SWMM在城市排水系統(tǒng)雨季溢流問(wèn)題中的應(yīng)用

1、SWMM在城市排水系統(tǒng)雨季溢流問(wèn)題中的應(yīng)用論文導(dǎo)讀:：應(yīng)用SWMM對(duì)北方某城市小區(qū)的合流制排水管網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行仿真，模擬重現(xiàn)期為一年的暴雨期間不同時(shí)段城市排水管道和節(jié)點(diǎn)的工作狀態(tài)，利用SWMM的結(jié)果找出主要的溢流瓶頸點(diǎn)，對(duì)造成此結(jié)果的可能原因包括管徑、管道粗糙度以及管道坡度進(jìn)行了比擬和量化分析，得出最主要原因是下游管道的管徑過(guò)小，據(jù)此結(jié)果對(duì)管網(wǎng)進(jìn)行了優(yōu)化，并對(duì)優(yōu)化后的管道在雨季的工作狀況進(jìn)行了二次模擬。本文的研究方法和研究成果為新建、改建和擴(kuò)建城市排水管網(wǎng)提供科學(xué)參考和依據(jù)，從而幫助減少暴雨給城市帶來(lái)的澇災(zāi)損失。關(guān)鍵詞：SWMM，地表徑流，排水管網(wǎng)，節(jié)點(diǎn)溢流隨著全球氣候變化的日趨加劇，多數(shù)區(qū)域的降

2、雨在近些年呈現(xiàn)雨期集中、強(qiáng)度加大的特點(diǎn)，使得很多沒(méi)有充分考慮降雨徑流排水的城市區(qū)域在雨季出現(xiàn)局部排水不暢，嚴(yán)重影響了城市居民的日常生活，造成嚴(yán)重的澇災(zāi)損失。目前國(guó)內(nèi)多數(shù)大中型城市，已有的排水管路都沒(méi)有單獨(dú)的雨水排放管路，都是雨污合流。合流制排水系統(tǒng)不僅承當(dāng)著日常污水的排出，同時(shí)也是降雨徑流的排出通道，即城市點(diǎn)源和非點(diǎn)源污染的雙重排出通道。由于合流制的體系在旱季時(shí)，污水流速較慢，會(huì)在管道底部產(chǎn)生沉積物，導(dǎo)致管道排水不暢通，當(dāng)雨季來(lái)臨，降雨強(qiáng)度較大時(shí)，容易出現(xiàn)節(jié)點(diǎn)溢流現(xiàn)象；不僅如此，在很多老城區(qū)，陳舊的排水管路管徑偏小，管坡設(shè)計(jì)不合理，管網(wǎng)覆蓋率低，溢流狀況非常嚴(yán)重，新建、改造陳舊排水管路以改善城

3、區(qū)雨季溢流問(wèn)題成為許多城市的迫切需求。美國(guó)環(huán)保局開(kāi)發(fā)的暴雨管理模型 最大蓄水發(fā)生時(shí)間段(hr:min) 溢流時(shí)間min) J48 2.94 00:33-01:42 69 J49 2.94 00:33-01:42 67 J50 2.94 00:33-01:42 69 J51 2.94 00:33-01:42 69 J52 2.94 00:33-01:42 69 J53 2.94 00:32-01:41 69 J70 2.25 00:32-01:18 46 J71 2.25 00:32-01:18 46 J72 2.25 00:31-01:16 45 J73 2.25 00:31-01:16 45

4、 J74 2.25 00:31-01:16 45 J75 2.25 00:31-01:16 45 本次模擬降雨歷時(shí)為60min，由于降雨結(jié)束后，管道還有一段時(shí)間的退水時(shí)段，因此設(shè)置模擬時(shí)間為120min。經(jīng)過(guò)模擬，從總體來(lái)看，有13.4%的節(jié)點(diǎn)會(huì)出現(xiàn)10min以上的溢流，10%的節(jié)點(diǎn)會(huì)出現(xiàn)20min以上的溢流，其中J70-J75節(jié)點(diǎn)溢流時(shí)間長(zhǎng)達(dá)44-48min，J48-J53溢流時(shí)間超過(guò)了60min,在77-79min之間；僅有3.7%的管長(zhǎng)沒(méi)有發(fā)生滿(mǎn)流，其他都有不同程度的滿(mǎn)流發(fā)生。系統(tǒng)整體在降雨時(shí)嚴(yán)重溢流節(jié)點(diǎn)情況見(jiàn)表1。在節(jié)點(diǎn)蓄水之后，先積水在節(jié)點(diǎn)頂部，等待下游管道排水緩解時(shí)，積水再排出。在

