SWMM在城市排水系统雨季溢流问题中的应用_排水管网

论文导读:：应用SWMM对北方某城市小区的合流制排水管网系统进行仿真，模拟重现期为一年的暴雨期间不同时段城市排水管道和节点的工作状态，利用SWMM的结果找出主要的溢流瓶颈点，对造成此结果的可能原因包括管径、管道粗糙度以及管道坡度进行了比较和量化分析，得出最主要原因是下游管道的管径过小，据此结果对管网进行了优化，并对优化后的管道在雨季的工作状况进行了二次模拟。本文的研究方法和研究成果为新建、改建和扩建城市排水管网提供科学参考和依据，从而帮助减少暴雨给城市带来的涝灾损失。
关键词：SWMM，地表径流，排水管网，节点溢流
 

随着全球气候变化的日趋加剧，多数区域的降雨在近些年呈现雨期集中、强度加大的特点，使得很多没有充分考虑降雨径流排水的城市区域在雨季出现局部排水不畅，严重影响了城市居民的日常生活，造成严重的涝灾损失^[1-3]。目前国内多数大中型城市，已有的排水管路都没有单独的雨水排放管路，都是雨污合流^[4,5]。合流制排水系统不仅承担着日常污水的排出，同时也是降雨径流的排出通道，即城市点源和非点源污染的双重排出通道^[6,7]。由于合流制的体系在旱季时，污水流速较慢，会在管道底部产生沉积物，导致管道排水不畅通，当雨季来临，降雨强度较大时，容易出现节点溢流现象^[8]；不仅如此，在很多老城区，陈旧的排水管路管径偏小，管坡设计不合理，管网覆盖率低，溢流状况非常严重^[10,11]，新建、改造陈旧排水管路以改善城区雨季溢流问题成为许多城市的迫切需求。美国环保局开发的暴雨管理模型（Storm Water Management Model，SWMM）可对整个城市降雨、径流过程进行较为准确的量和质的模拟^[2,11]，根据SWMM模拟结果，完善城市的排水管道设计以及对已有排水系统进行改造，可以大大提高设计的效果^[4]。

SWMM自1971年由美国环保局推出以来，得到了广泛的应用,取得了良好的效果^[12-17]。本文利用SWMM模拟中国北方某城市小区排水管网在雨季遇不同强度降雨时管路中的水流状况排水管网，根据模拟结果，识别其溢流瓶颈段，并对各种可能的原因进行分析和模拟，在此基础上提出了相应的解决措施。

1 SWMM介绍

SWMM全称是暴雨管理模型（StormWater Management Model），是一个面向城市区域的雨水径流水量和水质分析的综合性计算机模型。

SWMM可以对单场降雨或者连续降雨而产生的坡面径流及其汇入排水管网系统后的水量和水质变化进行动态模拟，也可以进行排水系统中节点、管道、汇水区以及其他排水构筑物的流量、水深和流速等时间序列的仿真模拟^[18]。

由于强大的模拟功能，SWMM被广泛用于城市排水系统的水文-水动力学模拟，模型输出具有多种形式，包括统计分析表格、时间序列图表、剖面图和动画演示等，可以显示在降雨期间及退水时排水管网中各个节点和管道的流量、水深和水质状况，通过对管网在降雨过程中的运行状态及负荷的分析，为合理规划管网、优化规划方案提供决策支持。

2 研究区域概况

研究区是中国北方某城市的一个经济技术开发区，其总汇水面积为4500hm²，服务人口25万人。该区属中温带大陆性季风气候，降水量年内分配十分不均，全年平均降水量约570mm，6至9月份降水集中，占年降水量的70%以上，3至5月份不足20%，10月至翌年2月不足10%，由于降水量年内分配十分不均，形成春旱夏涝的景象。

3 模型参数的的确定过程

3.1 降雨量的确定

SWMM动态模拟中降雨量的输入可以是实测降雨量，也可以是根据暴雨强度公式计算得到的降雨量^[19]。目前该市的降雨资料以日为时间间隔，对城市排水管网动态模拟来说计算时间步长太大，不利于水流状态的精确模拟。研究资料表明应用Keifer和Chu雨型一般能够满足精度要求，且比较容易确定雨强过程^[19]，即采用此雨型作为降雨过程模拟管网的工作状态。Keifer和Chu雨型的缺点是雨峰处过于尖瘦，为此可采用5min为一时段的柱状过程来代替，可以克服这一缺点^[20]中国论文网。

根据以往研究该市的暴雨强度公式为

式中， q—设计暴雨强度，L/(s.hm²)

P—设计重现期，a

T—降雨历时，min.

