利用SWMM 模型模拟居住小区污水管网运行水力特征

2022-01-16黄棚兰庞晶津于连泽

科技创新与应用 2022年1期

黄棚兰，庞晶津，于连泽，吴军*

（1.扬州市政管网有限公司，江苏扬州 225009；2.扬州大学环境科学与工程学院，江苏扬州 225009）

1 模型简介

SWMM 模型（Storm Water Management Model）是由美国国家环保局（US EPA）开发，通常用于模拟雨水管网运行的免费开源软件，自20 世纪70 年代SWMM 软件开发问世以来，在全世界得到广泛的应用[1]。目前几乎所有SWMM 模型的应用都局限于雨水径流的管理[2]，它可以针对单一或者长期的径流量和水质进行模拟[3]。SWMM模型中管网水力学的计算方法和污水管网水力计算方法相似，因此本文将尝试应用SWMM 模型针对小区居住处污水管网的水力状态进行模拟计算。

在居住小区实行完善的雨污分流，防止雨污错接、混接是从源头上保证高效污水收集，减轻水体污染的重要举措[4]。目前城市污水厂普遍存在收集污水的浓度较低[5]，雨季污水量激增，污水处理效率低下的问题。提高收集污水的浓度可以确保污水处理效率的提高，特别是污水进水中COD 浓度的提高，可以满足污水厂反硝化脱氮所需要的碳源需求，提高污水厂总氮去除率，减少污水厂运行碳源投加量[6]。雨污错接，雨水进入污水管网是导致雨季污水浓度降低、污水流量增加的一个重要原因。为定量了解雨水流入对污水管网水力状态的影响，本文在一典型居住小区中应用SWMM 模型，定量分析不同雨水入流量的条件下，分析污水管网的运行状态，为实施源头雨污分流工作提供理论支持。

2 模型计算方法

针对扬州市某居住小区的污水管道布置情况，在SWMM 模型中布置主要污水干管和检查井，设定管径和管低标高，主管管径在400～600mm 之间。在每栋楼和主管之间，设置支管，支管管径为300mm。污水主管收集每栋楼进入支管的污水。污水管道的曼宁系数n 设定为0.01，管道截面形状为圆形，污水管网的布置见图1。

图1 扬州某小区污水管网布置

每栋楼产生的污水量，按照每栋楼的住户数，每户平均4 口人，人均用水量116L 计算（由该小区自来水表日平均总用水量、该小区总户数和每户平均人口为4 人计算获得）。为真实地反映不同时段的用水差异，不同时段的用水量数据按照图2 一天24 小时内的差异分布计算。该分布考虑24 小时内的用水早高峰和晚高峰的情况。利用不同时段的即时用水量，而不是平均流量，可以较为准确地模拟污水管网内的即时污水流量，获得污水管网的峰值流量。在SWMM 软件，将图2 设定为时间序列数据，在支管节点中设置直接入流量，并且根据每栋楼的设计人口数，设定进入支管的污水即时流量。

图2 某居住小区人均用水在24 小时内的分布

为模拟雨水进入污水管网导致污水水力状态改变，在建立的SWMM 模型中增加降雨强度数据。降雨从16：00 开始，22：00 结束，最大降雨强度为8mm/小时，和居民用水晚高峰重叠。

在实际的居住小区中，雨水径流可以通过错接、混接进入污水管道，也可以通过检查井缝隙进入污水管道。为模拟真实情况下雨水进入污水管的效果，将整个居住小区划分为不同的汇水面积分区，不同汇水分区的雨水径流分别进入不同的污水支管。为考察不同比例的降雨径流量进入污水管道的情况，将各汇水分区的不透水面积比例分别设定为0%、10%、15%、20%、30%和40%，不透水表面的洼地储水深度设定为0mm，而透水表面的洼地储水深度设定为1000mm。这样做的目的，可以确保不透水表面的径流全部进入污水管道，而透水表面的径流完全不进入污水管道，设定的不透水面积的百分比，即可表示为进入污水管道的降雨径流的百分比。

SWMM 模型计算时间设定为24 小时，其中0：00 到16：00 为旱流流量，16：00-24：00 为降雨和污水混合流量。

3 结果与讨论

图3 为雨水径流进入污水管网，比例为25%条件下，19：30 分，污水管网负荷的模拟结果。在无雨水径流进入污水管网的情况下，污水干管负荷均在其设计能力的50%以下；C17、C9、C10 和C11 管段的负荷均超过设计能力的50%。

图3 雨水径流进入污水管网比例为25%条件下SWMM 模拟结果

经模型计算，在雨水径流进入污水管网，比例为25%条件下，19：30 分J22-J2 节点管段水深剖面，在25%雨水径流进入污水管网时，J22-J2 节点管段的水深明显较深，不过由于本模拟计算采用的雨水强度较低，在25%雨水径流进入污水管网的情况下，并未造成污水管负荷超过其设计能力的情况。

图4 为不同降雨径流进水污水管网的百分比条件下，该居住小区污水排口O1 的即时流量。在无降雨径流进水污水管网的旱流条件下，小区污水排口O1 的即时流量和居民用水量波动情况类似（图2）。在10%和30%降雨径流进水污水管网时，小区排口峰值流量明显升高。

图4 不同降雨径流进水污水管网的百分比条件下该居住小区污水排口O1 的即时流量

降雨径流量进入污水管网百分比从0%提高到40%，峰值流量从约4000m3/天升高到10000m3/天。峰值流量的急剧上升，会导致污水浓度的下降和污水处理厂运行困难，大量未处理污水直接溢流至水环境。本文的模型应用表明，SWMM 模型可以应用于污水管网的模拟，并且通过改变对汇水分区内的不透水表面的百分比，也可以模拟雨水径流进入污水管网的情况。传统的污水管道的设计计算方法采用静态的平均流量，不能反映污水管道中的水力动态变化的特征。本文应用SMWW 模型，结合居民用水24 小时分布的统计规律，可以模拟污水管网的动态水力特征，并且可以评价雨水入流对污水管网的影响。