基于SWMM模型的雨水管网优化

　　 1引言
　　城市雨水管网是重要的城市基础设施，担负着收集雨水、及时排除市区和流经市区雨水的任务。随着城市的发展，区域不透水面积增加，降雨造成淹水现象较为普遍。当大强度降雨时，造成排水管网压力过大，雨水无法及时排走，在城区低洼处形成积水，严重影响城市交通和居民生活。同时，运行多年的管道已年久失修。因此，利用数值模拟手段，了解城市雨水管网运行现状，合理地进行排水管网优化与改扩建是十分必要和紧迫的。
　　自20世纪70年代起，美国等发达国家开始利用数学模型模拟城市地表径流对降雨事件的响应过程，用于城市防洪规划和管网的优化。Pomeroy等以美国53年的降雨资料为依据，利用SWMM模型进行水文和水动力学模拟，提出通过减小径流量以及优化水质来降低渠道的侵蚀潜力的观点。我国城市排水管网的数字化研究起步较晚，但近年来已经取得了一些成果。
　　刘俊等以SWMM为基础，模拟了汇水区和街区的地面积水全过程，开发出了适合上海市区地表产流和防洪管理要求的雨洪模型。丛翔宇等通过SWMM模型，在不同暴雨设计频率下，模拟了北京某小区的排水效果以及积水、道路坡面流等情况。本文通过模拟不同重现期下的降雨过程、管道内雨水流动以及地面积水情况，找出排水系统的“瓶颈制约”，提出改造措
　　施并对改造措施进行评估，为排水管网的优化与改扩建提供理论和技术指导。
　　 2模型与模拟方法
　　2.1SWMM模型简介SWMM模型是美国环保局为设计和管理城市雨洪而研制的综合性数学模型。它可以基于降雨量和其它气象资料模拟真实的暴雨事件，预测水量和水质总值，给出水量水质的时空分布，评价排水系统的排水能力。它可以实现雨水管、合流制管道，自然排放系统的水量和水质模拟，并且具有强大的数据提取功能。本文排水管道水力模拟的重点在于解决如何降低地面积水和管道过载程度。
　　2.2建模过程本文利用ArcGIS水文分析（HydrologicalAnalysis）功能自动划分汇水区，简化了SWMM建模过程中的工作量，提高了建模效率。
　　2.2.1管网概化利用研究区域的管网数据信息，主要包括：管网的空间位置（即X、Y坐标）、节点高程、管长、管径、流向、坡度等属性数据，通过GIS对管网节点（检查井）和汇水区进行分析处理，并将结果输入SWMM模型中，以便后面的研究。所选区域检查井众多，本文只对功能性突出、对模拟产生直接影响的检查井进行研究。根据区域地形以及管网图，将汇水区内的管网简化后直接汇流到城市雨水管网支管中。管网概化后的检查井和管道图见图1。2.2.2DEM图生成将导入到ArcGIS的CAD图转换成矢量式数据，添加相关属性后，利用3D分析生成TIN表面，然后转换成DEM（DigitalElevationModel）数据。
　　2.2.3汇水区的划分将DEM数据图经过流向分析，利用Basins工具提取自然汇水区，然后利用Thiessen多边形工具，将获得的自然汇水区进一步划分，使每一个出水口对应一个汇水区。由于研究区域的地势相对平坦，利用自然汇水划分得到的汇水区并不能完全反映实际的汇水情况，本文采用Thiessen多边形和修改工具进行调整，使划分结果更具实际意义。将生成的汇水区图导入SWMM模型生成子汇水区模型（见图2）。
　　通过ArcGIS分析得到的数据中，SWMM入口和出口偏移量、曼宁系数；面要素：平均不透水区）、粗糙率（透水区、不透水区）。


　　 3案例分析
　　3.1区域概况选取某城市区域为研究对象，该区域面积为360公顷，平均坡度很小，可忽略不计。地面标高在3米左右，管道的最小埋深为1.5m。地面多为沥青地面，建筑物多为住宅区，各汇水区的不透水面积率为60%-75%，排水体制为分流制，雨水管道总长有6000余米。雨水汇流至城市雨水管网中，分别流向区域范围内的两个排水口O1、O2（见图1），然后排至河流。
　　3.2模型参数的确定模型中的确定性参数（汇水面积、管道长度等）在SWMM中绘制时自动生成，中间参数经ArcGIS数据分析得到，其它不确定性参数参考国内外研究成果，根据研究区域的地面特征设定。渗透采用Horton模型，最大入渗率、最小渗透率和入渗递减率分别取为76.2mm/h、3.81mm/h和0.0006/hr，透水区和不透水区的曼宁系数取为0.03和0.015，混凝土管道粗糙系数为0.013，透水区和不透水区洼蓄量分别为12mm和2mm。计算中采用降雨历时为4h，计算时间步长为5min。
　　3.3计算结果分析考虑暴雨重现期为1a、2a、5a、10a、20a，分别对节点溢流和管道过载情况进行模拟，发现部分检查井积水时间较长。如在P=2a时，33、36号检查井溢流时间最长；此时，部分管道过载现象比较严重，说明管道排水负荷已经偏高，其中管道34、37过载最严重。溢流严重的节点和过载管道的相关数据见表1（含管网优化后的相关数据）。


