基于SWMM模型的老舊小區(qū)雨水管網(wǎng)設(shè)計(jì)研究

【摘 要】為提高老舊小區(qū)雨水排水管網(wǎng)應(yīng)對(duì)極端天氣排水能力，提出以SWMM模型為基礎(chǔ)，結(jié)合場(chǎng)地豎向條件，對(duì)雨水管網(wǎng)設(shè)計(jì)進(jìn)行模擬優(yōu)化，提出在提升小區(qū)排水安全的同時(shí)兼顧改造的經(jīng)濟(jì)性的改造方法，為老舊小區(qū)排水管網(wǎng)改造提供了參考。

【關(guān)鍵詞】SWMM模型； 老舊小區(qū)改造； 雨水管網(wǎng)； 內(nèi)澇防治

【中圖分類號(hào)】TU992.03+1【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A

0 引言

城市更新及老舊小區(qū)改造是近年來國(guó)家重點(diǎn)推行的民生改善工程，有效解決舊城資源整合的難題，推動(dòng)城市更新和開發(fā)建設(shè)方式轉(zhuǎn)型，促進(jìn)投資的涌入，滿足人民對(duì)美好生活需求。老舊小區(qū)改造基礎(chǔ)目標(biāo)是努力讓城市“有里有面”、 百姓安居樂業(yè)，解決積水內(nèi)澇的安全問題備受居民關(guān)注［1］。由于下墊面硬質(zhì)占比較大、管網(wǎng)破損嚴(yán)重、雨污合流等原因，頻發(fā)短歷時(shí)、強(qiáng)降雨天氣引起的雨水不能及時(shí)排走，從而引起小區(qū)內(nèi)部積水內(nèi)澇。因此，多數(shù)老舊小區(qū)將給排水管網(wǎng)改造納入重點(diǎn)優(yōu)先解決的問題［2］。

1 老舊小區(qū)室外雨水管網(wǎng)改造現(xiàn)狀分析

老舊小區(qū)室外雨水管網(wǎng)改造在實(shí)際過程中大多數(shù)只考慮在設(shè)計(jì)重現(xiàn)期內(nèi)順利將雨水排出，隨著海綿城市理念的興起，雨水排水改造也常結(jié)合海綿設(shè)施共同考慮，適當(dāng)對(duì)于場(chǎng)地雨水進(jìn)行滯蓄、緩排，該種結(jié)合方式對(duì)于場(chǎng)地中下雨控制具有顯著作用，但對(duì)于諸如大雨、暴雨等遠(yuǎn)超管網(wǎng)及海綿設(shè)施重現(xiàn)期情況下降雨引起的場(chǎng)地積水及內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)防范仍未引入有較為準(zhǔn)確的前期設(shè)計(jì)手段［3］。因此，對(duì)于此種情況，提出以SWMM模型為手段，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)重現(xiàn)期設(shè)計(jì)下的雨水管網(wǎng)及場(chǎng)地排水情況進(jìn)行模擬分析，并結(jié)合典型的內(nèi)澇重現(xiàn)期下降雨情況，提前預(yù)判場(chǎng)地存在的排水風(fēng)險(xiǎn)問題，優(yōu)化場(chǎng)地排水方式［4-8］。本次研究以成都某老舊小區(qū)改造為例，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)重現(xiàn)期（P=3年）及該區(qū)域歷史真實(shí)內(nèi)澇防治降雨情況下（P=50年，t=6 h，降雨量約158 mm）的排水情況為例，對(duì)傳統(tǒng)雨水排水設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化。

2 管網(wǎng)模擬分析

2.1 改造小區(qū)概況

如圖1所示，小區(qū)位于成都市某老舊片區(qū)，總面積約5 100 m2，其整體較為平整，高差不足0.5 m，無較大起伏。小區(qū)下墊面主要由普通硬質(zhì)屋面、硬質(zhì)道路廣場(chǎng)、綠地組成，無地下室，小區(qū)綜合雨量徑流系數(shù)約0.74（表1）。

2.2 基于SWMM模型的室外排水防澇分析

2.2.1 3年一遇2 h小區(qū)排水能力分析

小區(qū)初始設(shè)計(jì)管網(wǎng)布置情況如圖2所示，各管線參數(shù)見總計(jì)51250.74100表2，整個(gè)小區(qū)共分為1個(gè)排水分區(qū)，排水設(shè)計(jì)滿足重現(xiàn)期為3年排水要求，本次研究小區(qū)具有1個(gè)可用市政雨水接口，市政排水管徑為DN500。

根據(jù)成都市暴雨強(qiáng)度公式計(jì)算可知，小區(qū)在重現(xiàn)期P=3，降雨歷時(shí)t=10 min時(shí)，小區(qū)設(shè)計(jì)暴雨強(qiáng)度i=1.8 mm/min，雨水流量約Q=112 L/s。總排出管管徑為DN500，坡度約為0.002，粗糙系數(shù)n=0.009，設(shè)計(jì)排水能力約243 L/s，滿足排水要求。并通過模擬軟件對(duì)排水能力進(jìn)行評(píng)估，模擬采用徑流系數(shù)法，不考慮地表下滲等因素，雨型采用芝加哥雨型，雨峰系數(shù)取0.4，降雨歷時(shí)為2 h，時(shí)間間隔為5 min，總降雨量為61.7 mm，評(píng)估結(jié)果如表3所示，流速均為未超最大流速要求，各管段均正常出流，未產(chǎn)生帶壓管段及雨水溢出情況?？傮w來看，初始管線布置滿足3年一遇設(shè)計(jì)排水要求，但存在管道排水均勻性較差的情況。

