以SWMM为基础的城市排水系统改造探析

2022-09-22李爱民

科技创新导报 2022年17期

李爱民

（滨州市城乡水务发展服务中心山东滨州 256600）

1971年，美国环保署开发了SWMM。经过约50年的发展，SWMM系统不断升级，功能不断完善，成为一个集水文、水力、水质分析为一体的降水—径流模型。与此同时，在城市化进程不断加快的背景下，由地下排水管网、污水处理厂组成的城市排水系统问题不断涌现，威胁着市民利益与城市安全。因此，探究分析以SWMM为基础的城市排水系统改造措施具有非常重要的意义。

1 SWMM概述

SWMM（Storm Water Management Model）是由美国环境保护署发布的暴雨洪水管理模型，可用于动态模拟城市长期水量、水质或者单一降水事件，并通过跟踪模拟多时间步长，任意时刻每一子流域所产生径流的水质、水量，以及对应排水管道水深、水质、流量，为城市子流域降水、污染、径流事件处理提供依据。

从组成上来看，SWMM 包括水文、水力、水质3 个模块。水文主要面向时变降雨、积雪融化、地表水蒸发等产流过程，以及降水入渗非饱和土层、地下水与排水管道交换等汇流过程；水力模块主要模拟多形状封闭式管道水流、多形状明渠管道水流，以及分流阀、蓄水单元等特殊部件水流（含回水、溢流、逆流）；水质模块主要是在同一排水小区若干水文响应单元划分的基础上，进行地表径流污染物冲刷过程、增长过程、处理过程、运输过程模拟。

2 模型构建

2.1 数据整理

首先，明确SWMM 对象的数据需求。当前，SWMM 对象的数据需求有Outfalls（排水口）、Storage（储存）、Divider（分隔）3 种。Outfalls 对应的需求为免费、通用、固定、潮汐时间序列；Storage对应的原则为扁平化、功能性、表格化；Divider对应的内容为新河道、拦河坝、溢出物。

其次，输入SWMM 对象的属性。如调蓄池的属性包括内底标高、积水、最大深度等。

最后，整理水力模拟数据。在软件内，设置水力模拟开始时间、结束时间，以及计算结果输出时间、地面清扫开始日期、地面清扫结束日期、模拟起始时间前的未降雨天数等，其中，地面清扫开始日期、地面清扫结束日期、模拟起始日期之前的未降雨天数均在超长历时水质模拟时设置。

2.2 构建思路

现有SWMM 模型包括Horton 下渗模型、Green-Ampt 下渗模型两种。前者主要描述下渗率随降雨时间变化而产生的变化，需要最小下渗率、最大下渗率、入渗衰减系数几个参数；后者则是在土壤层急剧变化土壤干湿界面分析充分降雨下渗促使下垫面饱和度变化的情况，需要土壤水力传导率、土壤初始湿度亏损值、湿润前峰毛细水头几个参数。具体可以利用饱和函数累积方程计算：

式（1）中：为节点污染物积累量；为最大累积量（kg/m或kg/m）；为累计率（d）；为时间（d）。

在确定下渗模型后，需要将城市排水管网系统简化为“节点—连接—管道”。其中，节点主要为检查井，需要输入参数为本段旱流污染物种类、负荷、旱季流量、管底标高、管底埋深、地下水入渗量、地下水污染负荷等；连接为分流设施（孔口、侧堰、堰）、蓄水设施（蓄水池）、出水设施（带闸的堰、自由出流孔口）；管道包括马蹄形、圆形、天然明渠、门形、矩形几种形式，需要输入参数为模拟旱季流量、管径、形状参数、管段起止点偏移高度。

管道内非恒定水流模拟主要选择“连续方程+动量方程”（基于SWMM 的非线性运动波方程、动力波方程）。其中，运动波模拟是一种适用于长期水流模拟的方法，主要是利用连续方程、动量方程，以每一个管段内水流为对象，在假定水流表面坡度、管道坡度无差异的情况下，选择节点调蓄前后水流模拟。若模拟过程中水量超过管道容量能力，则将超出部分存储到管道末端调蓄节点，在管道容纳能力提升时，重新流入管道。动力波模拟是一种适用于短期水流模拟的方法，主要是在一维圣维南方程精确解求导的基础上，模拟封闭管道满载水流时压力水流，在节点水流量超出最高允许值时，需要将其尽快排入管网系统。

2.3 构建要点

首先，根据城市排水系统平面图、城市地形图，划分排水小区，排水小区均匀分布且降雨强度相等，排水小区汇水可以就近进入排水管网节点。同时，在不进行排水渠支管水力计算的基础上，将敷设在城市小区内、道路两旁主干管列入管网系统，河流干管径流井后，出水管则就近分散自流入河，管道末端排水口内底标高超出河道常规水位。例如，某排水区总回水面积为188.25hm，根据区域地形和雨水汇水特性，将其划分为46 个排水小区，每一个小区面积在2.2～7.6hm之间。小区中，不透水地表占据区域总面积的63%，无洼蓄量的不透水地表占总不透水地表的48%。

其次，根据暴雨强度公式确定设计暴雨。暴雨强度公式为：

式（2）中：为降雨历时（min）；ˉ为历时内的平均暴雨强度（mm/min）；为设计降雨重现期。由式（2）可知，降雨最大雨水强度处于降雨初始时刻，降雨雨峰在0.3～0.5t。因此，可以对降雨进行时程分配，设计0.5年一遇、2年一遇、5年一遇的2h降雨强度，设定降雨最大雨水强度为0.4t。

