基于SWMM模型的雨水調(diào)蓄池優(yōu)化設(shè)置研究

陳麗群

(深圳市南山區(qū)水務(wù)局，廣東 深圳 518000)

飲用水的安全問題一直是國家極其重視的民生問題。近年來，城市水體污染問題已經(jīng)成為約束城市可持續(xù)發(fā)展的一個難題，越來越多的專家、學(xué)者關(guān)注到了這方面的問題，例如王文亮等人在描述調(diào)蓄池對污染物負(fù)荷的削減過程時利用了統(tǒng)計分析法，通過該方法做出了不同重現(xiàn)期與其對應(yīng)的調(diào)蓄池的溢流體積、溢流峰值流量的關(guān)系曲線。雖然在調(diào)蓄池方面已經(jīng)有了不少研究，但是關(guān)于調(diào)蓄池的設(shè)計，仍然有許多問題沒有得到解決，比如對效果方面的分析、描述不夠清晰，調(diào)蓄池的容積確定比較繁瑣，因此，提出了基于暴雨洪水管理模型(Storm Water Management Model，SWMM)的雨水調(diào)蓄池優(yōu)化設(shè)置研究。

1 基于SWMM模型的雨水調(diào)蓄池優(yōu)化設(shè)置

1.1 基于SWMM模型的降雨模擬

深圳市高度重視飲用水安全工作，自1992年起在這方面一直不斷努力，鐵崗水庫作為保障深圳西部片區(qū)用水需求最主要的供水水庫受到了高度關(guān)注。鐵崗水庫所在地區(qū)多年的平均相對濕度達(dá)到了79%，此地多年平均氣溫比較舒適，為22.3℃，其中極端最低溫度能夠低至0.2℃，極端最高氣溫38.7℃，沒有超過40℃。該流域降水豐沛，多年平均降雨量為1606mm。鐵崗水庫站最大與最小年降雨量分別為2611、721.3mm，可以看出，降雨年際變化較大。

該區(qū)域每年4—9月是汛期，約占全年80%的降雨量集中在這個時間段，并且大多時候都是暴雨，這樣就容易出現(xiàn)洪澇災(zāi)害。整體而言，降雨年內(nèi)分配極不均勻。根據(jù)多年降水日統(tǒng)計得出，該流域平均每年140d有降水，多年平均蒸發(fā)量為1521.7mm。該流域常年盛行風(fēng)向為南東東和北北東，其中夏季盛行東南風(fēng)和西南風(fēng)，冬季盛行東北風(fēng)。多年平均風(fēng)速2.6m/s，最大實測風(fēng)力超過12級。該區(qū)域災(zāi)害性天氣的主要原因是臺風(fēng)，臺風(fēng)會帶來很大的降雨量且持續(xù)時間較長，容易形成暴雨災(zāi)害。近年來，亂排現(xiàn)象較為嚴(yán)重，牛成河成為排放居民生活污水的主要通道，經(jīng)現(xiàn)場查勘，河道水質(zhì)為黑臭水體，水質(zhì)污染較為嚴(yán)重；當(dāng)?shù)鼐用裨诒辈颗c東部的低丘陵區(qū)進(jìn)行了大面積的陡坡耕種，毀壞了原有植被，致使局部地區(qū)水土流失較嚴(yán)重。為減少牛成河對鐵崗水庫水源區(qū)水質(zhì)影響，在牛成河末端修建了一座水質(zhì)凈化廠，在河道內(nèi)修建了截流閘，攔截上游水流，處理日常生活污水；降雨時，上游來水超過牛成水質(zhì)凈化廠處理規(guī)模，截流閘打開，水流直接通過下游河道進(jìn)入鐵崗水庫，嚴(yán)重影響了鐵崗水庫水質(zhì)安全。研究在動態(tài)模擬降雨-徑流時采用了SWMM模型，模擬各子匯水區(qū)面積上的雨水運行情況時采用了徑流組件，然后利用演算組件對通過管渠等設(shè)施進(jìn)入到調(diào)蓄池系統(tǒng)內(nèi)的徑流屬性進(jìn)行計算，最后推導(dǎo)出最佳調(diào)蓄容積。描述調(diào)蓄池液位變化過程的蓄水曲線函數(shù)式為：

S=ADB+C

(1)

式中，S—調(diào)蓄池表面積，m2；A—蓄水曲線函數(shù)系數(shù)值；D—調(diào)蓄深度，m；B—蓄水曲線函數(shù)指數(shù)值；C—蓄水曲線函數(shù)常數(shù)值。

