基于SWMM模型的管网雨污分流改造效果评估研究

潘正可 李翔泉

摘要：以湖南省益阳市秀峰湖片区为研究对象，利用SWMM模型分别构建现状及雨污分流改造工程实施后的概化雨污水模型，并采用2 a一遇的设计降雨模拟和量化评估项目建设效果。研究结果表明：① 沿金山路33.1%的管段不满足2 a一遇排水能力要求，在设计降雨条件下片区溢流至资江的合流污水量约27.41万t;② 改建后的污水系统全部能满足设计工况下的排污要求，实现污水系统不溢流，污水管网不过载;③ 改建后的雨水系统能显著缓解金山路沿线的内涝问题，并削减了西流湾泵站处峰值流量3.5 m3/s。

关键词：雨污分流; 排水管网模拟; SWMM; 益阳市; 秀峰湖片区

中图法分类号： X522 文献标志码：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2022.06.020

文章编号：1006 - 0081（2022）06 - 0110 - 07

0 引 言

在开展雨污分流提升改造和市政排水系统提质增效项目中[1-4]，如何定量评估项目实施前后的改造效果是一大难题[5-8]。目前关于管网雨污分流改造项目的研究主要集中于现状管网的模拟和效能评估[9-11]。例如，Zhang 等[12]利用城市暴雨管理模型（Storm Water Management Model，SWMM）模拟了湖北省恩施市一个片区的降雨-径流和管网汇流过程，结果表明：SWMM软件能够较为可靠地模拟研究区在设计条件下的排水能力。王嘉仪等[13]通过耦合气象、水文和城市雨洪模型，模拟研究了河南省郑州市运粮河组团的洪涝风险，并为该片区的排水系统规划提供了数据基础。现有的相关研究主要聚焦于单一分流制排水体制或合流制排水体制下的现状雨（污）水过流能力模拟，目前仍缺乏复杂排水体制条件下（即片区同时包含分流制排水单元和合流制排水单元）城市排水网络系统化改造效果方面的评估研究。因此，本研究以长江中下游的湖南省益阳市秀峰湖片区（部分为分流制排水体制，部分为合流制排水体制）为研究对象，利用SWMM模型模拟和评估管网雨污分流改造项目建设对城镇水环境提升和片区内涝削减的效果，并为后续长江流域城镇管网改造设计和评估提供参考。

1 区域概况

1.1 研究区域概况

益阳市位于长江中下游平原，地处湖南中偏北部，跨越资水中下游，环洞庭湖西南。市境属亚热带大陆性季风湿润气候，年降雨量1 230 ～1 700 mm，年平均气温16.1～16.9 ℃，夏季雨水丰富，雨热同期，暴雨日数多。市域内地形西高东低，呈狭长状。此外，益阳市紧邻湖南核心增长极长沙市，又是洞庭湖生态经济区的重要组成部分，区位优势明显，近年来经济发展迅速。益阳市共下辖7个区县和1个高新区，其中主城区主要由资阳区和赫山区组成，主城区总面积约为1 851 km2。

秀峰湖片区位于益阳市赫山区西北，资江南侧。其范围主要包括南至鹿角园路、北至资江、西至云树路、东至康富路所围区域，总面积约为9.58 km2，是益阳市开发强度最高的中心城区部分之一。该片区地形地势东西高、中间低，低处基本在金山路、秀峰湖公园一线;南北方向则由南往北逐步降低，坡向资江，最低点在秀峰湖处。益阳市及秀峰湖片区地理位置如图1所示。

1.2 研究区排水现状

秀峰湖片区以益阳大道为界，南侧主干道（金山路、康富路、玉兰路）已按分流排水体制分别建设有雨水管和污水管，而益阳大道以北片区仍为雨污合流制排水体制，上游分流制管道汇合接入现状合流管渠，导致整个区域仍为雨污合流制。此外，根据“高水高排、低水低排”的原则确定排水分区，该片区参照地面高程及防洪规划要求，确定地面高程低于资江100 a一遇防洪需求的区域为低排区，反之为高排区。具体而言，片区内海棠路以北、金山路以西为低排区，其余片区为高排区。秀峰片区的排口位于片区最北侧，即西流湾泵站处。

根据前期调查研究结果，该片区现状排水主要存在以下两个问题。

（1） 片区排水体制为雨污合流制，雨季存在污水溢流至资江的情况。片区内污水通过最下游的西流湾泵站提升至团洲污水处理厂，因泵站提升能力有限，导致雨季有部分合流污水溢流至资江，而溢流口位于益阳市第三水厂饮用水水源一级保护区范围内，直接威胁饮用水水质。

