SWMM在城市排水系统雨季溢流问题中的应用排水管网Word文档格式.docx

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本文利用SWMM模拟中国北方某城市小区排水管网在雨季遇不同强度降雨时管路中的水流状况排水管网，根据模拟结果，识别其溢流瓶颈段，并对各种可能的原因进行分析和模拟，在此基础上提出了相应的解决措施。

　　1SWMM介绍

　　SWMM全称是暴雨管理模型（StormWaterManagementModel），是一个面向城市区域的雨水径流水量和水质分析的综合性计算机模型。

　　SWMM可以对单场降雨或者连续降雨而产生的坡面径流及其汇入排水管网系统后的水量和水质变化进行动态模拟，也可以进行排水系统中节点、管道、汇水区以及其他排水构筑物的流量、水深和流速等时间序列的仿真模拟[18]。

　　由于强大的模拟功能，SWMM被广泛用于城市排水系统的水文-水动力学模拟，模型输出具有多种形式，包括统计分析表格、时间序列图表、剖面图和动画演示等，可以显示在降雨期间及退水时排水管网中各个节点和管道的流量、水深和水质状况，通过对管网在降雨过程中的运行状态及负荷的分析，为合理规划管网、优化规划方案提供决策支持。

　　2研究区域概况

　　研究区是中国北方某城市的一个经济技术开发区，其总汇水面积为4500hm2，服务人口25万人。

该区属中温带大陆性季风气候，降水量年内分配十分不均，全年平均降水量约570mm，6至9月份降水集中，占年降水量的70%以上，3至5月份不足20%，10月至翌年2月不足10%，由于降水量年内分配十分不均，形成春旱夏涝的景象。

　　3模型参数的的确定过程

　　3.1降雨量的确定

　　SWMM动态模拟中降雨量的输入可以是实测降雨量，也可以是根据暴雨强度公式计算得到的降雨量[19]。

目前该市的降雨资料以日为时间间隔，对城市排水管网动态模拟来说计算时间步长太大，不利于水流状态的精确模拟。

研究资料表明应用Keifer和Chu雨型一般能够满足精度要求，且比较容易确定雨强过程[19]，即采用此雨型作为降雨过程模拟管网的工作状态。

Keifer和Chu雨型的缺点是雨峰处过于尖瘦，为此可采用5min为一时段的柱状过程来代替，可以克服这一缺点[20]中国。

　　根据以往研究该市的暴雨强度公式为

　　式中，q—设计暴雨强度，L/（s.hm2）

　　P—设计重现期，a

　　T—降雨历时，min.

　　该市的已有城市降雨设计按重现期P=1a设计，模拟的雨峰系数取建议值R=0.4[19]，降雨历时取60min。

则雨强过程为

　　峰前

　　峰后

　　式中，i—瞬时降雨强度，mm/min

　　t1—峰前降雨历时，min

　　t2—峰后降雨历时，min

　　图1为60min雨量分布图，总降雨量为24.73mm,雨峰强度为2.28mm/min。

　　图160min雨量分布图

　　3.2模拟区概化

　　选取该经济开发区的一个小区的排水管网进行仿真，模拟其在降雨期间的工作状态。

该排水管网系统是合流制，包括275个检查井和1个出水口；

排水管道总长度为17346m，两节点即检查井间管道长度在30-123m之间，最小管径为400mm,最大管径为1000mm；

汇水区域总面积约为394hm2，根据区域的表面坡度、土地利用的性质和距离节点的远近[21]，将汇水区域划分为267个子汇水区域，汇水子区域最大面积小于2hm2，各个汇水子区域的径流作为节点入流量连接到最近的检查井节点。

由于溢流时降雨径流在排水管路中是主体，本文模拟只考虑了暴雨期间雨水进入管道的量，不考虑其他污水的汇入。

　　概化后的小区排水管网如图2所示。

　　图2模拟小区排水管网概化图

　　3.3模型参数的选择

　　管道长度、形状、管径、坡度以及节点的高程数据从市政排水管网规划图中获得，对于部分缺失的节点高程，参考周围邻近节点的高程应用插值法来确定。

　　在SWMM中入渗模型有三种：

Horton公式排水管网，Green-Ampt公式和Curve-Number公式，其中Horton公式待定参数少，适用于小流域模拟，在国内应用的较多，本次模拟采用Horton入渗公式。