結(jié)合我國的暴雨強(qiáng)度公式，采用芝加哥過程線模型合成降雨過程：

(2)

式中，q—設(shè)計暴雨強(qiáng)度，L/(s·hm2);t—降雨歷時，min;P—設(shè)計重現(xiàn)期，a;A1，C，b，n—設(shè)計參數(shù)，按照統(tǒng)計方法計算確定。

暴雨峰前上升段為：

(3)

式中，ia—暴雨上升段t1瞬時暴雨強(qiáng)度，L/(s·hm2);a，b，c—不同地區(qū)暴雨強(qiáng)度公式的地方參數(shù)；t1—暴雨強(qiáng)度峰值峰前的持續(xù)時間，min；r—暴雨峰值相對位置系數(shù)。

暴雨峰后下降段為：

(4)

式中，ib—暴雨下降段t2瞬時暴雨強(qiáng)度，L/(s·hm2);t2—暴雨強(qiáng)度峰值峰后的持續(xù)時間，min；其他變量含義同前所述。

1.2 基于SWMM模型的雨水調(diào)蓄池優(yōu)化設(shè)置

基于設(shè)計階段工程規(guī)模及邊界條件未發(fā)生變化，研究維持調(diào)蓄池規(guī)模，調(diào)蓄池容積為4.2萬m3。研究在牛成河截流閘上游新建一條2.0m×2.0m進(jìn)水箱涵，將截流的牛成河中的初小雨水引入調(diào)蓄池內(nèi)，并在進(jìn)水箱涵末端、調(diào)蓄池進(jìn)水口設(shè)置進(jìn)水控制閘，控制調(diào)蓄池進(jìn)出水。由于調(diào)蓄池內(nèi)部調(diào)蓄空間分為2個部分，分別調(diào)蓄8mm以下和8～110mm標(biāo)準(zhǔn)的雨水，因此在2個調(diào)蓄空間進(jìn)水口處設(shè)置2座分流控制閘，分別控制2種標(biāo)準(zhǔn)的調(diào)蓄進(jìn)水，如圖1所示。

圖1 牛成河調(diào)蓄池進(jìn)水方案布置圖

牛成河調(diào)蓄池，總匯水面積0.63km2，截排標(biāo)準(zhǔn)110mm，截排總水量4.2萬m3。根據(jù)牛成村片區(qū)50a一遇降雨過程線，如圖2(a)所示，當(dāng)降雨累計達(dá)到110mm時，降雨時間為32.08h。根據(jù)牛成村片區(qū)50a一遇洪水過程線，如圖2(b)所示，降雨時間32.08h對應(yīng)的洪峰流量為3.6m3/s。因此，當(dāng)降雨累計達(dá)到110mm時洪峰流量為3.6m3/s，即調(diào)蓄池進(jìn)水最大設(shè)計流量為3.6m3/s。