（2） 金山路沿线为秀峰湖片区最低处，东西两侧向金山路沿线汇流，沿线管网排水能力不足，部分路段雨季内涝多发，影响市民出行安全;此外，由于管网为雨污合流，内涝渍水脏，水安全风险突出。

2 SWMM模型构建

2.1 模型简介

SWMM是美国国家环境保护局（U.S. Environmental Protection Agency，USEPA）研发的城市暴雨管理模型，主要用于城市区域径流水量和水质的单一事件或者长期（连续）模拟评估，模型主要包括水文、水力、水质和低影响开发模块[12，13-16]。该模型自开发以来，在世界范围内已被广泛用于城市地区的暴雨洪水、合流式下水道、排污管道以及其他排水系统的规划、分析和设计工作[16-18]。

根据GB 50014-2021《室外排水设计规范》，当汇水面积超过2 km2时，宜采用数学模型法计算雨水设计流量。因此，本文采用SWMM排水模型对管网汇流进行管道过流能力校核和雨污水设计流量的模拟计算。

2.2 模型计算原理

SWMM首先以片区数字高程模型（DEM）为基础将研究区划分为多个子汇水区，在每个汇水区内，分别进行地表产流和地表汇流计算，模型采用超渗产流计算，产流计算模式共有Horton下渗模式、Green-Ampt下渗曲线和SCS径流曲线3种方式。其中Horton下渗模式因其计算便捷、结果合理等特性而被广泛应用。SWMM坡面匯流计算采用非线性水库计算。SWMM模型主要通过质量守恒和动量守恒方程计算管道中的恒定流和非恒定流。模型内管网计算主要方法包括：恒定流法、运动波法以及动力波法。3种计算方法对比而言，由于动力波法是通过求解完整的一维非恒定流Saint-Vennant方程组（式1）来进行河道演算，理论计算结果最为准确。因此，本文产流计算采用Horton下渗模式，管网汇流采用动力波法计算。

式中：[x]为距离;t为时间;A为过流断面面积;Q为流量;H为管渠中水头;Sf为摩擦坡度（单位长度水头损失）;g为重力加速度。

2.3 模型概化和参数确定

2.3.1 汇水区概化

以研究片区DEM数据为基础、并结合泰森多边形和人工修正法，开展区域雨水汇水区划分工作。经过概化后，现状合流制排水管网模型共计有1 498个检查井，1个排放口（西流湾泵站），1 497个管段，1 498个汇水区。汇水区划分如图2所示。

2.3.2 模型参数确定

在建模过程中，基于区域内相关数据收集和实地测量工作，并结合相关模型手册和文献进行模型参数的设置。参数设置内容具体包括旱季入流参数（包括日入流量、入流变化曲线等）、管网汇流参数（包括曼宁糙率系数等）和模型边界条件（包括下游边界条件等）。此外，利用GIS空间地理数据分析技术和矫正方法，获取各子汇水区重要水文参数。模型参数具体情况如表1所示。此外，各监测点位的流量、流速以及各污染物的浓度采用分晴雨天实测方式获取，各污染物浓度衰减系数利用实测数据率定得到。其中，在关键位置实施连续多日监测，采用每日多次取样检测方式测定。

2.4 模型输入

根据益阳市相关上位规划文件要求，新建城区城市道路雨水管道设计暴雨重现期按2 a进行设计;下垫面条件差，地势较低的地区、重要的商业区和学校医院等采用3 a进行设计。综合考虑秀峰湖片区的实际情况，该片区的设计暴雨重现期按照2 a考虑。

益阳市设计暴雨强度采用益阳市新编暴雨强度公式计算，具体如式（2）所示：

式中：q为设计暴雨强度;P为设计重现期，取2 a;设计降水历时t=t1+t2，其中t1为地面集水时间，t2为管渠内雨水流行时间。

参考规划要求并根据益阳市暴雨强度公式，通过芝加哥暴雨生成器建立重现期为2 a、降雨历时为120 min、雨峰系数为0.25的降雨事件，并对现有管网进行模拟，降雨过程线如图3所示。