该市的已有城市降雨设计按重现期P=1a设计，模拟的雨峰系数取建议值R=0.4^[19]，降雨历时取60min。则雨强过程为

峰前

峰后

式中， i—瞬时降雨强度，mm/min

t₁—峰前降雨历时，min

t₂—峰后降雨历时，min

图1为60min雨量分布图，总降雨量为24.73mm,雨峰强度为2.28mm/min。

图1 60min雨量分布图

3.2 模拟区概化

选取该经济开发区的一个小区的排水管网进行仿真，模拟其在降雨期间的工作状态。该排水管网系统是合流制，包括275个检查井和1个出水口；排水管道总长度为17346m，两节点即检查井间管道长度在30-123m之间，最小管径为400mm,最大管径为1000mm；汇水区域总面积约为394hm²，根据区域的表面坡度、土地利用的性质和距离节点的远近^[21]，将汇水区域划分为267个子汇水区域，汇水子区域最大面积小于2hm²，各个汇水子区域的径流作为节点入流量连接到最近的检查井节点。由于溢流时降雨径流在排水管路中是主体，本文模拟只考虑了暴雨期间雨水进入管道的量，不考虑其他污水的汇入。

概化后的小区排水管网如图2所示。

图2 模拟小区排水管网概化图

3.3 模型参数的选择

管道长度、形状、管径、坡度以及节点的高程数据从市政排水管网规划图中获得，对于部分缺失的节点高程，参考周围邻近节点的高程应用插值法来确定。

在SWMM中入渗模型有三种：Horton公式排水管网，Green-Ampt公式和Curve-Number公式，其中Horton公式待定参数少，适用于小流域模拟，在国内应用的较多，本次模拟采用Horton入渗公式。Horton公式水力模拟参数包括最大入渗率，最小入渗率和衰减常数，这些参数与土壤性质相关，研究区土壤主要为壤土，根据SWMM使用手册提供的参数和当地情况，取最大入渗率76.2mm/hr，最小入渗率3.3mm/hr，衰减系数4.5。

根据文献报道^[19]，不透水区的洼蓄量取值为2-5mm，透水区的洼蓄量取值为3-10mm；在无资料的条件下各取中间值，即不透水区洼蓄量取3.5mm，透水区的洼蓄量取6.5mm。汇水区平均坡度参照周围管道坡度，特征长度的计算等于汇水面积与水流长度的比值。汇水区不透水面百分比根据市政土地利用规划图确定，其值取50%。

模型中含有三个曼宁粗糙系数，分别是透水区和不透水区曼宁粗糙系数以及管道粗糙系数。对于汇水区粗糙系数根据下垫面特征，参照手册^[18]提供的参数，透水区取0.15，不透水区取0.015；区域排水管道为混凝土圆管，其取值在0.013-0.014之间^[22]，本次模拟选其最小值0.013。

4 模拟及结果分析

4.1 识别瓶颈点

表1 严重溢流节点状况

本次模拟降雨历时为60min，由于降雨结束后，管道还有一段时间的退水时段，因此设置模拟时间为120min。经过模拟，从总体来看，有13.4%的节点会出现10min以上的溢流，10%的节点会出现20min以上的溢流，其中J70-J75节点溢流时间长达44-48min，J48-J53溢流时间超过了60min,在77-79min之间；仅有3.7%的管长没有发生满流，其他都有不同程度的满流发生。系统整体在降雨时严重溢流节点情况见表1。

在节点蓄水之后，先积水在节点顶部，等待下游管道排水缓解时，积水再排出。在现实情况下，如果节点蓄水时间较长，如达到一个小时以上的，很有可能在雨水口道路处产生城市路面积水，造成城市内涝。排水管道满流时间太长，说明管道在超负荷运行，排水能力不能满足需要。

从模拟情景可以看出，J48-J53节点以及连接节点的管道是排水系统的主要瓶颈点。

4.2 改善瓶颈段溢流措施的探讨

在改变模型参数的情况下，瓶颈段各个节点以及相连接管道的溢流情景基本相同，因此改变区域及管道设计的参数，以中间节点J50的溢流变化为例代替模拟整个瓶颈段的状况是合理的。该瓶颈段管段总长为520m，总汇水面积为6.3hm²。

影响节点内水深的原因有：汇水区不透水面积百分比，汇水区洼蓄能力，透水区不透水区曼宁粗糙系数，管道的管径、粗糙系数以及管坡。其中主要影响因素为汇水区不透水面积百分比，管道的管径、粗糙系数和管坡^[5,7]。

4.2.1汇水区不透水面积百分比对节点溢流的影响

图3 不透水面积百分比对J50节点内水深的影响

改变汇水区不透水面积百分比，模拟节点溢流状况排水管网，其模拟结果如图3所示。目前该汇水区域不透水面积百分比为50%，经过模拟其节点溢流时间为67min，如果增加绿地面积，将不透水面积由50%降到40%，节点溢流时间可减少10min；将不透水面积由50%降到30%，节点溢流时间缩短21min。

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