与海绵城市建设相结合的排水管网课程教学改革探讨

沈冬梅 余才锐 贾如升 宋新伟

皖西学院建筑与土木工程学院 安徽六安 237012

自2013年12月12日习近平主席提出建设“海绵城市”以来，海绵城市建设已成为当前国家大力推行的水环境治理工程。面对城市化建设进程的加快和全球气候的变化带来的高强度频发暴雨，加强和优化排水系统的管理显得尤为重要。给排水专业的学生是将来城市排水设施建设的主力军，排水管网是专业的主干课程，在最新的排水工程教材中，海绵城市建设首次出现，并占了雨水管渠中相当大的比例。作为一门应用性很强的课程，如何让学生在课程教学更扎实地学好专业知识，在课程教学中渗入海绵城市建设与传统排水管网设计相结合理念，提高学生的专业使命感，显得尤为重要。但目前海绵城市建设与高校给排水专业排水管网教学结合的研究较少[1]。

1 传统排水管网教学的问题

1.1 课堂理论教学效果差

在课堂理论教学中，学生仅从有限的书本知识得到一个初步抽象的认识，难以在头脑中形成系统的直观印象，缺乏和实际生活中的排水构筑物的直接联系的有效途径。尽管在教学中教师充分利用多媒体教学，但由于培养方案的修改，主干课程的学时被压缩得极少，这些图片或视频在课堂上展示的时间有限。而有的学生只是关心这些内容是不是和考试相关，并没有真正理解。

1.2 课程设计缺乏实际的功能担当

课程设计是排水管网课程检验学生是否掌握课堂知识的重要实践环节，通常是教师给出一个地区的地图，让学生根据地形和其他简单的水文气象信息进行污水和雨水管道的规划。在管道规划过程中，管道的坡度设计是否合理，管道采用不同形式衔接是否会引起回水，哪些节点会发生溢水，管道水流运行是否通畅等，这些和实际排水密切相关的问题却没办法通过一份简单的计算说明书和图纸得到体现。

1.3 实习实践环节难以开展

在给排水专业开设的认识实习和专业实习实践环节中，大多数排水管网是在地下已建成的工程，无法组织学生实地参观实习。随着施工技术的发展，在建管道的施工也已改成对环境建筑基础的破坏影响小的顶管施工，不具备让学生现场参观学习的条件。

1.4 教材内容老旧未更新

排水管道工程的老教材只介绍了污水和雨水管网设计，最新的海绵城市建设内容没有涉及。随着海绵城市建设的开展，传统的排水管网教学需要改革。

2 海绵城市建设与排水管网课程改革

2014年修改的《室外排水设计规范》特别指出，当汇水面积超过2 km2时，雨水设计流量宜采用数学模型进行确定。随着计算机的广泛应用和国家对城市雨水开发与利用程度的加强，智慧水务已成为排水工程的主要方向，排水系统模型作为城市洪灾评价与防治的技术手段已成为建设海绵城市的重要技术途径[2]。SWMM模型作为城市雨洪管理模型已经被越来越广泛使用，与排水管网课堂教学结合能较好地实现这一点。SWMM自开发以来，在使用中不断完善和修正，已更新至最新的5.1版本[3]。

2.1 传统排水管道剖面图与动态模拟运行相结合

在排水管道课程设计中，学生通常是选一段主干管绘制剖面图，而这个剖面图绘制的目的是什么、管道衔接是否正确、水流是否顺畅，仅通过简单的一张图无法得出。SWMM模型为了形象地描述设计降雨情景下研究区内排水管网的雨洪过程，在管网评估中利用剖面图面板进行动画演示，非常形象地演示了管道内水流流动情况，学生可以检测自己设计的管道内水流随时间的变化的流动情况，动画效果鲜明，视觉冲击力强。抽象枯燥的图纸一下就和实际鲜活地联系起来，在课堂上运用SWMM软件播放功能模拟管道水流状态，学生反响非常好，印象深刻，学习兴趣明显提高。图1～图4均以某区域为例说明两者结合的优点。

图1 传统排水剖面图

图2 SWMM模型模拟的管段剖面图(运行15分钟)

图3 SWMM模型模拟的管段剖面图(运行30分钟)

图4 SWMM模型模拟的管段剖面图(运行45分钟)

从上图2，3，4可以看出，SWMM模拟的管道剖面图能清楚地看出管道从15分钟到45分钟不同时间段的水面情况，比图1传统管段剖面图直观、清晰、形象。

2.2 SWMM软件识别易涝点与管网优化相结合

在排水管网设计中，重现期的选择非常重要。而这个值选择是否合理，在实际运行中会不会出现节点溢流，在课程设计图纸中体现不出来。SWMM软件会根据自动刻画的最高水位线和管道、节点溢流点进行管网瓶颈的识别，用特征鲜明的颜色标出区域内的易涝点，并且进行优化。在课堂中利用软件进行易涝点识别并逐步优化加深了学生对重现期选择重要性的理解。

2.3 传统灰色管网设施和绿色“低影响开发”相结合

在雨水管道设计教学中，考虑的是区域内的雨水全部汇流进入管道，而对于海绵城市提出的类似“植草沟”的低影响开发措施对雨水量的削减无法在图纸和说明书中体现。SWMM软件能模拟出低影响开发措施对雨水径流量的控制，很好地弥补了课堂教学和课程设计的缺陷。图5、图6为某区域添加植草沟前后雨水流量对比图。

图5 未添加植草沟前管段流量图

图6 添加植草沟后管段流量图

从图5、图6可以看出，加入低影响开发(植草沟)后流量由0.8 m3/s减小到0.6 m3/s，明显削减了雨水径流量。笔者在课堂上运用图形对比，一目了然，学生容易掌握，达到了极好的教学效果。

2.4 雨污分流与初期雨水处理相结合

随着城市的发展，空气中的大量汽车尾气、工厂废气等溶解在初期雨水中，雨水降落地面后，又冲刷屋面、道路等，使得初期雨水的污染程度甚至超出普通城市污水。有资料显示，合肥市某区初期雨水的COD含量高达600 mg/L，远远高于城市污水厂进水水质。然而在排水管网课程设计中，排水体制采用雨污分流，污水进入污水厂，雨水则直接排入受纳水体，没有考虑初期雨水的污染控制。学生在实习环节也都是参观的污水厂的工艺处理，对雨水的处理接触较少。SWMM具有分析任何数量水质成分累积、冲刷、迁移和处理的能力，它可以模拟完整的城市降雨径流过程，包括地面径流和排水系统中的水流、雨洪的调蓄处理过程。模型输出可以显示所研究区域各点的水流和水质状况。借助SWMM软件，可以在有限的课堂教学中让学生系统地了解雨水中的污染物的迁移情况，掌握雨水花园等生物滞留设施净化雨水的机理，教学效果显著。

3 结语

随着国家海绵城市建设的推行，传统排水系统要进行改革。排水管网是给排水科学与工程专业的核心课程，传统的课程教学内容已经无法满足最新的城市建设需求，要和海绵城市建设结合对课程进行调整改革。笔者以排水管网课程教学和与软件模型相结合为出发点，从传统排水管道剖面图与动态模拟运行相结合、SWMM软件识别易涝点与管网优化相结合、传统灰色管网设施和绿色“低影响开发”相结合、雨污分流与初期雨水处理相结合4个方面进行教学分析探讨，并在教学中实践运用，效果较好。在国家大面积推行海绵城市建设的大环境下，培养理论和实践紧密结合的社会应用型人才显得尤为重要。