以SWMM為基礎(chǔ)的城市排水系統(tǒng)改造探析

李愛民

（濱州市城鄉(xiāng)水務(wù)發(fā)展服務(wù)中心 山東濱州 256600）

1971年，美國環(huán)保署開發(fā)了SWMM。經(jīng)過約50年的發(fā)展，SWMM系統(tǒng)不斷升級，功能不斷完善，成為一個集水文、水力、水質(zhì)分析為一體的降水—徑流模型。與此同時，在城市化進程不斷加快的背景下，由地下排水管網(wǎng)、污水處理廠組成的城市排水系統(tǒng)問題不斷涌現(xiàn)，威脅著市民利益與城市安全。因此，探究分析以SWMM為基礎(chǔ)的城市排水系統(tǒng)改造措施具有非常重要的意義。

1 SWMM概述

SWMM（Storm Water Management Model）是由美國環(huán)境保護署發(fā)布的暴雨洪水管理模型，可用于動態(tài)模擬城市長期水量、水質(zhì)或者單一降水事件，并通過跟蹤模擬多時間步長，任意時刻每一子流域所產(chǎn)生徑流的水質(zhì)、水量，以及對應(yīng)排水管道水深、水質(zhì)、流量，為城市子流域降水、污染、徑流事件處理提供依據(jù)。

從組成上來看，SWMM 包括水文、水力、水質(zhì)3 個模塊。水文主要面向時變降雨、積雪融化、地表水蒸發(fā)等產(chǎn)流過程，以及降水入滲非飽和土層、地下水與排水管道交換等匯流過程；水力模塊主要模擬多形狀封閉式管道水流、多形狀明渠管道水流，以及分流閥、蓄水單元等特殊部件水流（含回水、溢流、逆流）；水質(zhì)模塊主要是在同一排水小區(qū)若干水文響應(yīng)單元劃分的基礎(chǔ)上，進行地表徑流污染物沖刷過程、增長過程、處理過程、運輸過程模擬。

2 模型構(gòu)建

2.1 數(shù)據(jù)整理

首先，明確SWMM 對象的數(shù)據(jù)需求。當前，SWMM 對象的數(shù)據(jù)需求有Outfalls（排水口）、Storage（儲存）、Divider（分隔）3 種。Outfalls 對應(yīng)的需求為免費、通用、固定、潮汐時間序列；Storage對應(yīng)的原則為扁平化、功能性、表格化；Divider對應(yīng)的內(nèi)容為新河道、攔河壩、溢出物。

其次，輸入SWMM 對象的屬性。如調(diào)蓄池的屬性包括內(nèi)底標高、積水、最大深度等。

最后，整理水力模擬數(shù)據(jù)。在軟件內(nèi)，設(shè)置水力模擬開始時間、結(jié)束時間，以及計算結(jié)果輸出時間、地面清掃開始日期、地面清掃結(jié)束日期、模擬起始時間前的未降雨天數(shù)等，其中，地面清掃開始日期、地面清掃結(jié)束日期、模擬起始日期之前的未降雨天數(shù)均在超長歷時水質(zhì)模擬時設(shè)置。

2.2 構(gòu)建思路

現(xiàn)有SWMM 模型包括Horton 下滲模型、Green-Ampt 下滲模型兩種。前者主要描述下滲率隨降雨時間變化而產(chǎn)生的變化，需要最小下滲率、最大下滲率、入滲衰減系數(shù)幾個參數(shù)；后者則是在土壤層急劇變化土壤干濕界面分析充分降雨下滲促使下墊面飽和度變化的情況，需要土壤水力傳導率、土壤初始濕度虧損值、濕潤前峰毛細水頭幾個參數(shù)。具體可以利用飽和函數(shù)累積方程計算：

式（1）中：為節(jié)點污染物積累量；為最大累積量（kg/m或kg/m）；為累計率（d）；為時間（d）。

在確定下滲模型后，需要將城市排水管網(wǎng)系統(tǒng)簡化為“節(jié)點—連接—管道”。其中，節(jié)點主要為檢查井，需要輸入?yún)?shù)為本段旱流污染物種類、負荷、旱季流量、管底標高、管底埋深、地下水入滲量、地下水污染負荷等；連接為分流設(shè)施（孔口、側(cè)堰、堰）、蓄水設(shè)施（蓄水池）、出水設(shè)施（帶閘的堰、自由出流孔口）；管道包括馬蹄形、圓形、天然明渠、門形、矩形幾種形式，需要輸入?yún)?shù)為模擬旱季流量、管徑、形狀參數(shù)、管段起止點偏移高度。