由于区域内的排水管道大部分为合流制管道，在对现状排水系统进行排水能力模拟的同时考虑了合流管道污水的汇入，污水流量具体通过对晴天合流管道的污水流量进行实测获得。此外，本次模拟同时考虑了区域内污水及污染物在管道内的迁移分解过程。模拟污染物类型主要包括：COD、氨氮、总氮和总磷。模拟运行开始时间以降雨事件开始时间为准，结束时间比降雨结束时间推迟5～6 h，晴雨天汇流计算步长均为1 min，结果展示汇报步长为10 min。

3 现状排水系统排水能力评估

模拟的溢流节点和过载管道分布如图4所示。图中蓝色线条表示不满足2 a一遇重现期工况的管段。红色点表示可能的溢流点。

不满足2 a一遇排水能力的管段主要集中在金山路一线（主要包括益阳大道-秀峰湖段，玉兰路-海棠路段），不满足设计标准的管段约占金山路沿线市政管段的33.1%。选取金山南路（鹿角园路-海棠路管段）为例说明管道过载情况。图5为该管段的纵断面示意，表明在2 a一遇的工况下金山南路（江海路-海棠路管段）在该时段内有管道过载现象。此外，经实地踏勘和现场核对，通过模型模拟得到的现状过载管段、潜在溢流位置结果与实际情况总体一致。

秀峰片区最低点，即西流湾泵站位置处，其现状最大排放能力为19.89 m3/s （排渍18.78 m3/s+排污1.11 m3/s），而在模拟时段内流经西流湾泵站的峰值流量达到35.78 m3/s，表明在徑流峰值的前后时段西流湾泵站处将出现溢流情况。经校核，《益阳市排水（雨水）管网系统规划》中西流湾泵站处的需排水量为36.68 m3/s，与该次模拟结果相近。由此发现SWMM模型对管网现状排水能力进行模拟的结果与上位规划结果总体一致。

西流湾泵站处的汇总流量过程及低排区和高排区管涵各自的汇水流量过程如图6所示。

计算设计工况下该场次暴雨径流事件导致的溢流水量和溢流污染物的质量。结果表明：设计暴雨事件将导致约27.41万t的溢流水量排入到资江内。在溢流的水量内分别估计得到各种污染物的质量：COD为41.2 t;氨氮为133.4 kg;总磷为103.1 kg;总氮为3.20 t。

4 设计排水系统排水能力评估

4.1 方案设计

依据规划要求，根据模拟结果和现场调研开展方案设计工作。具体设计内容包括：

（1） 污水管网布置。利用现状合流管道并新建污水管，以金山路下方污水管道为区域污水主通道，新建片区污水管均坡向该主干管，围山渠（位于秀峰湖东侧的排水渠）东侧污水管穿过围山渠后接入金山路污水管，后沿秀峰湖东侧新建污水主干管，最终污水主干管接入西流湾污水泵站后提升进入团洲污水处理厂。污水管网总体布置如图7（a）所示。

（2） 雨水管网布置。① 实施秀峰湖片区管道及西流湾泵站雨污分流，保证雨水管道内日常无积水，充分发挥管道的调蓄及过流能力; ② 扩建西流湾雨水泵站并连通秀峰湖，提高排涝能力;③ 新建金山路（益阳大道-秀峰湖2 m[×]2 m雨水管道、秀峰湖-滨江路-西流湾泵站DN2000管段以缓解金山北路内涝问题;④ 新建梓山路-丁香路-海棠路DN1800管道，接入秀峰湖东侧围山渠，解决金山路南段管道过流能力不足问题;⑤ 由于部分合流管道改为污水管道，在其附近新建相应雨水管道。总体布置如图7（b）所示。

4.2 工程建设效果评估

4.2.1 污水管网改建效果评估

在实施雨污分流后，对规划污水管道和雨水管道在2 a重现期下的排污和排水能力分别进行模拟。首先对改建后的污水管道建模。模型模拟结果表明：污水管道改建后，模拟时段内片区内产生的所有污水全部能汇流到西流湾泵站，全部污水管网不过载，且不造成污水溢流至资江。金山路（鹿角园路-秀峰湖）管段和秀峰湖-西流湾泵站处的管段纵截面如图8所示。由此表明雨污分流改造项目能显著削减入江污染物量、改善污水溢流进入保护区和城市水污染问题，将大幅改善河湖水质和提升城市景观形象，对改善居民生活条件、提升市民健康水平有十分重要的作用。

