基于SWMM模型的管網(wǎng)雨污分流改造效果評估研究

潘正可 李翔泉

摘要：以湖南省益陽市秀峰湖片區(qū)為研究對象，利用SWMM模型分別構(gòu)建現(xiàn)狀及雨污分流改造工程實施后的概化雨污水模型，并采用2 a一遇的設(shè)計降雨模擬和量化評估項目建設(shè)效果。研究結(jié)果表明：① 沿金山路33.1%的管段不滿足2 a一遇排水能力要求，在設(shè)計降雨條件下片區(qū)溢流至資江的合流污水量約27.41萬t;② 改建后的污水系統(tǒng)全部能滿足設(shè)計工況下的排污要求，實現(xiàn)污水系統(tǒng)不溢流，污水管網(wǎng)不過載;③ 改建后的雨水系統(tǒng)能顯著緩解金山路沿線的內(nèi)澇問題，并削減了西流灣泵站處峰值流量3.5 m3/s。

關(guān)鍵詞：雨污分流; 排水管網(wǎng)模擬; SWMM; 益陽市; 秀峰湖片區(qū)

中圖法分類號： X522 文獻標志碼：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2022.06.020

文章編號：1006 - 0081（2022）06 - 0110 - 07

0 引 言

在開展雨污分流提升改造和市政排水系統(tǒng)提質(zhì)增效項目中[1-4]，如何定量評估項目實施前后的改造效果是一大難題[5-8]。目前關(guān)于管網(wǎng)雨污分流改造項目的研究主要集中于現(xiàn)狀管網(wǎng)的模擬和效能評估[9-11]。例如，Zhang 等[12]利用城市暴雨管理模型（Storm Water Management Model，SWMM）模擬了湖北省恩施市一個片區(qū)的降雨-徑流和管網(wǎng)匯流過程，結(jié)果表明：SWMM軟件能夠較為可靠地模擬研究區(qū)在設(shè)計條件下的排水能力。王嘉儀等[13]通過耦合氣象、水文和城市雨洪模型，模擬研究了河南省鄭州市運糧河組團的洪澇風險，并為該片區(qū)的排水系統(tǒng)規(guī)劃提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)?，F(xiàn)有的相關(guān)研究主要聚焦于單一分流制排水體制或合流制排水體制下的現(xiàn)狀雨（污）水過流能力模擬，目前仍缺乏復(fù)雜排水體制條件下（即片區(qū)同時包含分流制排水單元和合流制排水單元）城市排水網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)化改造效果方面的評估研究。因此，本研究以長江中下游的湖南省益陽市秀峰湖片區(qū)（部分為分流制排水體制，部分為合流制排水體制）為研究對象，利用SWMM模型模擬和評估管網(wǎng)雨污分流改造項目建設(shè)對城鎮(zhèn)水環(huán)境提升和片區(qū)內(nèi)澇削減的效果，并為后續(xù)長江流域城鎮(zhèn)管網(wǎng)改造設(shè)計和評估提供參考。

1 區(qū)域概況

1.1 研究區(qū)域概況

益陽市位于長江中下游平原，地處湖南中偏北部，跨越資水中下游，環(huán)洞庭湖西南。市境屬亞熱帶大陸性季風濕潤氣候，年降雨量1 230 ～1 700 mm，年平均氣溫16.1～16.9 ℃，夏季雨水豐富，雨熱同期，暴雨日數(shù)多。市域內(nèi)地形西高東低，呈狹長狀。此外，益陽市緊鄰湖南核心增長極長沙市，又是洞庭湖生態(tài)經(jīng)濟區(qū)的重要組成部分，區(qū)位優(yōu)勢明顯，近年來經(jīng)濟發(fā)展迅速。益陽市共下轄7個區(qū)縣和1個高新區(qū)，其中主城區(qū)主要由資陽區(qū)和赫山區(qū)組成，主城區(qū)總面積約為1 851 km2。

秀峰湖片區(qū)位于益陽市赫山區(qū)西北，資江南側(cè)。其范圍主要包括南至鹿角園路、北至資江、西至云樹路、東至康富路所圍區(qū)域，總面積約為9.58 km2，是益陽市開發(fā)強度最高的中心城區(qū)部分之一。該片區(qū)地形地勢東西高、中間低，低處基本在金山路、秀峰湖公園一線;南北方向則由南往北逐步降低，坡向資江，最低點在秀峰湖處。益陽市及秀峰湖片區(qū)地理位置如圖1所示。