管道內(nèi)非恒定水流模擬主要選擇“連續(xù)方程+動量方程”（基于SWMM 的非線性運動波方程、動力波方程）。其中，運動波模擬是一種適用于長期水流模擬的方法，主要是利用連續(xù)方程、動量方程，以每一個管段內(nèi)水流為對象，在假定水流表面坡度、管道坡度無差異的情況下，選擇節(jié)點調(diào)蓄前后水流模擬。若模擬過程中水量超過管道容量能力，則將超出部分存儲到管道末端調(diào)蓄節(jié)點，在管道容納能力提升時，重新流入管道。動力波模擬是一種適用于短期水流模擬的方法，主要是在一維圣維南方程精確解求導的基礎(chǔ)上，模擬封閉管道滿載水流時壓力水流，在節(jié)點水流量超出最高允許值時，需要將其盡快排入管網(wǎng)系統(tǒng)。

2.3 構(gòu)建要點

首先，根據(jù)城市排水系統(tǒng)平面圖、城市地形圖，劃分排水小區(qū)，排水小區(qū)均勻分布且降雨強度相等，排水小區(qū)匯水可以就近進入排水管網(wǎng)節(jié)點。同時，在不進行排水渠支管水力計算的基礎(chǔ)上，將敷設(shè)在城市小區(qū)內(nèi)、道路兩旁主干管列入管網(wǎng)系統(tǒng)，河流干管徑流井后，出水管則就近分散自流入河，管道末端排水口內(nèi)底標高超出河道常規(guī)水位。例如，某排水區(qū)總回水面積為188.25hm，根據(jù)區(qū)域地形和雨水匯水特性，將其劃分為46 個排水小區(qū)，每一個小區(qū)面積在2.2～7.6hm之間。小區(qū)中，不透水地表占據(jù)區(qū)域總面積的63%，無洼蓄量的不透水地表占總不透水地表的48%。

其次，根據(jù)暴雨強度公式確定設(shè)計暴雨。暴雨強度公式為：

式（2）中：為降雨歷時（min）；ˉ為歷時內(nèi)的平均暴雨強度（mm/min）；為設(shè)計降雨重現(xiàn)期。由式（2）可知，降雨最大雨水強度處于降雨初始時刻，降雨雨峰在0.3～0.5t。因此，可以對降雨進行時程分配，設(shè)計0.5年一遇、2年一遇、5年一遇的2h降雨強度，設(shè)定降雨最大雨水強度為0.4t。

再次，利用Green-Ampt 入滲模型，模擬地表徑流系統(tǒng)，輸入的土壤初始濕度虧損值為0.383mm/mm、濕潤前鋒毛細水頭為29.4mm、土壤水力傳導率為2.28mm/h、透水地表洼蓄量為5.8mm、不透水地表洼蓄量為1.8mm。Green-Ampt入滲模型為：

式（3）中：為透水地表產(chǎn)水量（mm）；為降雨強度（mm/s）；為入滲強度（mm/s），Δ為降雨時間。

最后，利用動力波方程、分流設(shè)施，分別模擬污水在城市排水管道內(nèi)運輸過程、溢流井工作情況，此時，下游截流干管設(shè)計水流輸送能力為：

式（4）中：為下游截流干管設(shè)計水流輸送能力（mm/h）；為截流倍數(shù)；Q為溢流井上游含流量（mm/h）；為溢流井下游排水面積上雨水設(shè)計流量（mm/m）；為溢流井下游排水面積上旱流量（mm/m）。

3 系統(tǒng)模擬

3.1 動態(tài)溢流模擬

在動態(tài)溢流模擬時，將城市溢流口重現(xiàn)期設(shè)置為0.5年一遇、2年一遇、5年一遇，截流倍數(shù)起始數(shù)量設(shè)定為1，對城市溢流口溢流量隨降雨歷時變化過程進行分析，得出結(jié)果如表1所示。

表1 檢查井口動態(tài)溢流結(jié)果（單位：m3/s）

由表1可知，降雨情況下，城市排水系統(tǒng)內(nèi)存在大量雨污混合水，流量隨降雨歷時不斷增加，降雨結(jié)束后減少，且水溢流量峰值出現(xiàn)于截流井管道流量峰值后。在降雨重現(xiàn)期為0.5年時，研究區(qū)范圍內(nèi)出現(xiàn)多處檢查井口溢流情況，部分井口在30min內(nèi)會出現(xiàn)溢流，易造成城市內(nèi)澇；在降雨重現(xiàn)期為2.0年一遇時，部分井口在60min內(nèi)會出現(xiàn)溢流，持續(xù)時間較長；在降雨重現(xiàn)期為5.0年一遇時，部分江口在90min 內(nèi)會出現(xiàn)溢流情況，地面積水現(xiàn)象較嚴重。

3.2 管道淤積模擬

隨著城市排水管網(wǎng)運行，部分固體顆粒物會進入管網(wǎng)造成淤積。特別是在暴雨徑流情況下，地表固體廢物大量涌入管道，造成管道有效管徑減小、管壁粗糙，進而造成淤積段水流量下降甚至堵塞，加重整個城市排水系統(tǒng)負擔。一般城市排水系統(tǒng)情況可以利用污染物濃度隨截流倍數(shù)變化表示，即利用無量綱累積參數(shù)直觀分析降雨事件內(nèi)每一種污染物累積情況，推測排水系統(tǒng)淤積情況。不同截流倍數(shù)下管道淤積量如表2所示。

