基于SWMM 的雨水管道優(yōu)化設(shè)計

程 偉 王宏峰* 諶志濤

(1.華中科技大學(xué)文華學(xué)院城市工程建設(shè)學(xué)部，湖北武漢 430074;2.華中科技大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，湖北武漢 430074;3.中信建筑設(shè)計研究總院有限公司深圳市政分公司，廣東深圳 518000)

0 引言

近年來，我國大中城市頻繁發(fā)生漬水事件，造成了巨大的經(jīng)濟損失及社會影響［1］，這也暴露出城市雨水管道設(shè)計上存在著許多不足，為了對暴雨雨水進行有效的管理和控制，必須對降雨過程中地表積水、徑流以及管道過流量進行更加深入的認識、科學(xué)的預(yù)測，對整個管道系統(tǒng)進行模擬分析，尋找到最優(yōu)化的設(shè)計方案。

SWMM(Storm Water Management Model，暴雨洪水管理模型)是一個動態(tài)的降水—徑流模擬模型［2］，有學(xué)者從降雨徑流總量以及降雨徑流過程兩方面來驗證SWMM，所得誤差在可接受范圍之內(nèi)［3］，說明該模型適用性很強。因此本文采用SWMM為模擬工具［4］，選取典型平坦區(qū)域進行研究，對不同設(shè)計暴雨重現(xiàn)期和管道布置方式條件下管道系統(tǒng)的排水能力進行分析，對比兩種管道布置方式的優(yōu)劣，來為管道優(yōu)化設(shè)計提供技術(shù)支撐。

1 模型構(gòu)建

1.1 模擬區(qū)域選取

選取武漢市青山區(qū)南干渠區(qū)域作為雨水管道模擬計算區(qū)域，該區(qū)域總匯水面積720 hm2，地勢平坦，平均高程為22 m，地面平均坡度為2‰，排水體制為雨污分流，現(xiàn)狀管道多為1 m以上的管道或明渠。

采用垂直和水平兩種管道布置形式對該區(qū)域進行雨水管道方案設(shè)計，得到兩種方案的模擬節(jié)點圖，具體布置如圖1所示。

1.2 參數(shù)選擇

1)模型選擇。

Horton下滲模型和Green-Ampt下滲模型是常用的地面產(chǎn)流計算模型，而Green-Ampt下滲模型對土壤資料要求較高［5］，本區(qū)域土壤資料不夠齊全，因此采用Horton下滲模型進行計算。

2)區(qū)域參數(shù)選擇。

根據(jù)典型區(qū)域的特點，無洼蓄量的不透水地表占總不透水地表的50%。透水地表和不透水地表的洼蓄量分別取5.0 mm，2.0 mm。透水面、不透水面、管道的曼寧系數(shù)分別取0.100，0.010，0.020。

3)暴雨強度公式。

采用2000年漢口暴雨強度公式:

式中:q——暴雨強度，L/(s·ha);

P——設(shè)計暴雨重現(xiàn)期，分別取 P=1年，P=1.5年，P=2年，P=5年，P=10年;

t——集水時間，min。

圖1 雨水管道SWMM模擬節(jié)點圖

4)其他設(shè)計參數(shù)。

兩種布置方案所采用的管材均為鋼筋混凝土管，管徑按標準管徑選取，最小管徑取為600 mm，圓管的最大直徑取1 800 mm，超過即采用箱涵，其他設(shè)計參數(shù)均相同。如徑流系數(shù)0.77;折減系數(shù)2.0;明溝折減系數(shù)1.2;地面集流時間15.00 min;管道連接方式:管頂平接;最小覆土深度0.70 m;最大凍土深度0.80 m。

1.3 雨量資料選取

排水管網(wǎng)系統(tǒng)的模擬一般采用設(shè)計暴雨作為雨量資料進行分析［6］，但本文結(jié)合實際情況，為更好的了解實際的管網(wǎng)排水能力，從武漢氣象局提供的10場暴雨中選取瞬時降雨強度最大的實際雨量資料對兩個方案進行模擬，更有針對性，降雨歷時數(shù)據(jù)如圖2所示。這場暴雨歷時10 h，其中第5 h的時候出現(xiàn)瞬時最大暴雨強度116.4 mm/h，總降雨量達到190 mm，達到5年一遇的暴雨，接近特大暴雨。

圖2 降雨歷時曲線

2 結(jié)果分析

2.1 節(jié)點漬水情況分析

在前文所述的實際暴雨情況下，分別對兩種管道布置形式在P=1年時的管網(wǎng)排水能力進行分析，結(jié)果表明兩種布置形式均發(fā)生了漬水現(xiàn)象，現(xiàn)對垂直式布置方式中發(fā)生漬水的管道1(DN600)和管道2(DN800)進行過流能力分析，得出兩根管道的流量歷時變化圖和排水容量歷時變化圖，具體見圖3和圖4。