1.2 研究區(qū)排水現(xiàn)狀

秀峰湖片區(qū)以益陽大道為界，南側(cè)主干道（金山路、康富路、玉蘭路）已按分流排水體制分別建設(shè)有雨水管和污水管，而益陽大道以北片區(qū)仍為雨污合流制排水體制，上游分流制管道匯合接入現(xiàn)狀合流管渠，導(dǎo)致整個區(qū)域仍為雨污合流制。此外，根據(jù)“高水高排、低水低排”的原則確定排水分區(qū)，該片區(qū)參照地面高程及防洪規(guī)劃要求，確定地面高程低于資江100 a一遇防洪需求的區(qū)域為低排區(qū)，反之為高排區(qū)。具體而言，片區(qū)內(nèi)海棠路以北、金山路以西為低排區(qū)，其余片區(qū)為高排區(qū)。秀峰片區(qū)的排口位于片區(qū)最北側(cè)，即西流灣泵站處。

根據(jù)前期調(diào)查研究結(jié)果，該片區(qū)現(xiàn)狀排水主要存在以下兩個問題。

（1） 片區(qū)排水體制為雨污合流制，雨季存在污水溢流至資江的情況。片區(qū)內(nèi)污水通過最下游的西流灣泵站提升至團洲污水處理廠，因泵站提升能力有限，導(dǎo)致雨季有部分合流污水溢流至資江，而溢流口位于益陽市第三水廠飲用水水源一級保護區(qū)范圍內(nèi)，直接威脅飲用水水質(zhì)。

（2） 金山路沿線為秀峰湖片區(qū)最低處，東西兩側(cè)向金山路沿線匯流，沿線管網(wǎng)排水能力不足，部分路段雨季內(nèi)澇多發(fā)，影響市民出行安全;此外，由于管網(wǎng)為雨污合流，內(nèi)澇漬水臟，水安全風險突出。

2 SWMM模型構(gòu)建

2.1 模型簡介

SWMM是美國國家環(huán)境保護局（U.S. Environmental Protection Agency，USEPA）研發(fā)的城市暴雨管理模型，主要用于城市區(qū)域徑流水量和水質(zhì)的單一事件或者長期（連續(xù)）模擬評估，模型主要包括水文、水力、水質(zhì)和低影響開發(fā)模塊[12，13-16]。該模型自開發(fā)以來，在世界范圍內(nèi)已被廣泛用于城市地區(qū)的暴雨洪水、合流式下水道、排污管道以及其他排水系統(tǒng)的規(guī)劃、分析和設(shè)計工作[16-18]。

根據(jù)GB 50014-2021《室外排水設(shè)計規(guī)范》，當匯水面積超過2 km2時，宜采用數(shù)學模型法計算雨水設(shè)計流量。因此，本文采用SWMM排水模型對管網(wǎng)匯流進行管道過流能力校核和雨污水設(shè)計流量的模擬計算。

2.2 模型計算原理

SWMM首先以片區(qū)數(shù)字高程模型（DEM）為基礎(chǔ)將研究區(qū)劃分為多個子匯水區(qū)，在每個匯水區(qū)內(nèi)，分別進行地表產(chǎn)流和地表匯流計算，模型采用超滲產(chǎn)流計算，產(chǎn)流計算模式共有Horton下滲模式、Green-Ampt下滲曲線和SCS徑流曲線3種方式。其中Horton下滲模式因其計算便捷、結(jié)果合理等特性而被廣泛應(yīng)用。SWMM坡面匯流計算采用非線性水庫計算。SWMM模型主要通過質(zhì)量守恒和動量守恒方程計算管道中的恒定流和非恒定流。模型內(nèi)管網(wǎng)計算主要方法包括：恒定流法、運動波法以及動力波法。3種計算方法對比而言，由于動力波法是通過求解完整的一維非恒定流Saint-Vennant方程組（式1）來進行河道演算，理論計算結(jié)果最為準確。因此，本文產(chǎn)流計算采用Horton下滲模式，管網(wǎng)匯流采用動力波法計算。

式中：[x]為距離;t為時間;A為過流斷面面積;Q為流量;H為管渠中水頭;Sf為摩擦坡度（單位長度水頭損失）;g為重力加速度。

2.3 模型概化和參數(shù)確定

2.3.1 匯水區(qū)概化

以研究片區(qū)DEM數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)、并結(jié)合泰森多邊形和人工修正法，開展區(qū)域雨水匯水區(qū)劃分工作。經(jīng)過概化后，現(xiàn)狀合流制排水管網(wǎng)模型共計有1 498個檢查井，1個排放口（西流灣泵站），1 497個管段，1 498個匯水區(qū)。匯水區(qū)劃分如圖2所示。