　　 4管网优化管网改造措施
　　主要有以下几类：结构改造、设施改造、布局改造和BMPs（最佳管理实践）措施等。基于SWMM的计算结果，分析节点溢流原因。首先，核查其上游的排水分区是否合理、地势是否低洼等，然后核查积水点下游管段管径是否过小、坡度是否过缓、管道是否堵塞。确定无误后，根据改造目的结合施工难度、施工造价和运行成本等方面综合考虑选择改造方案，
　　实现系统运行性能的最优化。考虑到新建管道以及增设蓄水池的工程造价较高，且研究区域的“瓶颈”区域较小，本研究采用以下两种方法缓解地面积水和管道过载状况，并且对两种改造方案的运行状况进行评估。
　　4.1改变节点高程为了缓解33和36号检查井的溢流状况，分析此区域的水流和管道埋设情况得知，需要增大下游管道的坡度。在P=2a时，不造成下游节点溢流的情况下，将31、32、35号检查井的井底高程分别由-0.025m、0.485m、0.71m降低到-0.55m、-0.30m、-0.10m。结果显示，节点33的最大溢流流量由1.35m3/s降至1.11m3/s，而且大流量（0.5m3/s以上）持续时间由原来的120分钟减至55分钟。在4小时降雨历时下，节点33和36的溢流量分别减小了1673m3和1326m3（J33和J36溢流情况见图3、4），同时下游管道34、37的过载程度明显降低，节点溢流和管道过载的缓解情况见表1.整个排水系统总溢流量由8943m3减至4938m3，减小了44.78%。进一步模拟了不同雨情（P=5a，P=10a，P=20a）下，改变节点高程缓解溢流和管道过载情况。结果表明，随着重现期的增大，缓冲结果愈加不明显，整个排水系统溢流量见表3。

　　4.2改变管径为了降低上游节点的溢流程度，可以通过加快下游管道的汇出流量来实现。结果显示，增加某些管道管径，可有效地缓解溢流程度。在P=2a时，不造成下游节点溢流的情况下，将管道34、37的管径分别由DN400和DN600改为DN600和DN1000，节点33的最大溢流流量由1.35m3/s降至0.66m3/s，且较大溢流流量（0.5m3/s以上）持续时间仅仅25分钟。在4小时降雨历时下，节点33和36的溢流量分别减小了5148m3和1446m3，下游管道34和37的过载程度明显降低。相关节点溢流和管道过载情况见表1.整个排水系统的总溢流量减小了7293m3-81.62%。J33和J36在管网改造前后的溢流情况见图3和图4。不同雨情下（P=5a、P=10a、P=20a）的模拟结果显示，改变管径缓解节点溢流和管道过载的效果比较理想，整个排水系统的溢流量变化见表3。

　　可以看出，两种改造方案都能缓解节点溢流和管道过载程度。现分析两种改造方案下管道淤积情况。分析结果可知，受管道坡度和流速的影响，管道34和37形成淤泥的可能性最大。
　　在P=2a时，假设三种状态下这两个管道内的淤泥厚度都为0.1m，对管网运行情况进行模拟，管网优化前后节点33和36溢流情况见图5和图6。在4个小时降雨历时下，改变节点高程和管径使淤积状态下排水系统的溢流量分别减少了2619m3、6729m3-24.20%和62.18%。

　　由图5和图6可以看出，改变节点高程缓解管网溢流的程度相对较小。对改变节点高程后的管网在淤积不同程度下进行模拟。结果显示，淤积程度越高，溢流时间越长，总溢流量越大。不同降雨重现期的模拟结果显示，随着重现期的增大，下游节点溢流的风险增大。因此，如果采用改变节点高程的优化方案，需要对管道进行定期清淤。
　　增大管径优化后的排水管网，由于管道充满度不高，管道淤积对下游节点溢流造成的影响不大，因此，不需要对管网进行频繁清淤。
　　 5结语
　　（1）通过模拟雨水管网的运行状况，计算出了排水系统的积水范围、积水点溢流时间、溢流流量以及管道的过载时间。在P=2a时，改变节点高程和增大管径的改造方案分别使排水系统的溢流量减少了44.78%和81.62%，明显缓解了节点溢流和管道过载情况；
　　（2）两种方案都能缓解淤积状态下节点溢流和管道过载程度，但随着重现期的增大，改变节点高程方案使下游节点发生溢流的风险加重，需要定期清淤；
　　（3）综合在不同降雨重现期下，两种方案缓解节点溢流和管道过载情况以及管网在淤积状态下的运行情况，得出增大管径方案优于改变节点高程方案。