4.2.2 雨水管网改建效果评估

对改建后的雨水管网在2 a重现期下的排水能力建模，西流湾泵站处、低排区和高排区的汇水流量过程结果如图9所示。

模拟结果表明：通过考虑秀峰湖的调蓄作用和管网改造，雨污分流改造后西流湾泵站处的最大流量为32.28 m3/s，与改造前相比，峰值流量减少9.8%（3.5 m3/s）。金山路管涵汇水区峰值流量为19.23 m3/s，同比增大47.3%;围山渠峰值流量为14.83 m3/s，同比减少38.3%。此外，分析改造后的排水管网过道过载发现，管网改造后片区内的管道过载现象得到有效缓解，金山路沿线的溢流和过载现象基本消失。此外，通过泵站改扩建，提升西流湾泵站的最大排涝能力[Qmax]至33～34 m3/s，消除了因外排能力不足导致的泵站前池壅水外溢现象。

4.2.3 内涝风险评估

根据规划要求，结合SWMM模型和ArcGIS软件开展片区的内涝评估，评估改建前后的雨水管网在30 a一遇6 h设计暴雨下的内涝风险情况，具体评估片区在设计工况下改建前后的最大积水深度、以及退水3 h后的积水深度。结果如图10所示。

模拟结果表明：在雨水管网改造前，金山路、益阳大道、桐子坝巷、梓山路、玉兰路等路段都发生明显的内涝积水现象，其中以金山路，特别是秀峰湖西广场内涝积水尤为严重，最大积水深度超过1 m，以上内涝现象与实际调研基本相符。此外，由于泵站抽排能力不足，片区雨水沿地势汇入秀峰湖，这体现出湖泊的调蓄功能对于减轻城市内涝是有益的。雨后3 h，经过泵站强排，片区内的路段积水基本退去。对秀峰湖片区雨水管网进行系统改造后，特别是增大西流湾泵站的强排能力后，区域内各处的最大积水受限于管网输运能力而积水范围不变，但程度有所减轻，且雨后市政道路的积水退水明显加快，充分展示了治理成效。

5 结 论

本文以SWMM模型为基础，以2 a一遇的设计降雨和实测污水污染物数据为输入，分别构建了益阳市秀峰湖片区现状雨污合流制排水系统、雨污分流改造工程实施后的雨水管网和污水管网系统的概化模型，评估研究区在改造前后的管网排水排污能力以及项目建设效果，后采用30 a一遇的6 h降雨校核片区工程实施前后的内涝情况，具体结论如下。

（1） 现状不满足2 a一遇排水能力的管段和溢流点主要集中在金山路（益阳大道—秀峰湖段，玉兰路—海棠路段），在设计降雨条件下溢流至资江的合流污水量约27.41万t。

（2） 改建的污水系统能满足设计工况下的排污要求，污水系统不溢流，污水管网全部不过载，晴雨季全部污染物均能通过西流湾泵站输送至团洲污水处理厂。

（3） 改建的排水系统能满足设计工况下的排水要求，西流湾泵站处峰值流量削减了9.8%（3.5 m3/s），金山北路和金山南路的内涝问题得到有效解决。

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Effect evaluation of reconstruction of rainwater and sewage diversion network based on SWMM in Xiufeng Lake area of Yiyang City

PAN Zhengke， LI Xiangquan

（Changjiang Survey， Planning， Design and Research Co.， Ltd.， Wuhan 430010， China）

Abstract： In order to simulate and quantify the effects of the reconstruction of a rainwater and sewage diversion system in Xiufeng Lake area of Yiyang city， Hunan provinces，we firstly used the Storm Water Management Model （SWMM） to generalize the current Combined Sewer System and the projected Separate Sewer System after construction of rainwater and sewage diversion system. Secondly， the designed rainfall event with a return period of 2-years was applied in the study area. The results indicated that ① 33.1% of current pipe sections along Jinshan Road could not meet the rainwater drainage ability of the return period of the 2-years. Under the designed rainfall event， the combined sewage overflowing from the study area to the Zijiang river was about 274，100 tons. ② Reconstructed sewage system could satisfy the maximum sewage-disposal requirements under the design conditions， and realize that the constructed sewage system would not overflow and the sewage pipe network would not overload. ③ Reconstructed rainwater system could significantly alleviate the waterlogging problem along the Jinshan Road and the peak flow at the Xiliuwan Pumping Station is reduced by 3.5 m3/s.

Key words：distribution and reconstruction of rainwater and sewage; drainage network simulation; SWMM;  Yiyang city; Hunan Province