2.3.2 模型參數(shù)確定

在建模過程中，基于區(qū)域內(nèi)相關(guān)數(shù)據(jù)收集和實地測量工作，并結(jié)合相關(guān)模型手冊和文獻進行模型參數(shù)的設(shè)置。參數(shù)設(shè)置內(nèi)容具體包括旱季入流參數(shù)（包括日入流量、入流變化曲線等）、管網(wǎng)匯流參數(shù)（包括曼寧糙率系數(shù)等）和模型邊界條件（包括下游邊界條件等）。此外，利用GIS空間地理數(shù)據(jù)分析技術(shù)和矯正方法，獲取各子匯水區(qū)重要水文參數(shù)。模型參數(shù)具體情況如表1所示。此外，各監(jiān)測點位的流量、流速以及各污染物的濃度采用分晴雨天實測方式獲取，各污染物濃度衰減系數(shù)利用實測數(shù)據(jù)率定得到。其中，在關(guān)鍵位置實施連續(xù)多日監(jiān)測，采用每日多次取樣檢測方式測定。

2.4 模型輸入

根據(jù)益陽市相關(guān)上位規(guī)劃文件要求，新建城區(qū)城市道路雨水管道設(shè)計暴雨重現(xiàn)期按2 a進行設(shè)計;下墊面條件差，地勢較低的地區(qū)、重要的商業(yè)區(qū)和學校醫(yī)院等采用3 a進行設(shè)計。綜合考慮秀峰湖片區(qū)的實際情況，該片區(qū)的設(shè)計暴雨重現(xiàn)期按照2 a考慮。

益陽市設(shè)計暴雨強度采用益陽市新編暴雨強度公式計算，具體如式（2）所示：

式中：q為設(shè)計暴雨強度;P為設(shè)計重現(xiàn)期，取2 a;設(shè)計降水歷時t=t1+t2，其中t1為地面集水時間，t2為管渠內(nèi)雨水流行時間。

參考規(guī)劃要求并根據(jù)益陽市暴雨強度公式，通過芝加哥暴雨生成器建立重現(xiàn)期為2 a、降雨歷時為120 min、雨峰系數(shù)為0.25的降雨事件，并對現(xiàn)有管網(wǎng)進行模擬，降雨過程線如圖3所示。

由于區(qū)域內(nèi)的排水管道大部分為合流制管道，在對現(xiàn)狀排水系統(tǒng)進行排水能力模擬的同時考慮了合流管道污水的匯入，污水流量具體通過對晴天合流管道的污水流量進行實測獲得。此外，本次模擬同時考慮了區(qū)域內(nèi)污水及污染物在管道內(nèi)的遷移分解過程。模擬污染物類型主要包括：COD、氨氮、總氮和總磷。模擬運行開始時間以降雨事件開始時間為準，結(jié)束時間比降雨結(jié)束時間推遲5～6 h，晴雨天匯流計算步長均為1 min，結(jié)果展示匯報步長為10 min。

3 現(xiàn)狀排水系統(tǒng)排水能力評估

模擬的溢流節(jié)點和過載管道分布如圖4所示。圖中藍色線條表示不滿足2 a一遇重現(xiàn)期工況的管段。紅色點表示可能的溢流點。

不滿足2 a一遇排水能力的管段主要集中在金山路一線（主要包括益陽大道-秀峰湖段，玉蘭路-海棠路段），不滿足設(shè)計標準的管段約占金山路沿線市政管段的33.1%。選取金山南路（鹿角園路-海棠路管段）為例說明管道過載情況。圖5為該管段的縱斷面示意，表明在2 a一遇的工況下金山南路（江海路-海棠路管段）在該時段內(nèi)有管道過載現(xiàn)象。此外，經(jīng)實地踏勘和現(xiàn)場核對，通過模型模擬得到的現(xiàn)狀過載管段、潛在溢流位置結(jié)果與實際情況總體一致。

秀峰片區(qū)最低點，即西流灣泵站位置處，其現(xiàn)狀最大排放能力為19.89 m3/s （排漬18.78 m3/s+排污1.11 m3/s），而在模擬時段內(nèi)流經(jīng)西流灣泵站的峰值流量達到35.78 m3/s，表明在徑流峰值的前后時段西流灣泵站處將出現(xiàn)溢流情況。經(jīng)校核，《益陽市排水（雨水）管網(wǎng)系統(tǒng)規(guī)劃》中西流灣泵站處的需排水量為36.68 m3/s，與該次模擬結(jié)果相近。由此發(fā)現(xiàn)SWMM模型對管網(wǎng)現(xiàn)狀排水能力進行模擬的結(jié)果與上位規(guī)劃結(jié)果總體一致。

