基于SWMM模型的雨水调蓄池优化设置研究

陈丽群

(深圳市南山区水务局，广东 深圳 518000)

饮用水的安全问题一直是国家极其重视的民生问题。近年来，城市水体污染问题已经成为约束城市可持续发展的一个难题，越来越多的专家、学者关注到了这方面的问题，例如王文亮等人在描述调蓄池对污染物负荷的削减过程时利用了统计分析法，通过该方法做出了不同重现期与其对应的调蓄池的溢流体积、溢流峰值流量的关系曲线。虽然在调蓄池方面已经有了不少研究，但是关于调蓄池的设计，仍然有许多问题没有得到解决，比如对效果方面的分析、描述不够清晰，调蓄池的容积确定比较繁琐，因此，提出了基于暴雨洪水管理模型(Storm Water Management Model，SWMM)的雨水调蓄池优化设置研究。

1 基于SWMM模型的雨水调蓄池优化设置

1.1 基于SWMM模型的降雨模拟

深圳市高度重视饮用水安全工作，自1992年起在这方面一直不断努力，铁岗水库作为保障深圳西部片区用水需求最主要的供水水库受到了高度关注。铁岗水库所在地区多年的平均相对湿度达到了79%，此地多年平均气温比较舒适，为22.3℃，其中极端最低温度能够低至0.2℃，极端最高气温38.7℃，没有超过40℃。该流域降水丰沛，多年平均降雨量为1606mm。铁岗水库站最大与最小年降雨量分别为2611、721.3mm，可以看出，降雨年际变化较大。

该区域每年4—9月是汛期，约占全年80%的降雨量集中在这个时间段，并且大多时候都是暴雨，这样就容易出现洪涝灾害。整体而言，降雨年内分配极不均匀。根据多年降水日统计得出，该流域平均每年140d有降水，多年平均蒸发量为1521.7mm。该流域常年盛行风向为南东东和北北东，其中夏季盛行东南风和西南风，冬季盛行东北风。多年平均风速2.6m/s，最大实测风力超过12级。该区域灾害性天气的主要原因是台风，台风会带来很大的降雨量且持续时间较长，容易形成暴雨灾害。近年来，乱排现象较为严重，牛成河成为排放居民生活污水的主要通道，经现场查勘，河道水质为黑臭水体，水质污染较为严重；当地居民在北部与东部的低丘陵区进行了大面积的陡坡耕种，毁坏了原有植被，致使局部地区水土流失较严重。为减少牛成河对铁岗水库水源区水质影响，在牛成河末端修建了一座水质净化厂，在河道内修建了截流闸，拦截上游水流，处理日常生活污水；降雨时，上游来水超过牛成水质净化厂处理规模，截流闸打开，水流直接通过下游河道进入铁岗水库，严重影响了铁岗水库水质安全。研究在动态模拟降雨-径流时采用了SWMM模型，模拟各子汇水区面积上的雨水运行情况时采用了径流组件，然后利用演算组件对通过管渠等设施进入到调蓄池系统内的径流属性进行计算，最后推导出最佳调蓄容积。描述调蓄池液位变化过程的蓄水曲线函数式为：

S=ADB+C

(1)

式中，S—调蓄池表面积，m2；A—蓄水曲线函数系数值；D—调蓄深度，m；B—蓄水曲线函数指数值；C—蓄水曲线函数常数值。

结合我国的暴雨强度公式，采用芝加哥过程线模型合成降雨过程：

(2)

式中，q—设计暴雨强度，L/(s·hm2);t—降雨历时，min;P—设计重现期，a;A1，C，b，n—设计参数，按照统计方法计算确定。

暴雨峰前上升段为：

(3)

式中，ia—暴雨上升段t1瞬时暴雨强度，L/(s·hm2);a，b，c—不同地区暴雨强度公式的地方参数；t1—暴雨强度峰值峰前的持续时间，min；r—暴雨峰值相对位置系数。

暴雨峰后下降段为：

(4)