圖2 牛成村片區(qū)50a一遇降雨與洪水過程線

新建調(diào)蓄池進(jìn)水箱涵尺寸為2.0m×2.0m，長度314m，坡度為1‰，流速為1.25m/s，最大過流能力為4.76m3/s，可以滿足調(diào)蓄池進(jìn)水流量要求。進(jìn)水箱涵起點處內(nèi)底標(biāo)高為29.50m，則末端處(調(diào)蓄池進(jìn)水口處)內(nèi)底標(biāo)高為29.10m。研究設(shè)計調(diào)蓄池共設(shè)置3座進(jìn)水閘，一座進(jìn)水控制閘設(shè)置于進(jìn)水箱涵末端，控制調(diào)蓄池的進(jìn)出水，閘門尺寸2.0m×2.0m；另外2座進(jìn)水閘分別設(shè)置于調(diào)蓄池2個調(diào)蓄空間的進(jìn)水口處，控制8mm以下和8～110mm標(biāo)準(zhǔn)雨水的分流調(diào)蓄，2座閘門尺寸均為2.0m×2.0m。根據(jù)水閘的功能要求，結(jié)合閘址、地形、地質(zhì)條件，選定了對景觀影響最小的“液壓下開式堰門”閘型。調(diào)蓄池調(diào)蓄空間分2格，一格容積0.6萬m3，調(diào)蓄8mm以下標(biāo)準(zhǔn)截流雨水；另一格容積3.6萬m3，調(diào)蓄8～110mm標(biāo)準(zhǔn)截排雨水。調(diào)蓄池進(jìn)水先經(jīng)過進(jìn)水格柵及沉砂池，對水中主要漂浮物、砂礫等進(jìn)行過濾、沉淀，經(jīng)沉淀后進(jìn)入調(diào)蓄池主要調(diào)蓄區(qū)域。旱季工況，牛成河控制閘保持開啟狀態(tài)，調(diào)蓄池進(jìn)水控制閘和1#、2#進(jìn)水分流閘保持關(guān)閉狀態(tài)。調(diào)蓄池內(nèi)無水，相應(yīng)的格柵等設(shè)備均不運行，清淤前，運行通風(fēng)除臭設(shè)備，調(diào)蓄池的維護(hù)清淤管理可在旱季進(jìn)行。小雨工況，降雨強(qiáng)度小于等于控制調(diào)蓄標(biāo)準(zhǔn)(8mm)時，牛成河控制閘保持關(guān)閉狀態(tài)，調(diào)蓄池進(jìn)水控制閘和1#進(jìn)水分流閘保持開啟狀態(tài)，匯水區(qū)域內(nèi)收集的初小雨經(jīng)牛成河河道及新建調(diào)蓄池進(jìn)水箱涵進(jìn)入調(diào)蓄池1#調(diào)蓄空間內(nèi)，待調(diào)蓄池達(dá)到設(shè)計水位以下0.5m時，關(guān)閉調(diào)蓄池進(jìn)水控制閘和1#進(jìn)水分流閘，同時打開牛成河控制閘。在雨后工況，調(diào)蓄池排空，切換至旱天工況。大雨工況，降雨強(qiáng)度大于截流調(diào)蓄標(biāo)準(zhǔn)(8mm)時，降雨前期運行模式同小雨工況，調(diào)蓄池收集調(diào)蓄前8mm降雨量至1#調(diào)蓄空間；降雨中后期，調(diào)蓄池1#調(diào)蓄空間達(dá)到設(shè)計水位以下0.5m時，關(guān)閉調(diào)蓄池1#進(jìn)水分流閘，打開2#進(jìn)水分流閘，超8mm設(shè)計規(guī)模的中后期雨水進(jìn)入調(diào)蓄池2#調(diào)蓄空間。待2#調(diào)蓄空間達(dá)到設(shè)計水位以下0.5m時，關(guān)閉調(diào)蓄池進(jìn)水控制閘和2#進(jìn)水分流閘，同時打開牛成河控制閘，超110mm設(shè)計規(guī)模的清潔雨水沿牛成河進(jìn)入下游生態(tài)調(diào)蓄湖。在雨后工況，調(diào)蓄池排空，切換至旱天工況。雨后工況，待降雨結(jié)束后，在下游市政污水管(涵)及污水處理廠有富余量時，調(diào)蓄池內(nèi)1#調(diào)蓄空間收集的8mm設(shè)計規(guī)模的污染雨水通過1#出水提升泵站排入下游市政污水管，傳輸至末端南山水質(zhì)凈化廠處理。2#調(diào)蓄空間收集的8～110mm設(shè)計規(guī)模的雨水通過2#出水提升泵站排入麗水河。2#調(diào)蓄空間水位降至調(diào)蓄湖水位以下1.0m時，打開調(diào)蓄湖聯(lián)通管，調(diào)蓄湖內(nèi)110mm至50a一遇設(shè)計規(guī)模的雨水進(jìn)入調(diào)蓄池2#調(diào)蓄空間，通過2#出水提升泵站排入麗水河，整個流程如圖3所示。

圖3 調(diào)蓄池工藝流程圖

2 實驗與結(jié)果分析

在模擬實驗的過程中，將雨水調(diào)蓄池的容積盡可能的設(shè)置到最大。隨著時間不斷增加，調(diào)蓄池的調(diào)蓄雨量能夠達(dá)到峰值，這便是調(diào)蓄池容積的模擬結(jié)果，如圖4所示。