2.2.2 50年一遇6 h小區(qū)排水能力分析

本次模擬以該區(qū)域歷史典型易澇的降雨數(shù)據(jù)作為管道網(wǎng)校核條件（50年一遇6 h降雨），總降雨量約158 mm，降雨情況如圖3所示。

為提升小區(qū)的排水安全及優(yōu)化排水管網(wǎng)設(shè)計(jì)提供參考。在該降雨條件下，小區(qū)管網(wǎng)出現(xiàn)了滿流帶壓的過流情況（本次將大于滿流5 min以上的排水狀態(tài)定義為過流。實(shí)際模擬過程中所有管段均出現(xiàn)過大于滿流的壓力流狀態(tài)），并在多個(gè)檢查井節(jié)點(diǎn)處模擬出現(xiàn)不同時(shí)間不同水量的積水情況，具體過流管段及最大積水量與壓力流管段見表4及圖4。

結(jié)合表4積水節(jié)點(diǎn)及積水量與過流管道的過流時(shí)間分析，管網(wǎng)壓力主要集中于Y9～Y12管段。Y16、Y13、Y14、Y1等雖有較大積水量，但相應(yīng)管段過流時(shí)間不長(zhǎng)，主要是受下游排水不暢引起，因此其積水點(diǎn)消除快。根據(jù)進(jìn)一步模擬分析，積水點(diǎn)主要分布在節(jié)點(diǎn)Y9處，位置詳見圖4，主要原因?yàn)椋孩僭撎帪楣艿绤R流節(jié)點(diǎn)排水壓力大，檢查井產(chǎn)生溢流；②該處豎向?yàn)閳?chǎng)地較低點(diǎn)，上游積水節(jié)點(diǎn)的水流通過地表形成徑流向該處匯流，形成雨水聚積。積水點(diǎn)深度及流量時(shí)間曲線詳見圖5、圖6。積水深度約為0.2 m，時(shí)間約15 min，最大積水量約8 m3，對(duì)居民出行有較大影響。

2.2.3 優(yōu)化措施及優(yōu)化后模擬分析

本次優(yōu)化原則以保障排水安全為主同時(shí)兼顧經(jīng)濟(jì)性。根據(jù)前述分析，在暴雨情況下，場(chǎng)地排水不暢并出現(xiàn)局部積水主要可能原因?yàn)楣芏蝁8～Y12排水能力不足造成，因此本次模擬優(yōu)化措施首先將Y8～Y11管管均放大一級(jí)，取DN500，坡度為0.002，模擬結(jié)果顯示通過放大一級(jí)該部分管段即可消除場(chǎng)地積水。

為進(jìn)一步優(yōu)化管網(wǎng)，尋求避免過度設(shè)計(jì)，本次進(jìn)一步將放大管段縮小至Y9～Y11，及Y10～Y11。模擬結(jié)果顯示，當(dāng)Y9～Y11均放大到DN500時(shí)，場(chǎng)地未出現(xiàn)積水情況，當(dāng)只將Y10～Y11管徑放大為DN500時(shí)，潛在積水節(jié)點(diǎn)及積水點(diǎn)仍存在。因此本次管網(wǎng)優(yōu)化措施主要分析兩種情況：①Y8～Y11管管均放大一級(jí)；②Y9～Y11管管均放大一級(jí)。兩種情況下場(chǎng)地均不產(chǎn)生積水，因此主要對(duì)比兩種情況管道過流情況。如表5所示，可見兩種情況下管網(wǎng)過流情況基本一致，Y8～Y9管段不是關(guān)鍵管段，因此結(jié)合經(jīng)濟(jì)原則，以及考慮到暴雨情況的頻率本次優(yōu)化選擇情況二的方式，即Y9～Y11管管均放大一級(jí)，取DN500，坡度取0.002。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文通過采用SWMM模型，結(jié)合實(shí)際實(shí)際工程案例改造，通過歷史內(nèi)澇發(fā)生時(shí)降雨情況，分析了傳統(tǒng)雨水設(shè)計(jì)情況小區(qū)在設(shè)計(jì)降雨與極端天氣情況下的排水能力，提出了較傳統(tǒng)設(shè)計(jì)相對(duì)準(zhǔn)確且更具針對(duì)性的優(yōu)化措施及設(shè)計(jì)思路。通過模擬分析，本項(xiàng)目只需簡(jiǎn)單對(duì)末端幾處管網(wǎng)進(jìn)行調(diào)整即可大幅提高場(chǎng)地排能力，減少內(nèi)澇隱患，對(duì)后續(xù)大量類似老舊小區(qū)管網(wǎng)改造具有較大的參考價(jià)值。同時(shí)，有條件的項(xiàng)目還可結(jié)合綠色海綿措施及調(diào)蓄池等進(jìn)一步優(yōu)化場(chǎng)地排水管網(wǎng)設(shè)計(jì)，以較為經(jīng)濟(jì)的方式提高場(chǎng)地排水安全保障。

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［基金項(xiàng)目］2020年度四川華西集團(tuán)科技項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：HXKX20201010）、2020年度四川省建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司科技項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：KYYN202014）

［作者簡(jiǎn)介］邱壯（1991—），男，碩士，工程師，從事給水排水及海綿城市研究及設(shè)計(jì)工作。