《在城市排水系统雨季溢流问呢题中的应用_排水管网.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《在城市排水系统雨季溢流问呢题中的应用_排水管网.doc（19页珍藏版）》请在三一文库上搜索。
1、SWMM在城市排水系统雨季溢流问题中的应用_排水管网 论文导读:：应用SWMM对北方某城市小区的合流制排水管网系统进行仿真，模拟重现期为一年的暴雨期间不同时段城市排水管道和节点的工作状态，利用SWMM的结果找出主要的溢流瓶颈点，对造成此结果的可能原因包括管径、管道粗糙度以及管道坡度进行了比较和量化分析，得出最主要原因是下游管道的管径过小，据此结果对管网进行了优化，并对优化后的管道在雨季的工作状况进行了二次模拟。本文的研究方法和研究成果为新建、改建和扩建城市排水管网提供科学参考和依据，从而帮助减少暴雨给城市带来的涝灾损失。关键词：SWMM，地表径流，排水管网，节点溢流随着全球气候变化的日趋加剧，
2、多数区域的降雨在近些年呈现雨期集中、强度加大的特点，使得很多没有充分考虑降雨径流排水的城市区域在雨季出现局部排水不畅，严重影响了城市居民的日常生活，造成严重的涝灾损失1-3。目前国内多数大中型城市，已有的排水管路都没有单独的雨水排放管路，都是雨污合流4,5。合流制排水系统不仅承担着日常污水的排出，同时也是降雨径流的排出通道，即城市点源和非点源污染的双重排出通道6,7。由于合流制的体系在旱季时，污水流速较慢，会在管道底部产生沉积物，导致管道排水不畅通，当雨季来临，降雨强度较大时，容易出现节点溢流现象8；不仅如此，在很多老城区，陈旧的排水管路管径偏小，管坡设计不合理，管网覆盖率低，溢流状况非常严重
3、10,11，新建、改造陈旧排水管路以改善城区雨季溢流问题成为许多城市的迫切需求。美国环保局开发的暴雨管理模型（Storm Water Management Model，SWMM）可对整个城市降雨、径流过程进行较为准确的量和质的模拟2,11，根据SWMM模拟结果，完善城市的排水管道设计以及对已有排水系统进行改造，可以大大提高设计的效果4。 SWMM自1971年由美国环保局推出以来，得到了广泛的应用,取得了良好的效果12-17。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
4、出了相应的解决措施。1 SWMM介绍SWMM全称是暴雨管理模型（StormWater Management Model），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
5、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
6、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，aT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=0.419，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/mint1峰前降
7、雨历时，mint2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1 60min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
8、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
9、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
10、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，
11、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
12、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3
13、0%，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.
14、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
15、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
16、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8 60min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
17、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
18、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
19、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。参考文献：1李原园,郦建强,石海峰等.中国防洪若干重大问题的思考J. 水科学进展, 2010, 21(4):490-495.2胡伟贤,何文华,黄国如等.城市雨洪模拟技术研究进展J.水科学进展, 2010,21(1): 137-144.3Li, Y.X., Kang, J-H, Lau, S-L., Kayhanian, M., and Stenstrom, M. K.(2008) “Optimization of Settling Tank Design to
20、 Remove Particles andMetals”. Journal of Environmental Engineering, ASCE, 134 (11), 885-894.4赵磊,杨逢乐,王俊松等.合流制排水系统降雨径流污染物的特性及来源J. 环境科学学报, 2008,28(8): 1561-15705王淑梅,王宝贞,曹向东等.对我国城市排水体制的探讨J. 中国给水排水, 2007, 23(12): 16-21.6王越兴.SWMM在城市排水管网分析中的应用J. 给水排水,2010, 36:408-410.7刘翠云，车武，董朝阳分流制雨水与合流制溢流水质的比较J给水排水，2007，3
21、3(4)：5l-55. 8Mannina G, Viviani G.Separate and combined sewer systems: a long-term modelling approachJ. WaterScience &Technology. 2009,60(3):555-565.9G.T.Aronica, L.G.Lanza(2005). Drainage efficiency in urban areas:a case studyJ. Hydrological Processes, 19: 1105-1119.10刘兴坡,刘遂庆,李树平等.基于SWMM的排水管网模拟
22、分析技术J. 给水排水,2007,16(3): 29-34.11孙惠修.排水工程.第四版上册M. 北京: 中国建筑工业出版社,1999: 84.12Katherine L. Meierdiercks, James A. Smith, Mary Lynn Baech, etal(2010). Analysis of urban drainage network structure and its impact onhydrologic response. Journal of the American water resourcesassociation(JAWRA), 46(5): 932-9
23、43. 13Chih-Hua Chang,Ching-Cumg Wen, Chih-Sheng Lee. Use of intercepted runoff death for storm waterrunoff management in induatrial parks in TaiwanJ. Water Resour Managage(2008)22: 1609-1623.14E.W. Peterson , C.M. Wicks(2006) Assessing the importance ofconduit geometry and physical parameters in kar
24、st systems using the storm watermanagement model(SWMM). Journal of Hydrology, 329: 294-305.15丛翔宇,倪广恒,惠士博等.基于SWMM模型的北京市典型城区暴雨洪水模拟分析J. 水利水电技术, 2006, 37(4): 64-67.16刘俊,徐向阳.城市雨洪模型在天津市排水分析计算中的应用J. 技术与应用, 2001,(1): 5-11.17刘俊.城市雨洪模型研究J. 河海大学学报, 1997,25(6).18Lewis A. Rossman (2004). Storm Water Management M
25、odel User’sManual (Version 5.0)M. Water supply and water resources division, Nationalrisk management research laboratory, U. S.EPA: 1-3.19谢莹莹.城市排水管网系统模拟方法和应用D. 同济: 环境科学与工程学院, 2007.20岑国平,沈晋,范荣生.城市设计暴雨雨型研究J. 水科学进展, 1998, 9(1): 42-46.21赵冬泉,陈吉宁,佟庆远等.子汇水区的划分对SWMM模拟结果的影响研究J. 环境保护, 2008, 394：56-5922GB50014-2006, 室外排水设计规范S.