西流灣泵站處的匯總流量過程及低排區(qū)和高排區(qū)管涵各自的匯水流量過程如圖6所示。

計算設(shè)計工況下該場次暴雨徑流事件導(dǎo)致的溢流水量和溢流污染物的質(zhì)量。結(jié)果表明：設(shè)計暴雨事件將導(dǎo)致約27.41萬t的溢流水量排入到資江內(nèi)。在溢流的水量內(nèi)分別估計得到各種污染物的質(zhì)量：COD為41.2 t;氨氮為133.4 kg;總磷為103.1 kg;總氮為3.20 t。

4 設(shè)計排水系統(tǒng)排水能力評估

4.1 方案設(shè)計

依據(jù)規(guī)劃要求，根據(jù)模擬結(jié)果和現(xiàn)場調(diào)研開展方案設(shè)計工作。具體設(shè)計內(nèi)容包括：

（1） 污水管網(wǎng)布置。利用現(xiàn)狀合流管道并新建污水管，以金山路下方污水管道為區(qū)域污水主通道，新建片區(qū)污水管均坡向該主干管，圍山渠（位于秀峰湖東側(cè)的排水渠）東側(cè)污水管穿過圍山渠后接入金山路污水管，后沿秀峰湖東側(cè)新建污水主干管，最終污水主干管接入西流灣污水泵站后提升進入團洲污水處理廠。污水管網(wǎng)總體布置如圖7（a）所示。

（2） 雨水管網(wǎng)布置。① 實施秀峰湖片區(qū)管道及西流灣泵站雨污分流，保證雨水管道內(nèi)日常無積水，充分發(fā)揮管道的調(diào)蓄及過流能力; ② 擴建西流灣雨水泵站并連通秀峰湖，提高排澇能力;③ 新建金山路（益陽大道-秀峰湖2 m[×]2 m雨水管道、秀峰湖-濱江路-西流灣泵站DN2000管段以緩解金山北路內(nèi)澇問題;④ 新建梓山路-丁香路-海棠路DN1800管道，接入秀峰湖東側(cè)圍山渠，解決金山路南段管道過流能力不足問題;⑤ 由于部分合流管道改為污水管道，在其附近新建相應(yīng)雨水管道?？傮w布置如圖7（b）所示。

4.2 工程建設(shè)效果評估

4.2.1 污水管網(wǎng)改建效果評估

在實施雨污分流后，對規(guī)劃污水管道和雨水管道在2 a重現(xiàn)期下的排污和排水能力分別進行模擬。首先對改建后的污水管道建模。模型模擬結(jié)果表明：污水管道改建后，模擬時段內(nèi)片區(qū)內(nèi)產(chǎn)生的所有污水全部能匯流到西流灣泵站，全部污水管網(wǎng)不過載，且不造成污水溢流至資江。金山路（鹿角園路-秀峰湖）管段和秀峰湖-西流灣泵站處的管段縱截面如圖8所示。由此表明雨污分流改造項目能顯著削減入江污染物量、改善污水溢流進入保護區(qū)和城市水污染問題，將大幅改善河湖水質(zhì)和提升城市景觀形象，對改善居民生活條件、提升市民健康水平有十分重要的作用。

4.2.2 雨水管網(wǎng)改建效果評估

對改建后的雨水管網(wǎng)在2 a重現(xiàn)期下的排水能力建模，西流灣泵站處、低排區(qū)和高排區(qū)的匯水流量過程結(jié)果如圖9所示。

模擬結(jié)果表明：通過考慮秀峰湖的調(diào)蓄作用和管網(wǎng)改造，雨污分流改造后西流灣泵站處的最大流量為32.28 m3/s，與改造前相比，峰值流量減少9.8%（3.5 m3/s）。金山路管涵匯水區(qū)峰值流量為19.23 m3/s，同比增大47.3%;圍山渠峰值流量為14.83 m3/s，同比減少38.3%。此外，分析改造后的排水管網(wǎng)過道過載發(fā)現(xiàn)，管網(wǎng)改造后片區(qū)內(nèi)的管道過載現(xiàn)象得到有效緩解，金山路沿線的溢流和過載現(xiàn)象基本消失。此外，通過泵站改擴建，提升西流灣泵站的最大排澇能力[Qmax]至33～34 m3/s，消除了因外排能力不足導(dǎo)致的泵站前池壅水外溢現(xiàn)象。