Horton公式水力模拟参数包括最大入渗率，最小入渗率和衰减常数，这些参数与土壤性质相关，研究区土壤主要为壤土，根据SWMM使用手册提供的参数和当地情况，取最大入渗率76.2mm/hr，最小入渗率3.3mm/hr，衰减系数4.5。

　　根据文献报道[19]，不透水区的洼蓄量取值为2-5mm，透水区的洼蓄量取值为3-10mm；

在无资料的条件下各取中间值，即不透水区洼蓄量取3.5mm，透水区的洼蓄量取6.5mm。

汇水区平均坡度参照周围管道坡度，特征长度的计算等于汇水面积与水流长度的比值。

汇水区不透水面百分比根据市政土地利用规划图确定，其值取50%。

　　模型中含有三个曼宁粗糙系数，分别是透水区和不透水区曼宁粗糙系数以及管道粗糙系数。

对于汇水区粗糙系数根据下垫面特征，参照手册[18]提供的参数，透水区取0.15，不透水区取0.015；

区域排水管道为混凝土圆管，其取值在0.013-0.014之间[22]，本次模拟选其最小值0.013。

　　4模拟及结果分析

　　4.1识别瓶颈点

　　表1严重溢流节点状况

本次模拟降雨历时为60min，由于降雨结束后，管道还有一段时间的退水时段，因此设置模拟时间为120min。

经过模拟，从总体来看，有13.4%的节点会出现10min以上的溢流，10%的节点会出现20min以上的溢流，其中J70-J75节点溢流时间长达44-48min，J48-J53溢流时间超过了60min,在77-79min之间；

仅有3.7%的管长没有发生满流，其他都有不同程度的满流发生。

系统整体在降雨时严重溢流节点情况见表1。

　　在节点蓄水之后，先积水在节点顶部，等待下游管道排水缓解时，积水再排出。

在现实情况下，如果节点蓄水时间较长，如达到一个小时以上的，很有可能在雨水口道路处产生城市路面积水，造成城市内涝。

排水管道满流时间太长，说明管道在超负荷运行，排水能力不能满足需要。

　　从模拟情景可以看出，J48-J53节点以及连接节点的管道是排水系统的主要瓶颈点。

　　4.2改善瓶颈段溢流措施的探讨

　　在改变模型参数的情况下，瓶颈段各个节点以及相连接管道的溢流情景基本相同，因此改变区域及管道设计的参数，以中间节点J50的溢流变化为例代替模拟整个瓶颈段的状况是合理的。

该瓶颈段管段总长为520m，总汇水面积为6.3hm2。

　　影响节点内水深的原因有：

汇水区不透水面积百分比，汇水区洼蓄能力，透水区不透水区曼宁粗糙系数，管道的管径、粗糙系数以及管坡。

其中主要影响因素为汇水区不透水面积百分比，管道的管径、粗糙系数和管坡[5,7]。

　　4.2.1汇水区不透水面积百分比对节点溢流的影响

　　图3不透水面积百分比对J50节点内水深的影响

　　改变汇水区不透水面积百分比，模拟节点溢流状况排水管网，其模拟结果如图3所示。

目前该汇水区域不透水面积百分比为50%，经过模拟其节点溢流时间为67min，如果增加绿地面积，将不透水面积由50%降到40%，节点溢流时间可减少10min；

将不透水面积由50%降到30%，节点溢流时间缩短21min。

　　4.2.2管径大小对节点溢流的影响

　　瓶颈段管径为800mm，瓶颈管下游500m范围内的管径为600mm。

模拟雨水在管道中的流动应用的是动力波，如果下游不畅通，就会有回流状况的发生。

考虑到下游对上游的影响，改变下游管道的管径，模拟对节点溢流的影响，其模拟结果如图4所示。

图4表明将下游管径为600mm的管道换成700mm的管道，节点溢流时间将缩短约42min；

将下游管径为600mm的管道换成800mm的管道，节点溢流时间将缩短62min。

因此改变下游管道的管径将能有效地缩短节点溢流的时间，缓解道路积水，减少城市内涝的发生。

　　图4管径对J50节点内水深的影响

　　4.2.3管道粗糙系数对节点溢流的影响

　　排水管道为混凝土圆管，其管道粗糙系数在0.013-0.014之间，在初始模拟时取管道粗糙系数最小值0.013，模拟结果的节点J50溢流时间长达67min，当取管道粗糙系数为最大值0.014时，节点溢流时间增加至74min，如果假设管道为钢管，其粗糙系数为0.012，经过模拟，其节点溢流时间将缩短7min中国。