5、現(xiàn)實(shí)情況下，如果節(jié)點(diǎn)蓄水時(shí)間較長(zhǎng)，如到達(dá)一個(gè)小時(shí)以上的，很有可能在雨水口道路處產(chǎn)生城市路面積水，造成城市內(nèi)澇。排水管道滿(mǎn)流時(shí)間太長(zhǎng)，說(shuō)明管道在超負(fù)荷運(yùn)行，排水能力不能滿(mǎn)足需要。從模擬情景可以看出，J48-J53節(jié)點(diǎn)以及連接節(jié)點(diǎn)的管道是排水系統(tǒng)的主要瓶頸點(diǎn)。4.2 改善瓶頸段溢流措施的探討在改變模型參數(shù)的情況下，瓶頸段各個(gè)節(jié)點(diǎn)以及相連接管道的溢流情景根本相同，因此改變區(qū)域及管道設(shè)計(jì)的參數(shù)，以中間節(jié)點(diǎn)J50的溢流變化為例代替模擬整個(gè)瓶頸段的狀況是合理的。該瓶頸段管段總長(zhǎng)為520m，總匯水面積為6.3hm2。影響節(jié)點(diǎn)內(nèi)水深的原因有：匯水區(qū)不透水面積百分比，匯水區(qū)洼蓄能力，透水區(qū)不透水區(qū)曼寧粗糙系數(shù)，

6、管道的管徑、粗糙系數(shù)以及管坡。其中主要影響因素為匯水區(qū)不透水面積百分比，管道的管徑、粗糙系數(shù)和管坡。圖3 不透水面積百分比對(duì)J50節(jié)點(diǎn)內(nèi)水深的影響改變匯水區(qū)不透水面積百分比，模擬節(jié)點(diǎn)溢流狀況排水管網(wǎng)，其模擬結(jié)果如圖3所示。目前該匯水區(qū)域不透水面積百分比為50%，經(jīng)過(guò)模擬其節(jié)點(diǎn)溢流時(shí)間為67min，如果增加綠地面積，將不透水面積由50%降到40%，節(jié)點(diǎn)溢流時(shí)間可減少10min；將不透水面積由50%降到30%，節(jié)點(diǎn)溢流時(shí)間縮短21min。瓶頸段管徑為800mm，瓶頸管下游500m范圍內(nèi)的管徑為600mm。模擬雨水在管道中的流動(dòng)應(yīng)用的是動(dòng)力波，如果下游不暢通，就會(huì)有回流狀況的發(fā)生?？紤]到下游對(duì)上游的

7、影響，改變下游管道的管徑，模擬對(duì)節(jié)點(diǎn)溢流的影響，其模擬結(jié)果如圖4所示。圖4說(shuō)明將下游管徑為600mm的管道換成700mm的管道，節(jié)點(diǎn)溢流時(shí)間將縮短約42min；將下游管徑為600mm的管道換成800mm的管道，節(jié)點(diǎn)溢流時(shí)間將縮短62min。因此改變下游管道的管徑將能有效地縮短節(jié)點(diǎn)溢流的時(shí)間，緩解道路積水，減少城市內(nèi)澇的發(fā)生。圖4 管徑對(duì)J50節(jié)點(diǎn)內(nèi)水深的影響排水管道為混凝土圓管，其管道粗糙系數(shù)在0.013-0.014之間，在初始模擬時(shí)取管道粗糙系數(shù)最小值0.013，模擬結(jié)果的節(jié)點(diǎn)J50溢流時(shí)間長(zhǎng)達(dá)67min，當(dāng)取管道粗糙系數(shù)為最大值0.014時(shí)，節(jié)點(diǎn)溢流時(shí)間增加至74min，如果假設(shè)管道為鋼管

8、，其粗糙系數(shù)為0.012，經(jīng)過(guò)模擬，其節(jié)點(diǎn)溢流時(shí)間將縮短7min。不同粗糙系數(shù)對(duì)節(jié)點(diǎn)溢流的影響結(jié)果如圖5所示，改變管道粗糙系數(shù)以緩解管道壓力縮短節(jié)點(diǎn)溢流時(shí)間的效果不是很明顯。圖5 管道粗糙系數(shù)對(duì)J50節(jié)點(diǎn)內(nèi)水深的影響圖6 管道坡度對(duì)J50節(jié)點(diǎn)內(nèi)水深的影響4.3 優(yōu)化措施及效果 圖7 瓶頸管段優(yōu)化前后J50節(jié)點(diǎn)內(nèi)水深變化 節(jié)點(diǎn)長(zhǎng)時(shí)間溢流受子匯水區(qū)不透水面積百分比、管徑、管道粗糙率和管坡等諸多因素的影響。通過(guò)模擬不同因素對(duì)節(jié)點(diǎn)溢流的影響程度，對(duì)于該區(qū)域的瓶頸管段，下游管道的管徑較小是引起節(jié)點(diǎn)長(zhǎng)時(shí)間溢流的最主要原因，其次為管道的坡度。根據(jù)以上的結(jié)果對(duì)瓶頸段進(jìn)行優(yōu)化，即將下游管徑為600mm的管道換成