圖3 管道流量歷時變化

圖4 管道容量歷時變化

由設(shè)計資料可知，管道1和管道2的設(shè)計管道過流能力分別是0.235 m3/s和0.494 m3/s，由圖3可知，在降雨進行4 h之后，管道的流量開始迅速增加，到達5 h時管道1和管道2的流量分別達到了0.4 m3/s和0.8 m3/s，遠遠超出了其設(shè)計流量，由圖4可以看出，在接近5 h的時候，管道的排水容量已經(jīng)達到了極限，發(fā)生漬水現(xiàn)象。在8 h以后緩慢降下來，這是由于降雨后期，降雨強度減小，地面徑流減少，雨水管網(wǎng)中流量降低。

許多學(xué)者也采用SWMM對管道的實際過流能力進行了分析，李彥偉等［7］提出改變節(jié)點高程和增大管徑這兩種方式進行管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計，發(fā)現(xiàn)增大管徑效果較為理想，而增大設(shè)計管徑可以通過提高設(shè)計暴雨重現(xiàn)期來實現(xiàn)，因此，要提高設(shè)計管道的過流能力，就要提高設(shè)計暴雨重現(xiàn)期，使之達到暴雨的排水要求，這樣才能有效減少漬水現(xiàn)象的發(fā)生。

2.2 重現(xiàn)期及布置方式的影響

采用 P=1年，P=1.5年，P=2年，P=5年，P=10年的重現(xiàn)期，在暴雨條件下對兩種管道布置形式的管網(wǎng)排水能力分別進行模擬分析，管網(wǎng)的漬水情況如表1所示。

由表1可知，當管網(wǎng)的設(shè)計暴雨重現(xiàn)期P=1年時，垂直式管道布置方式有92個檢查井發(fā)生了漬水現(xiàn)象，而水平式管道布置方式有59個檢查井發(fā)生漬水，這是由于垂直式布置方式在管網(wǎng)前段管徑都比較小，只有在主干管上管徑增加幅度很大，在暴雨來臨時，主干管一旦滿流，支管必然發(fā)生漬水，發(fā)生漬水的檢查井較多，而水平式管道布置方式由于有多條平行的干管，分擔(dān)了主干管的排水壓力，漬水節(jié)點數(shù)相對較少，但最大漬水時間與垂直式相比基本一樣，同樣滿足不了暴雨的排水要求。

表1 暴雨條件下管網(wǎng)漬水情況

隨著重現(xiàn)期的提高，兩種方案的漬水節(jié)點數(shù)明顯下降，如圖5所示，但垂直式的下降速度更快，到P=2年時，只有12%的檢查井發(fā)生漬水，水平式則有25%的檢查井發(fā)生漬水，這說明在平坦區(qū)域，垂直式管道布置方式隨著重現(xiàn)期的提高可以有效減少檢查井漬水的數(shù)目，提高管道整體排水能力，同時減少由于漬水所產(chǎn)生的經(jīng)濟損失和其帶來的社會影響。

圖5 漬水節(jié)點數(shù)占總節(jié)點數(shù)的百分比分布圖

3 結(jié)論與展望

1)在氣象局提供的典型暴雨條件下設(shè)計雨水管道P=1年時兩種布置方式均發(fā)生漬水，不能滿足排水要求。

2)根據(jù)實際的漬水情況可以看出:垂直式的管道布置方式隨著重現(xiàn)期的提高，漬水明顯減少，因此，在平坦區(qū)域提高設(shè)計暴雨重現(xiàn)期后，雨水管道采用垂直式布置方式更加合理。

3)要減少管網(wǎng)漬水現(xiàn)象，除管道布置合理外，還需提高設(shè)計暴雨重現(xiàn)期，增加設(shè)計雨水管道的過流能力。

［1］ 趙旭雯，張敏芳.“十二五”城市排水系統(tǒng)建設(shè)的探討［J］.水工業(yè)市場，2012(8):7-27.

［2］ Rossman L A.Storm water management model user’s manual(Version 5.0).2004.

［3］ 張 倩，蘇保林，袁軍營.城市居民小區(qū)SWMM降雨徑流過程模擬——以營口市貴都花園小區(qū)為例［J］.北京師范大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2012(3):276-281.

［4］ Jang S M Cho.Using SWMM as a Tool for Hydrologic Impact Assessment［J］.Desalination，212(1-3):344-356.

［5］ 王 祥，張行南，張文婷，等.基于SWMM的城市雨水管網(wǎng)排水能力分析［J］.三峽大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2011(1):5-8.

［6］ 劉興坡，劉遂慶，李樹平，等.基于SWMM的排水管網(wǎng)系統(tǒng)模擬分析技術(shù)［J］.給水排水，2007(4):105-108.

［7］ 李彥偉，尤學(xué)一，季 民，等.基于SWMM模型的雨水管網(wǎng)優(yōu)化［J］.中國給水排水，2010(23):40-43.