不同粗糙系数对节点溢流的影响结果如图5所示，改变管道粗糙系数以缓解管道压力缩短节点溢流时间的效果不是很明显。

　　图5管道粗糙系数对J50节点内水深的影响

　　4.2.4管道坡度对节点溢流的影响

　　图6管道坡度对J50节点内水深的影响

　　管道坡度影响着水流流速，从而影响管道的畅通性。

该瓶颈段管道的坡度为0.0013，管径为0.8m的管道允许的最小坡度为0.001，另取坡度为0.0013以及0.0015分别进行模拟，其模拟结果如图6所示。

当管道坡度为0.0013时，节点溢流时间为67min，将管道坡度增加到0.0015时，节点溢流持续时间仅为4min，将管道坡度降低到0.001时，节点溢流持续时间为52min。

因此对于该瓶颈段增加管道的坡度能有效地减少节点的溢流持续时间,但管道的满流持续时间比较长，管道处于严重的超负荷状态。

　　4.3优化措施及效果

　　图7瓶颈管段优化前后J50节点内水深变化

　　节点长时间溢流受子汇水区不透水面积百分比、管径、管道粗糙率和管坡等诸多因素的影响。

通过模拟不同因素对节点溢流的影响程度，对于该区域的瓶颈管段，下游管道的管径较小是引起节点长时间溢流的最主要原因，其次为管道的坡度。

根据以上的结果对瓶颈段进行优化，即将下游管径为600mm的管道换成管径为800mm的管道，瓶颈段管道坡度设计为0.0015，其模拟结果如图7所示。

图7显示，将瓶颈管段优化后，节点溢流持续时间将由原来的67min降到9min，优化效果显著，极大降低了管道负荷，减少了路面积水，减缓了城市内涝的发生。

　　4.4重现期P=3a时的降雨模拟分析

　　图860min雨量分布图

　　管道优化设计后，设计降雨重现期P=3a时，模拟管道的工作状态，检查J50节点处的溢流情况，评价其是否满足排水要求。

设计降雨数据见图8所示排水管网，降雨总量为29.84mm，峰值雨强为3.27mm/min。

P=3a时的降雨总量比P=1a时的降雨总量增加5mm，峰值雨强增加了0.99mm/min。

模拟结果如图9所示，图9表明P=3a时的降雨比P=1a时的降雨节点溢流时间会提前约5min，溢流持续时间为14min,不会在路面长时间积水，造成洪涝，优化后的排水管网设计满足暴雨重现期P=3a时的排水要求。

　　图9不同降雨重现期J50节点内水深随时间变化图

　　5总结

　　SWMM模型能很好的模拟城市排水管网在雨季的工作状态，可用于对管网的设计进行校核，提出优化设计方案；

同时可以根据模拟结果计算得出的各个积水点的水深、积水范围、积水历时等，可为城市的防洪排涝提供技术支持。

　　在对案例小区的模拟中，当设计暴雨重现期P=1a时，有10%的节点会出现20min以上的溢流，其中2%的节点溢流时间长达67min，是造成城市内涝的瓶颈段。

通过对造成节点长时间溢流的可能原因进行分析，得出造成该瓶颈段溢流的主要原因是下游管道的管径过小，而瓶颈段的管坡又小，造成水流堵塞，节点溢流持续时间过长。

根据模拟结果，对瓶颈管段进行优化，将下游管径为600m的管道换为800m的管道，瓶颈段管道的管坡由0.0013提高为0.0015，节点溢流持续时间将从67min降到9min，优化效果显著。

　　将瓶颈段优化设计后，模拟设计暴雨重现期P=3a时管道的工作状态，其结果显示，溢流持续时间为14min,不会在路面长时间积水，造成洪涝，优化后的排水管网满足设计暴雨重现期P=3a时的排水要求。

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