基于SWMM 的雨水管道优化设计
2013-08-21王宏峰谌志涛
程 伟 王宏峰* 谌志涛
(1.华中科技大学文华学院城市工程建设学部，湖北武汉 430074;2.华中科技大学环境科学与工程学院，湖北武汉 430074;3.中信建筑设计研究总院有限公司深圳市政分公司，广东深圳 518000)
0 引言
近年来，我国大中城市频繁发生渍水事件，造成了巨大的经济损失及社会影响［1］，这也暴露出城市雨水管道设计上存在着许多不足，为了对暴雨雨水进行有效的管理和控制，必须对降雨过程中地表积水、径流以及管道过流量进行更加深入的认识、科学的预测，对整个管道系统进行模拟分析，寻找到最优化的设计方案。
SWMM(Storm Water Management Model，暴雨洪水管理模型)是一个动态的降水—径流模拟模型［2］，有学者从降雨径流总量以及降雨径流过程两方面来验证SWMM，所得误差在可接受范围之内［3］，说明该模型适用性很强。因此本文采用SWMM为模拟工具［4］，选取典型平坦区域进行研究，对不同设计暴雨重现期和管道布置方式条件下管道系统的排水能力进行分析，对比两种管道布置方式的优劣，来为管道优化设计提供技术支撑。
1 模型构建
1.1 模拟区域选取
选取武汉市青山区南干渠区域作为雨水管道模拟计算区域，该区域总汇水面积720 hm2，地势平坦，平均高程为22 m，地面平均坡度为2‰，排水体制为雨污分流，现状管道多为1 m以上的管道或明渠。
采用垂直和水平两种管道布置形式对该区域进行雨水管道方案设计，得到两种方案的模拟节点图，具体布置如图1所示。
1.2 参数选择
1)模型选择。
Horton下渗模型和Green-Ampt下渗模型是常用的地面产流计算模型，而Green-Ampt下渗模型对土壤资料要求较高［5］，本区域土壤资料不够齐全，因此采用Horton下渗模型进行计算。
2)区域参数选择。
根据典型区域的特点，无洼蓄量的不透水地表占总不透水地表的50%。透水地表和不透水地表的洼蓄量分别取5.0 mm，2.0 mm。透水面、不透水面、管道的曼宁系数分别取0.100，0.010，0.020。
3)暴雨强度公式。
采用2000年汉口暴雨强度公式:
式中:q——暴雨强度，L/(s·ha);
P——设计暴雨重现期，分别取 P=1年，P=1.5年，P=2年，P=5年，P=10年;
t——集水时间，min。
图1 雨水管道SWMM模拟节点图
4)其他设计参数。
两种布置方案所采用的管材均为钢筋混凝土管，管径按标准管径选取，最小管径取为600 mm，圆管的最大直径取1 800 mm，超过即采用箱涵，其他设计参数均相同。如径流系数0.77;折减系数2.0;明沟折减系数1.2;地面集流时间15.00 min;管道连接方式:管顶平接;最小覆土深度0.70 m;最大冻土深度0.80 m。
1.3 雨量资料选取
排水管网系统的模拟一般采用设计暴雨作为雨量资料进行分析［6］，但本文结合实际情况，为更好的了解实际的管网排水能力，从武汉气象局提供的10场暴雨中选取瞬时降雨强度最大的实际雨量资料对两个方案进行模拟，更有针对性，降雨历时数据如图2所示。这场暴雨历时10 h，其中第5 h的时候出现瞬时最大暴雨强度116.4 mm/h，总降雨量达到190 mm，达到5年一遇的暴雨，接近特大暴雨。
图2 降雨历时曲线
2 结果分析
2.1 节点渍水情况分析
在前文所述的实际暴雨情况下，分别对两种管道布置形式在P=1年时的管网排水能力进行分析，结果表明两种布置形式均发生了渍水现象，现对垂直式布置方式中发生渍水的管道1(DN600)和管道2(DN800)进行过流能力分析，得出两根管道的流量历时变化图和排水容量历时变化图，具体见图3和图4。
图3 管道流量历时变化