式中，ib—暴雨下降段t2瞬时暴雨强度，L/(s·hm2);t2—暴雨强度峰值峰后的持续时间，min；其他变量含义同前所述。

1.2 基于SWMM模型的雨水调蓄池优化设置

基于设计阶段工程规模及边界条件未发生变化，研究维持调蓄池规模，调蓄池容积为4.2万m3。研究在牛成河截流闸上游新建一条2.0m×2.0m进水箱涵，将截流的牛成河中的初小雨水引入调蓄池内，并在进水箱涵末端、调蓄池进水口设置进水控制闸，控制调蓄池进出水。由于调蓄池内部调蓄空间分为2个部分，分别调蓄8mm以下和8～110mm标准的雨水，因此在2个调蓄空间进水口处设置2座分流控制闸，分别控制2种标准的调蓄进水，如图1所示。

图1 牛成河调蓄池进水方案布置图

牛成河调蓄池，总汇水面积0.63km2，截排标准110mm，截排总水量4.2万m3。根据牛成村片区50a一遇降雨过程线，如图2(a)所示，当降雨累计达到110mm时，降雨时间为32.08h。根据牛成村片区50a一遇洪水过程线，如图2(b)所示，降雨时间32.08h对应的洪峰流量为3.6m3/s。因此，当降雨累计达到110mm时洪峰流量为3.6m3/s，即调蓄池进水最大设计流量为3.6m3/s。

图2 牛成村片区50a一遇降雨与洪水过程线

新建调蓄池进水箱涵尺寸为2.0m×2.0m，长度314m，坡度为1‰，流速为1.25m/s，最大过流能力为4.76m3/s，可以满足调蓄池进水流量要求。进水箱涵起点处内底标高为29.50m，则末端处(调蓄池进水口处)内底标高为29.10m。研究设计调蓄池共设置3座进水闸，一座进水控制闸设置于进水箱涵末端，控制调蓄池的进出水，闸门尺寸2.0m×2.0m；另外2座进水闸分别设置于调蓄池2个调蓄空间的进水口处，控制8mm以下和8～110mm标准雨水的分流调蓄，2座闸门尺寸均为2.0m×2.0m。根据水闸的功能要求，结合闸址、地形、地质条件，选定了对景观影响最小的“液压下开式堰门”闸型。调蓄池调蓄空间分2格，一格容积0.6万m3，调蓄8mm以下标准截流雨水；另一格容积3.6万m3，调蓄8～110mm标准截排雨水。调蓄池进水先经过进水格栅及沉砂池，对水中主要漂浮物、砂砾等进行过滤、沉淀，经沉淀后进入调蓄池主要调蓄区域。旱季工况，牛成河控制闸保持开启状态，调蓄池进水控制闸和1#、2#进水分流闸保持关闭状态。调蓄池内无水，相应的格栅等设备均不运行，清淤前，运行通风除臭设备，调蓄池的维护清淤管理可在旱季进行。小雨工况，降雨强度小于等于控制调蓄标准(8mm)时，牛成河控制闸保持关闭状态，调蓄池进水控制闸和1#进水分流闸保持开启状态，汇水区域内收集的初小雨经牛成河河道及新建调蓄池进水箱涵进入调蓄池1#调蓄空间内，待调蓄池达到设计水位以下0.5m时，关闭调蓄池进水控制闸和1#进水分流闸，同时打开牛成河控制闸。在雨后工况，调蓄池排空，切换至旱天工况。大雨工况，降雨强度大于截流调蓄标准(8mm)时，降雨前期运行模式同小雨工况，调蓄池收集调蓄前8mm降雨量至1#调蓄空间；降雨中后期，调蓄池1#调蓄空间达到设计水位以下0.5m时，关闭调蓄池1#进水分流闸，打开2#进水分流闸，超8mm设计规模的中后期雨水进入调蓄池2#调蓄空间。待2#调蓄空间达到设计水位以下0.5m时，关闭调蓄池进水控制闸和2#进水分流闸，同时打开牛成河控制闸，超110mm设计规模的清洁雨水沿牛成河进入下游生态调蓄湖。在雨后工况，调蓄池排空，切换至旱天工况。雨后工况，待降雨结束后，在下游市政污水管(涵)及污水处理厂有富余量时，调蓄池内1#调蓄空间收集的8mm设计规模的污染雨水通过1#出水提升泵站排入下游市政污水管，传输至末端南山水质净化厂处理。2#调蓄空间收集的8～110mm设计规模的雨水通过2#出水提升泵站排入丽水河。2#调蓄空间水位降至调蓄湖水位以下1.0m时，打开调蓄湖联通管，调蓄湖内110mm至50a一遇设计规模的雨水进入调蓄池2#调蓄空间，通过2#出水提升泵站排入丽水河，整个流程如图3所示。

