5和圖6。在4個小時降雨歷時下，改變節(jié)點高程和管徑使淤積狀態(tài)下排水系統(tǒng)的溢流量分別減少了2619m³、6729m³-24.20%和62.18%。

　　由圖5和圖6可以看出，改變節(jié)點高程緩解管網(wǎng)溢流的程度相對較小。對改變節(jié)點高程后的管網(wǎng)在淤積不同程度下進行模擬。結(jié)果顯示，淤積程度越高，溢流時間越長，總溢流量越大。不同降雨重現(xiàn)期的模擬結(jié)果顯示，隨著重現(xiàn)期的增大，下游節(jié)點溢流的風(fēng)險增大。因此，如果采用改變節(jié)點高程的優(yōu)化方案，需要對管道進行定期清淤。

　　增大管徑優(yōu)化后的排水管網(wǎng)，由于管道充滿度不高，管道淤積對下游節(jié)點溢流造成的影響不大，因此，不需要對管網(wǎng)進行頻繁清淤。

　　5結(jié)語

　?。?）通過模擬雨水管網(wǎng)的運行狀況，計算出了排水系統(tǒng)的積水范圍、積水點溢流時間、溢流流量以及管道的過載時間。在P=2a時，改變節(jié)點高程和增大管徑的改造方案分別使排水系統(tǒng)的溢流量減少了44.78%和81.62%，明顯緩解了節(jié)點溢流和管道過載情況；

　　（2）兩種方案都能緩解淤積狀態(tài)下節(jié)點溢流和管道過載程度，但隨著重現(xiàn)期的增大，改變節(jié)點高程方案使下游節(jié)點發(fā)生溢流的風(fēng)險加重，需要定期清淤；

　?。?）綜合在不同降雨重現(xiàn)期下，兩種方案緩解節(jié)點溢流和管道過載情況以及管網(wǎng)在淤積狀態(tài)下的運行情況，得出增大管徑方案優(yōu)于改變節(jié)點高程方案。