再次，利用Green-Ampt 入渗模型，模拟地表径流系统，输入的土壤初始湿度亏损值为0.383mm/mm、湿润前锋毛细水头为29.4mm、土壤水力传导率为2.28mm/h、透水地表洼蓄量为5.8mm、不透水地表洼蓄量为1.8mm。Green-Ampt入渗模型为：

式（3）中：为透水地表产水量（mm）；为降雨强度（mm/s）；为入渗强度（mm/s），Δ为降雨时间。

最后，利用动力波方程、分流设施，分别模拟污水在城市排水管道内运输过程、溢流井工作情况，此时，下游截流干管设计水流输送能力为：

式（4）中：为下游截流干管设计水流输送能力（mm/h）；为截流倍数；Q为溢流井上游含流量（mm/h）；为溢流井下游排水面积上雨水设计流量（mm/m）；为溢流井下游排水面积上旱流量（mm/m）。

3 系统模拟

3.1 动态溢流模拟

在动态溢流模拟时，将城市溢流口重现期设置为0.5年一遇、2年一遇、5年一遇，截流倍数起始数量设定为1，对城市溢流口溢流量随降雨历时变化过程进行分析，得出结果如表1所示。

表1 检查井口动态溢流结果（单位：m3/s）

由表1可知，降雨情况下，城市排水系统内存在大量雨污混合水，流量随降雨历时不断增加，降雨结束后减少，且水溢流量峰值出现于截流井管道流量峰值后。在降雨重现期为0.5年时，研究区范围内出现多处检查井口溢流情况，部分井口在30min内会出现溢流，易造成城市内涝；在降雨重现期为2.0年一遇时，部分井口在60min内会出现溢流，持续时间较长；在降雨重现期为5.0年一遇时，部分江口在90min 内会出现溢流情况，地面积水现象较严重。

3.2 管道淤积模拟

随着城市排水管网运行，部分固体颗粒物会进入管网造成淤积。特别是在暴雨径流情况下，地表固体废物大量涌入管道，造成管道有效管径减小、管壁粗糙，进而造成淤积段水流量下降甚至堵塞，加重整个城市排水系统负担。一般城市排水系统情况可以利用污染物浓度随截流倍数变化表示，即利用无量纲累积参数直观分析降雨事件内每一种污染物累积情况，推测排水系统淤积情况。不同截流倍数下管道淤积量如表2所示。

表2 不同截流倍数下管道内淤积量（单位：kg）

由表2可知，截流倍数与管道内污染物累积量具有一定关系，随着截流倍数的增加，管道内累积量下降。但是截流倍数的增加，对应管道尺寸也会增加，排水管网改造费用随之增加，对排水系统建造用提升泵站、截流干管与收集管网、污水处理厂均具有一定影响。因此，在考虑经济因素的情况下，需要采取控制合流污水的其他措施，如清淤等。

4 清淤措施

一般在城市排水系统中，下游管道淤积会对上游管道单位时间内水流量造成影响，而上游水流速度减慢则会给对应段管网埋下淤积隐患，导致上游雨水无法顺利进入下游，整个排水系统运行效率下降，造成恶性循环，对管道使用年限与排水系统运行经济性均具有较大不利影响。因此，城市排水系统改造人员可以根据SWMM 的计算结果，确定发生淤泥的管段，针对性地开展清淤措施，提高清淤效率。由现场勘测经验可知，排水系统淤积现象多发生于主干渠位置，平均淤积深度在0.55m 左右。根据主干渠淤积情况，城市排水系统改造人员可以将主干渠清淤方案融入现状SWMM模型中，模拟系统清淤方案实施过程及效果，确保清淤措施高效率开展，达到改造排水系统排水能力的目的。例如，某城市清淤前排水系统在溢流口重现期2年一遇情况下，总溢流量为2500m，发生溢流的节点数量为35 个，占据节点总数的8%，其中，溢流较为严重的节点已知。此时，城市排水系统改造人员可以对模拟中发现的溢流较为严重的节点进行清淤，改善系统总溢流量，并根据重现期设置情况，进行清淤方案的优化调整，以便抵御中低重现期的降雨事件。

此外，由模拟结果可知，在超过城市排水管道设计标准的降雨（高重现期降雨事件）情况下，城市排水管道系统将出现超载甚至洪流情况，进而引发上游检查井积水甚至溢流，最终形成城市内涝。此时，单纯的清淤措施就不足以改善排水系统总溢流量。为解决这一问题，城市排水系统改造人员可以根据SWMM的计算结果，分析并记录出现溢流状况的管段，以及对应管段最大超载时间、最大溢流时间等数据，进而分析排水管道系统淤积原因，如上游排水分区合理性、地势低洼情况、坡度设置情况、积水点下游管段管径、管道流量等，在这个基础上，综合考虑施工造价、施工难度、运行成本等因素，进行排水系统改造方案的设置。一般可以选择增加管径、改变节点高程的方式。根据表2可知，增加管径的经济效益较低，可以选择改变节点高程的方式。例如，由城市溢流口重现期设置为5年一遇情况下清淤后最大溢流时刻模型中管网纵剖图可知，某路段上游管网坡度低于水力坡度，实际过流量超出满流设计流量，而下游管段未达到满流，此时，可将上游管底高程由-0.55m 提升到-0.30m，减少降雨历时下节点溢流量，降低下游管道过载程度，并促使整个排水系统总溢流量下降。