SWMM在城市排水系统雨季溢流问题中的应用

1、SWMM在城市排水系统雨季溢流问题中的应用论文导读:：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拟和量化分析，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，多数区域的降

2、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。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。合流制排水系统不仅承当着日常污水的排出，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。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；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，新建、改造陈旧排水管路以改善城

3、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 最大蓄水发生时间段(hr:min) 溢流时间min) J48 2.94 00:33-01:42 69 J49 2.94 00:33-01:42 67 J50 2.94 00:33-01:42 69 J51 2.94 00:33-01:42 69 J52 2.94 00:33-01:42 69 J53 2.94 00:32-01:41 69 J70 2.25 00:32-01:18 46 J71 2.25 00:32-01:18 46 J72 2.25 00:31-01:16 45 J73 2.25 00:31-01:16 45

4、 J74 2.25 00:31-01:16 45 J75 2.25 00:31-01:16 45 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

5、现实情况下，如果节点蓄水时间较长，如到达一个小时以上的，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根本相同，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，

6、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。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。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

7、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说明将下游管径为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

8、，其粗糙系数为0.012，经过模拟，其节点溢流时间将缩短7min。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节点内水深的影响图6 管道坡度对J50节点内水深的影响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

9、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

10、9所示，图9说明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。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

11、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.中国防洪假设干重大问题的思考. 水科学进展, 2021, 21(4):490-495.【3】Li, Y.X., Kang, J-H, Lau, S-L., Kayhanian, M., and Stenstrom, M. K.(2021) Optimization of Settling Tank Design to Remove Particles andMetals;. Journal of Environmental Engineering, ASCE, 134 (11), 885-894.【4】赵磊,杨

12、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. 环境科学学报, 2021,28(8): 1561-1570【5】王淑梅,王宝贞,曹向东等.对我国城市排水体制的探讨. 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. 给水排水,2021, 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拟给水排水，2007，33(4)：5l-55.Mannina G, Viviani G.Separate and combined sewer systems: a long-term modelling appr

13、oach. WaterScience Technology. 2021,60(3):555-565.刘兴坡,刘遂庆,李树平等.基于SWMM的排水管网模拟分析技术. 给水排水,2007,16(3): 29-34.Katherine L. Meierdiercks, James A. Smith, Mary Lynn Baech, etal(2021). Analysis of urban drainage network structure and its impact onhydrologic response. Journal of the American water resourcesa

14、ssociation(JAWRA), 46(5): 932-943.Chih-Hua Chang,Ching-Cumg Wen, Chih-Sheng Lee. Use of intercepted runoff death for storm waterrunoff management in induatrial parks in Taiwan. Water Resour Managage(2021)22: 1609-1623.E.W. Peterson , C.M. Wicks(2006) Assessing the importance ofconduit geometry and p

15、hysical parameters in karst systems using the storm watermanagement model(SWMM). Journal of Hydrology, 329: 294-305.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. 水利水电技术, 2006, 37(4): 64-67.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. 技术与应用, 2001,(1): 5-11.刘俊.城市雨洪模型研究. 河海大学学报, 1997,25(6).Lewis A. Rossman (2004). Storm Water Management Model UsersManual (Version 5.0). Water supply and water resource