4.2.3 內(nèi)澇風險評估

根據(jù)規(guī)劃要求，結(jié)合SWMM模型和ArcGIS軟件開展片區(qū)的內(nèi)澇評估，評估改建前后的雨水管網(wǎng)在30 a一遇6 h設(shè)計暴雨下的內(nèi)澇風險情況，具體評估片區(qū)在設(shè)計工況下改建前后的最大積水深度、以及退水3 h后的積水深度。結(jié)果如圖10所示。

模擬結(jié)果表明：在雨水管網(wǎng)改造前，金山路、益陽大道、桐子壩巷、梓山路、玉蘭路等路段都發(fā)生明顯的內(nèi)澇積水現(xiàn)象，其中以金山路，特別是秀峰湖西廣場內(nèi)澇積水尤為嚴重，最大積水深度超過1 m，以上內(nèi)澇現(xiàn)象與實際調(diào)研基本相符。此外，由于泵站抽排能力不足，片區(qū)雨水沿地勢匯入秀峰湖，這體現(xiàn)出湖泊的調(diào)蓄功能對于減輕城市內(nèi)澇是有益的。雨后3 h，經(jīng)過泵站強排，片區(qū)內(nèi)的路段積水基本退去。對秀峰湖片區(qū)雨水管網(wǎng)進行系統(tǒng)改造后，特別是增大西流灣泵站的強排能力后，區(qū)域內(nèi)各處的最大積水受限于管網(wǎng)輸運能力而積水范圍不變，但程度有所減輕，且雨后市政道路的積水退水明顯加快，充分展示了治理成效。

5 結(jié) 論

本文以SWMM模型為基礎(chǔ)，以2 a一遇的設(shè)計降雨和實測污水污染物數(shù)據(jù)為輸入，分別構(gòu)建了益陽市秀峰湖片區(qū)現(xiàn)狀雨污合流制排水系統(tǒng)、雨污分流改造工程實施后的雨水管網(wǎng)和污水管網(wǎng)系統(tǒng)的概化模型，評估研究區(qū)在改造前后的管網(wǎng)排水排污能力以及項目建設(shè)效果，后采用30 a一遇的6 h降雨校核片區(qū)工程實施前后的內(nèi)澇情況，具體結(jié)論如下。

（1） 現(xiàn)狀不滿足2 a一遇排水能力的管段和溢流點主要集中在金山路（益陽大道—秀峰湖段，玉蘭路—海棠路段），在設(shè)計降雨條件下溢流至資江的合流污水量約27.41萬t。

（2） 改建的污水系統(tǒng)能滿足設(shè)計工況下的排污要求，污水系統(tǒng)不溢流，污水管網(wǎng)全部不過載，晴雨季全部污染物均能通過西流灣泵站輸送至團洲污水處理廠。

（3） 改建的排水系統(tǒng)能滿足設(shè)計工況下的排水要求，西流灣泵站處峰值流量削減了9.8%（3.5 m3/s），金山北路和金山南路的內(nèi)澇問題得到有效解決。

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Effect evaluation of reconstruction of rainwater and sewage diversion network based on SWMM in Xiufeng Lake area of Yiyang City

PAN Zhengke， LI Xiangquan

（Changjiang Survey， Planning， Design and Research Co.， Ltd.， Wuhan 430010， China）

Abstract： In order to simulate and quantify the effects of the reconstruction of a rainwater and sewage diversion system in Xiufeng Lake area of Yiyang city， Hunan provinces，we firstly used the Storm Water Management Model （SWMM） to generalize the current Combined Sewer System and the projected Separate Sewer System after construction of rainwater and sewage diversion system. Secondly， the designed rainfall event with a return period of 2-years was applied in the study area. The results indicated that ① 33.1% of current pipe sections along Jinshan Road could not meet the rainwater drainage ability of the return period of the 2-years. Under the designed rainfall event， the combined sewage overflowing from the study area to the Zijiang river was about 274，100 tons. ② Reconstructed sewage system could satisfy the maximum sewage-disposal requirements under the design conditions， and realize that the constructed sewage system would not overflow and the sewage pipe network would not overload. ③ Reconstructed rainwater system could significantly alleviate the waterlogging problem along the Jinshan Road and the peak flow at the Xiliuwan Pumping Station is reduced by 3.5 m3/s.

Key words：distribution and reconstruction of rainwater and sewage; drainage network simulation; SWMM;? Yiyang city; Hunan Province