9、管徑為800mm的管道，瓶頸段管道坡度設(shè)計(jì)為0.0015，其模擬結(jié)果如圖7所示。圖7顯示，將瓶頸管段優(yōu)化后，節(jié)點(diǎn)溢流持續(xù)時(shí)間將由原來(lái)的67min降到9min，優(yōu)化效果顯著，極大降低了管道負(fù)荷，減少了路面積水，減緩了城市內(nèi)澇的發(fā)生。4.4 重現(xiàn)期P=3a時(shí)的降雨模擬分析圖8 60min雨量分布圖管道優(yōu)化設(shè)計(jì)后，設(shè)計(jì)降雨重現(xiàn)期P=3a時(shí)，模擬管道的工作狀態(tài)，檢查J50節(jié)點(diǎn)處的溢流情況，評(píng)價(jià)其是否滿(mǎn)足排水要求。設(shè)計(jì)降雨數(shù)據(jù)見(jiàn)圖8所示排水管網(wǎng)，降雨總量為29.84mm，峰值雨強(qiáng)為3.27mm/min。P=3a時(shí)的降雨總量比P=1a時(shí)的降雨總量增加5mm，峰值雨強(qiáng)增加了0.99mm/min。模擬結(jié)果如圖

10、9所示，圖9說(shuō)明P=3a時(shí)的降雨比P=1a時(shí)的降雨節(jié)點(diǎn)溢流時(shí)間會(huì)提前約5min，溢流持續(xù)時(shí)間為14min,不會(huì)在路面長(zhǎng)時(shí)間積水，造成洪澇，優(yōu)化后的排水管網(wǎng)設(shè)計(jì)滿(mǎn)足暴雨重現(xiàn)期P=3a時(shí)的排水要求。圖9 不同降雨重現(xiàn)期J50節(jié)點(diǎn)內(nèi)水深隨時(shí)間變化圖5 總結(jié)SWMM模型能很好的模擬城市排水管網(wǎng)在雨季的工作狀態(tài)，可用于對(duì)管網(wǎng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行校核，提出優(yōu)化設(shè)計(jì)方案；同時(shí)可以根據(jù)模擬結(jié)果計(jì)算得出的各個(gè)積水點(diǎn)的水深、積水范圍、積水歷時(shí)等，可為城市的防洪排澇提供技術(shù)支持。將瓶頸段優(yōu)化設(shè)計(jì)后，模擬設(shè)計(jì)暴雨重現(xiàn)期P=3a時(shí)管道的工作狀態(tài)，其結(jié)果顯示，溢流持續(xù)時(shí)間為14min,不會(huì)在路面長(zhǎng)時(shí)間積水，造成洪澇，優(yōu)化后的排水管

11、網(wǎng)滿(mǎn)足設(shè)計(jì)暴雨重現(xiàn)期P=3a時(shí)的排水要求。參考文獻(xiàn)：【1】李原園,酈建強(qiáng),石海峰等.中國(guó)防洪假設(shè)干重大問(wèn)題的思考. 水科學(xué)進(jìn)展, 2021, 21(4):490-495.【3】Li, Y.X., Kang, J-H, Lau, S-L., Kayhanian, M., and Stenstrom, M. K.(2021) Optimization of Settling Tank Design to Remove Particles andMetals;. Journal of Environmental Engineering, ASCE, 134 (11), 885-894.【4】趙磊,楊

12、逢樂(lè),王俊松等.合流制排水系統(tǒng)降雨徑流污染物的特性及來(lái)源. 環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào), 2021,28(8): 1561-1570【5】王淑梅,王寶貞,曹向東等.對(duì)我國(guó)城市排水體制的探討. 中國(guó)給水排水, 2007, 23(12): 16-21.【6】王越興.SWMM在城市排水管網(wǎng)分析中的應(yīng)用. 給水排水,2021, 36:408-410.【7】劉翠云，車(chē)武，董朝陽(yáng)分流制雨水與合流制溢流水質(zhì)的比擬給水排水，2007，33(4)：5l-55.Mannina G, Viviani G.Separate and combined sewer systems: a long-term modelling appr

13、oach. WaterScience Technology. 2021,60(3):555-565.劉興坡,劉遂慶,李樹(shù)平等.基于SWMM的排水管網(wǎng)模擬分析技術(shù). 給水排水,2007,16(3): 29-34.Katherine L. Meierdiercks, James A. Smith, Mary Lynn Baech, etal(2021). Analysis of urban drainage network structure and its impact onhydrologic response. Journal of the American water resourcesa

14、ssociation(JAWRA), 46(5): 932-943.Chih-Hua Chang,Ching-Cumg Wen, Chih-Sheng Lee. Use of intercepted runoff death for storm waterrunoff management in induatrial parks in Taiwan. Water Resour Managage(2021)22: 1609-1623.E.W. Peterson , C.M. Wicks(2006) Assessing the importance ofconduit geometry and p

15、hysical parameters in karst systems using the storm watermanagement model(SWMM). Journal of Hydrology, 329: 294-305.叢翔宇,倪廣恒,惠士博等.基于SWMM模型的北京市典型城區(qū)暴雨洪水模擬分析. 水利水電技術(shù), 2006, 37(4): 64-67.劉俊,徐向陽(yáng).城市雨洪模型在天津市排水分析計(jì)算中的應(yīng)用. 技術(shù)與應(yīng)用, 2001,(1): 5-11.劉俊.城市雨洪模型研究. 河海大學(xué)學(xué)報(bào), 1997,25(6).Lewis A. Rossman (2004). Storm Water Management Model UsersManual (Version 5.0). Water supply and water resource