图3 调蓄池工艺流程图

2 实验与结果分析

在模拟实验的过程中，将雨水调蓄池的容积尽可能的设置到最大。随着时间不断增加，调蓄池的调蓄雨量能够达到峰值，这便是调蓄池容积的模拟结果，如图4所示。

图4 调蓄时间与雨量的时间关系曲线

由图4可知，调蓄池在约10min时收集到了雨水，但是在前30min收集量很小，主要原因是雨水最开始落到地面会被泥土吸收。从30min开始，收集量大幅度增加。然后在30～60min这个时间段，雨水收集量快速增加，调蓄曲线的斜率直线上升，1#调蓄池的调蓄雨量从不到200m3增长到了接近5000m3，2#调蓄池的调蓄雨量从约1000m3增长到约33000m3。当降雨时长达到60min时，调蓄雨量平稳了下来，此时1#调蓄池的调蓄雨量为4980m3，2#调蓄池的调蓄雨量为33600m3，并且一直处于这个稳定的状态，直至降雨时长达到240min。为了分析雨水调蓄池对污染物的净化能力，选取了5项污染物模拟它们经过调蓄池后的污染物负荷削减率与降雨重现期之间的关系，它们在不同重现期的关系如图5所示。

图5 不同重现期与污染物削减率关系图

根据图5可以发现，在0.5a重现期时，5项污染物削减率均在86%以上；在1.0a重现期时，5项污染物削减率约为85%；到2.0a重现期时，5项污染物削减率处在77%～84%这一范围内，其中TP的削减率与1.0a时相比，几乎没有下降；当到3.0a重现期时，它们的削减率为70%～83%，总悬浮固体(Total Suspended Solid，TSS)相比于2.0a重现期时有所上升，其余4项污染物的削减率均在下降；到4.0a重现期时，5项污染物削减率都有小幅度下降；在5.0a重现期时，5项污染物削减率里最低为53%，最高为66%。整体来看，前期下降比较缓慢，后期下降较为迅速。在多项污染物与不同的重现期中，选择了重现期为1a时的TSS，通过这一污染物来描述降雨时间与污染物的关系，对2#调蓄池进行模拟，结果如图6所示。

图6 污染物浓度、调蓄水量与降雨时间关系图

由图6可知，在0～30min期间，调蓄池的进水流量逐渐增加，TSS污染物浓度也随之增大，在约30min时达到最高，约为123mg/L。实际情况为，在开始部分就进入到调蓄池的水是从空中直接降下，没有经过地表这一环节，因此最开始的水污染物浓度为0。随着降雨继续，雨水接触到地表，与地面的污染物混合进入到调蓄池中，此时地表污染物较多，导致进入水污染物浓度迅速增加。随着降雨持续时间的增长，在雨水混合大量污染物进入调蓄池的同时，调蓄池的整体水量在增加，因此污染物浓度会下降，直至60mg/L左右。当降雨时间达到60min时，调蓄量达到了最高，此时水不再进入，调蓄池的水污染浓度保持稳定状态。根据模拟结果结合实际情况，能够获知，重现期1a时，当降雨时间到达60min时，调蓄池将TSS浓度控制到60mg/L，能够达到污水综合排放标准的一级排放标准。

3 结语

水乃生命之源，无论何时都应该注重水资源的保护与利用。深圳铁岗水库通过利用SWMM模型，优化了当地雨水调蓄池的设置。研究利用模型确定了初期雨水调蓄池的容积，并针对在实际中会遇见的不同情况进行了模拟，对调蓄池的性能进行分析以便于后期优化。实验结果表明，该调蓄池对雨水能够进行有效调节，且在0.5～5.0a重现期，对污染物的削减都能够达到50%。SWMM模型能够有效模拟降雨与调蓄池工作情况、掌握水质污染以及污染物削减情况，为建设更好的城市生态系统提供了科学依据，但研究只是将SWMM模型利用到个别方面，未来还可以探索模型更多的使用价值。