表2 不同截流倍數(shù)下管道內(nèi)淤積量（單位：kg）

由表2可知，截流倍數(shù)與管道內(nèi)污染物累積量具有一定關(guān)系，隨著截流倍數(shù)的增加，管道內(nèi)累積量下降。但是截流倍數(shù)的增加，對應(yīng)管道尺寸也會增加，排水管網(wǎng)改造費用隨之增加，對排水系統(tǒng)建造用提升泵站、截流干管與收集管網(wǎng)、污水處理廠均具有一定影響。因此，在考慮經(jīng)濟因素的情況下，需要采取控制合流污水的其他措施，如清淤等。

4 清淤措施

一般在城市排水系統(tǒng)中，下游管道淤積會對上游管道單位時間內(nèi)水流量造成影響，而上游水流速度減慢則會給對應(yīng)段管網(wǎng)埋下淤積隱患，導致上游雨水無法順利進入下游，整個排水系統(tǒng)運行效率下降，造成惡性循環(huán)，對管道使用年限與排水系統(tǒng)運行經(jīng)濟性均具有較大不利影響。因此，城市排水系統(tǒng)改造人員可以根據(jù)SWMM 的計算結(jié)果，確定發(fā)生淤泥的管段，針對性地開展清淤措施，提高清淤效率。由現(xiàn)場勘測經(jīng)驗可知，排水系統(tǒng)淤積現(xiàn)象多發(fā)生于主干渠位置，平均淤積深度在0.55m 左右。根據(jù)主干渠淤積情況，城市排水系統(tǒng)改造人員可以將主干渠清淤方案融入現(xiàn)狀SWMM模型中，模擬系統(tǒng)清淤方案實施過程及效果，確保清淤措施高效率開展，達到改造排水系統(tǒng)排水能力的目的。例如，某城市清淤前排水系統(tǒng)在溢流口重現(xiàn)期2年一遇情況下，總溢流量為2500m，發(fā)生溢流的節(jié)點數(shù)量為35 個，占據(jù)節(jié)點總數(shù)的8%，其中，溢流較為嚴重的節(jié)點已知。此時，城市排水系統(tǒng)改造人員可以對模擬中發(fā)現(xiàn)的溢流較為嚴重的節(jié)點進行清淤，改善系統(tǒng)總溢流量，并根據(jù)重現(xiàn)期設(shè)置情況，進行清淤方案的優(yōu)化調(diào)整，以便抵御中低重現(xiàn)期的降雨事件。

此外，由模擬結(jié)果可知，在超過城市排水管道設(shè)計標準的降雨（高重現(xiàn)期降雨事件）情況下，城市排水管道系統(tǒng)將出現(xiàn)超載甚至洪流情況，進而引發(fā)上游檢查井積水甚至溢流，最終形成城市內(nèi)澇。此時，單純的清淤措施就不足以改善排水系統(tǒng)總溢流量。為解決這一問題，城市排水系統(tǒng)改造人員可以根據(jù)SWMM的計算結(jié)果，分析并記錄出現(xiàn)溢流狀況的管段，以及對應(yīng)管段最大超載時間、最大溢流時間等數(shù)據(jù)，進而分析排水管道系統(tǒng)淤積原因，如上游排水分區(qū)合理性、地勢低洼情況、坡度設(shè)置情況、積水點下游管段管徑、管道流量等，在這個基礎(chǔ)上，綜合考慮施工造價、施工難度、運行成本等因素，進行排水系統(tǒng)改造方案的設(shè)置。一般可以選擇增加管徑、改變節(jié)點高程的方式。根據(jù)表2可知，增加管徑的經(jīng)濟效益較低，可以選擇改變節(jié)點高程的方式。例如，由城市溢流口重現(xiàn)期設(shè)置為5年一遇情況下清淤后最大溢流時刻模型中管網(wǎng)縱剖圖可知，某路段上游管網(wǎng)坡度低于水力坡度，實際過流量超出滿流設(shè)計流量，而下游管段未達到滿流，此時，可將上游管底高程由-0.55m 提升到-0.30m，減少降雨歷時下節(jié)點溢流量，降低下游管道過載程度，并促使整個排水系統(tǒng)總溢流量下降。

5 結(jié)語

綜上所述，城市排水系統(tǒng)是將城市運行過程中產(chǎn)生的廢污水有序凈化的系統(tǒng)，在實際應(yīng)用過程中極易產(chǎn)生淤積問題。因此，相關(guān)人員可以借助SWMM，構(gòu)建城市排水模型，從水文、水力幾個方面模擬排水系統(tǒng)淤積情況，針對性地制定、完善、實施清淤措施，確保城市排水系統(tǒng)正常、平穩(wěn)、高效運轉(zhuǎn)。