圖4 調(diào)蓄時間與雨量的時間關(guān)系曲線

由圖4可知，調(diào)蓄池在約10min時收集到了雨水，但是在前30min收集量很小，主要原因是雨水最開始落到地面會被泥土吸收。從30min開始，收集量大幅度增加。然后在30～60min這個時間段，雨水收集量快速增加，調(diào)蓄曲線的斜率直線上升，1#調(diào)蓄池的調(diào)蓄雨量從不到200m3增長到了接近5000m3，2#調(diào)蓄池的調(diào)蓄雨量從約1000m3增長到約33000m3。當(dāng)降雨時長達(dá)到60min時，調(diào)蓄雨量平穩(wěn)了下來，此時1#調(diào)蓄池的調(diào)蓄雨量為4980m3，2#調(diào)蓄池的調(diào)蓄雨量為33600m3，并且一直處于這個穩(wěn)定的狀態(tài)，直至降雨時長達(dá)到240min。為了分析雨水調(diào)蓄池對污染物的凈化能力，選取了5項污染物模擬它們經(jīng)過調(diào)蓄池后的污染物負(fù)荷削減率與降雨重現(xiàn)期之間的關(guān)系，它們在不同重現(xiàn)期的關(guān)系如圖5所示。

圖5 不同重現(xiàn)期與污染物削減率關(guān)系圖

根據(jù)圖5可以發(fā)現(xiàn)，在0.5a重現(xiàn)期時，5項污染物削減率均在86%以上；在1.0a重現(xiàn)期時，5項污染物削減率約為85%；到2.0a重現(xiàn)期時，5項污染物削減率處在77%～84%這一范圍內(nèi)，其中TP的削減率與1.0a時相比，幾乎沒有下降；當(dāng)?shù)?.0a重現(xiàn)期時，它們的削減率為70%～83%，總懸浮固體(Total Suspended Solid，TSS)相比于2.0a重現(xiàn)期時有所上升，其余4項污染物的削減率均在下降；到4.0a重現(xiàn)期時，5項污染物削減率都有小幅度下降；在5.0a重現(xiàn)期時，5項污染物削減率里最低為53%，最高為66%。整體來看，前期下降比較緩慢，后期下降較為迅速。在多項污染物與不同的重現(xiàn)期中，選擇了重現(xiàn)期為1a時的TSS，通過這一污染物來描述降雨時間與污染物的關(guān)系，對2#調(diào)蓄池進(jìn)行模擬，結(jié)果如圖6所示。

圖6 污染物濃度、調(diào)蓄水量與降雨時間關(guān)系圖

由圖6可知，在0～30min期間，調(diào)蓄池的進(jìn)水流量逐漸增加，TSS污染物濃度也隨之增大，在約30min時達(dá)到最高，約為123mg/L。實際情況為，在開始部分就進(jìn)入到調(diào)蓄池的水是從空中直接降下，沒有經(jīng)過地表這一環(huán)節(jié)，因此最開始的水污染物濃度為0。隨著降雨繼續(xù)，雨水接觸到地表，與地面的污染物混合進(jìn)入到調(diào)蓄池中，此時地表污染物較多，導(dǎo)致進(jìn)入水污染物濃度迅速增加。隨著降雨持續(xù)時間的增長，在雨水混合大量污染物進(jìn)入調(diào)蓄池的同時，調(diào)蓄池的整體水量在增加，因此污染物濃度會下降，直至60mg/L左右。當(dāng)降雨時間達(dá)到60min時，調(diào)蓄量達(dá)到了最高，此時水不再進(jìn)入，調(diào)蓄池的水污染濃度保持穩(wěn)定狀態(tài)。根據(jù)模擬結(jié)果結(jié)合實際情況，能夠獲知，重現(xiàn)期1a時，當(dāng)降雨時間到達(dá)60min時，調(diào)蓄池將TSS濃度控制到60mg/L，能夠達(dá)到污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)的一級排放標(biāo)準(zhǔn)。

3 結(jié)語

水乃生命之源，無論何時都應(yīng)該注重水資源的保護(hù)與利用。深圳鐵崗水庫通過利用SWMM模型，優(yōu)化了當(dāng)?shù)赜晁{(diào)蓄池的設(shè)置。研究利用模型確定了初期雨水調(diào)蓄池的容積，并針對在實際中會遇見的不同情況進(jìn)行了模擬，對調(diào)蓄池的性能進(jìn)行分析以便于后期優(yōu)化。實驗結(jié)果表明，該調(diào)蓄池對雨水能夠進(jìn)行有效調(diào)節(jié)，且在0.5～5.0a重現(xiàn)期，對污染物的削減都能夠達(dá)到50%。SWMM模型能夠有效模擬降雨與調(diào)蓄池工作情況、掌握水質(zhì)污染以及污染物削減情況，為建設(shè)更好的城市生態(tài)系統(tǒng)提供了科學(xué)依據(jù)，但研究只是將SWMM模型利用到個別方面，未來還可以探索模型更多的使用價值。