图4 管道容量历时变化
由设计资料可知，管道1和管道2的设计管道过流能力分别是0.235 m3/s和0.494 m3/s，由图3可知，在降雨进行4 h之后，管道的流量开始迅速增加，到达5 h时管道1和管道2的流量分别达到了0.4 m3/s和0.8 m3/s，远远超出了其设计流量，由图4可以看出，在接近5 h的时候，管道的排水容量已经达到了极限，发生渍水现象。在8 h以后缓慢降下来，这是由于降雨后期，降雨强度减小，地面径流减少，雨水管网中流量降低。
许多学者也采用SWMM对管道的实际过流能力进行了分析，李彦伟等［7］提出改变节点高程和增大管径这两种方式进行管网优化设计，发现增大管径效果较为理想，而增大设计管径可以通过提高设计暴雨重现期来实现，因此，要提高设计管道的过流能力，就要提高设计暴雨重现期，使之达到暴雨的排水要求，这样才能有效减少渍水现象的发生。
2.2 重现期及布置方式的影响
采用 P=1年，P=1.5年，P=2年，P=5年，P=10年的重现期，在暴雨条件下对两种管道布置形式的管网排水能力分别进行模拟分析，管网的渍水情况如表1所示。
由表1可知，当管网的设计暴雨重现期P=1年时，垂直式管道布置方式有92个检查井发生了渍水现象，而水平式管道布置方式有59个检查井发生渍水，这是由于垂直式布置方式在管网前段管径都比较小，只有在主干管上管径增加幅度很大，在暴雨来临时，主干管一旦满流，支管必然发生渍水，发生渍水的检查井较多，而水平式管道布置方式由于有多条平行的干管，分担了主干管的排水压力，渍水节点数相对较少，但最大渍水时间与垂直式相比基本一样，同样满足不了暴雨的排水要求。
表1 暴雨条件下管网渍水情况
随着重现期的提高，两种方案的渍水节点数明显下降，如图5所示，但垂直式的下降速度更快，到P=2年时，只有12%的检查井发生渍水，水平式则有25%的检查井发生渍水，这说明在平坦区域，垂直式管道布置方式随着重现期的提高可以有效减少检查井渍水的数目，提高管道整体排水能力，同时减少由于渍水所产生的经济损失和其带来的社会影响。
图5 渍水节点数占总节点数的百分比分布图
3 结论与展望
1)在气象局提供的典型暴雨条件下设计雨水管道P=1年时两种布置方式均发生渍水，不能满足排水要求。
2)根据实际的渍水情况可以看出:垂直式的管道布置方式随着重现期的提高，渍水明显减少，因此，在平坦区域提高设计暴雨重现期后，雨水管道采用垂直式布置方式更加合理。
3)要减少管网渍水现象，除管道布置合理外，还需提高设计暴雨重现期，增加设计雨水管道的过流能力。
［1］ 赵旭雯，张敏芳.“十二五”城市排水系统建设的探讨［J］.水工业市场，2012(8):7-27.
［2］ Rossman L A.Storm water management model user’s manual(Version 5.0).2004.
［3］ 张 倩，苏保林，袁军营.城市居民小区SWMM降雨径流过程模拟——以营口市贵都花园小区为例［J］.北京师范大学学报(自然科学版)，2012(3):276-281.
［4］ Jang S M Cho.Using SWMM as a Tool for Hydrologic Impact Assessment［J］.Desalination，212(1-3):344-356.
［5］ 王 祥，张行南，张文婷，等.基于SWMM的城市雨水管网排水能力分析［J］.三峡大学学报(自然科学版)，2011(1):5-8.
［6］ 刘兴坡，刘遂庆，李树平，等.基于SWMM的排水管网系统模拟分析技术［J］.给水排水，2007(4):105-108.
［7］ 李彦伟，尤学一，季 民，等.基于SWMM模型的雨水管网优化［J］.中国给水排水，2010(23):40-43.
