基于swmm模型的排水系统瓶颈制约分析及改造方案研究

基于swmm模型的排水系统瓶颈制约分析及改造方案研究

如果降水量过大，管道网的压力就太大，雨水就无法立即排放。在城市的低地形成一个池塘，严重影响了城市交通和居民的生活。因此,利用数值模拟手段,了解城市雨水管网运行现状,合理进行排水管网优化与改扩建是十分必要和紧迫的。自20世纪70年代起,美国等发达国家开始利用数学模型模拟城市地表径流对降雨事件的响应过程,用于城市防洪规划和管网的优化。Pomeroy等以美国53年的降雨资料为依据,利用SWMM模型进行水文和水动力学模拟,提出通过减小径流量以及优化水质来降低渠道的侵蚀潜力的观点。我国城市排水管网的数字化研究起步较晚,但近年来也取得了一些成果[3、4]。笔者通过模拟不同重现期下的降雨过程、管道内雨水流动以及地面积水情况,找出了排水系统的“瓶颈制约”,同时提出了改造措施并对改造措施进行评估,旨在为排水管网的优化与改扩建提供理论和技术指导。1模型和模拟方法1.1城市雨水管网支管的s没有模型建立利用研究区域的管网数据信息(管网的空间位置、节点高程、管长、管径、流向、坡度等属性数据),通过ArcGIS对管网节点(检查井)和汇水区(利用ArcGIS水文分析功能自动划分汇水区)进行分析处理,并将结果输入SWMM模型中,以便后面的研究。所选区域检查井众多,笔者只对功能性突出、对模拟产生直接影响的检查井进行研究。根据区域地形以及管网图,将汇水区内的管网简化后直接汇流到城市雨水管网支管中。管网概化后的检查井和管道见图1。1.2生成dem图将导入到ArcGIS的CAD图转换成矢量式数据,添加相关属性后,利用3D分析生成TIN表面,然后转换成DEM数据。1.3swmm模型的建立将DEM数据图经过流向分析,利用Basins工具提取自然汇水区,然后利用Thiessen多边形工具,将获得的自然汇水区进一步划分,使每一个出水口对应一个汇水区。由于研究区域的地势相对平坦,利用自然汇水划分得到的汇水区并不能完全反映实际的汇水情况,笔者采用Thiessen多边形和修改工具进行调整,使划分结果更具实际意义。将生成的汇水区图导入SWMM模型生成子汇水区模型。通过ArcGIS分析得到的数据,其中SWMM模型需要的数据包括:埋深(点要素);入口和出口偏移量、曼宁系数(线要素);平均坡度、不透水面积、透水区和不透水区的洼蓄量、透水区和不透水区的粗糙率(面要素)。2案例分析2.1雨水管道的设计选取某区域为研究对象,该区域面积为360hm2,平均坡度很小,可忽略不计。地面标高在3m左右,管道的最小埋深为1.5m。地面多为沥青地面,建筑物多为住宅区,各汇水区的不透水面积率为60%~75%,排水体制为分流制,雨水管道的总长在6000m以上。雨水汇流至城市雨水管网中,分别流向区域范围内的两个排水口O1、O2(见图1),然后排至河流。2.2资料来源及模型参数模型中的确定性参数(汇水面积、管道长度等)在SWMM中绘制时自动生成,中间参数经ArcGIS数据分析得到,其他不确定性参数参考国内外研究成果[3~5]及研究区域的地面特征设定。渗透采用Horton模型,最大入渗率、最小入渗率和入渗递减率分别取76.2mm/h、3.81mm/h和0.0006h-1,透水区和不透水区的曼宁系数分别取0.03和0.015,混凝土管道的粗糙系数为0.013,透水区和不透水区的洼蓄量分别为12和2mm。计算中降雨历时为4h,计算时间步长为5min。2.3排水侧管道适用暴雨重现期(P)分别取1、2、5、10、20a,分别对节点溢流和管道过载情况进行模拟,发现部分检查井积水时间较长。如当P=2a时,33、36号检查井溢流时间最长;此时,部分管道过载现象比较严重,说明管道排水负荷已经偏高,其中管道34、37过载最严重。溢流严重的节点和过载管道的相关数据(含管网优化后的相关数据)见表1。随着管网的运行,一些固体颗粒物等进入管道造成淤积,使管道的有效管径减小、管壁粗糙度增大,造成淤积段水流不畅。当P=2a时,假设所有管道都淤积0.1m,模拟管网的运行状况。结果显示,整个排水系统的积水和管道过载程度明显加重,下游的淤积使上游管段的淤积加重,其中起始管段受到的影响最大。在4h的降雨历时下,整个排水系统的溢流量增加了1890m3,即增加了21.14%,相关数据见表2。下游管道的淤积又影响了上游管道水流的及时排除,使其流速减慢,增大了上游管网发生淤积的风险,造成恶性循环;同时,淤积造成上游的雨水无法顺畅地排入下游,降低了管网的运行效率;而且淤积严重时,还会缩短管道的使用寿命,并且可能发生爆裂事故。因此,对管道进行定期清淤是十分必要的。2.4核查排水系统内的排水分区是否合理管网改造措施主要包括:结构改造、设施改造、布局改造和BMPs(最佳管理实践)措施等。基于SWMM的计算结果分析节点溢流原因:首先,核查其上游的排水分区是否合理、地势是否低洼等,然后核查积水点下游管段的管径是否过小、坡度是否过缓、管道是否堵塞;确定无误后,根据改造目的结合施工难度、施工造价和运行成本等方面综合考虑并选择改造方案,实现系统运行性能的最优化。考虑到新建管道以及增设蓄水池的工程造价较高,且研究区域的“瓶颈”区域较小,笔者采用改变节点高程和管径这两种方法缓解地面积水和管道过载状况,并且对两种改造方案的运行状况进行评估。2.4.1排水系统的溢流和实践为了缓解33和36号检查井的溢流状况,分析此区域的水流和管道埋设情况可知,需要增大下游管道的坡度。当P=2a时,在不造成下游节点溢流的前提下,将31、32、35号检查井的井底高程分别由-0.025、0.485、0.71m降到-0.55、-0.30、-0.10m。结果显示,节点33的最大溢流量由1.35m3/s降至1.11m3/s,而且较大流量(>0.5m3/s)的持续时间由原来的120min减至55min。在4h的降雨历时下,节点33和36的溢流量分别减小了1673和1326m3,同时下游管道34、37的过载程度明显降低(见表1)。整个排水系统总溢流量由8943m3减至4938m3,减小了44.78%。进一步模拟了不同雨情(P分别为2、5、10、20a)下,改变节点高程缓解溢流和管道过载的情况。结果显示,上述4个重现期下的溢流量分别为4005、5946、3825、1074m3,可见随着重现期的延长,缓解作用愈加不明显。2.4.2两种方案在不同d为了降低上游节点的溢流程度,可以通过加快下游管道的汇出流量来实现。模拟结果显示,增大某些管道的管径,可有效地缓解溢流程度。当P=2a时,在不造成下游节点溢流的情况下,将管道34、37的管径分别由DN400、DN600改为DN600和DN1000,节点33的最大溢流量由1.35m3/s降至0.66m3/s,且较大溢流量(>0.5m3/s)的持续时间仅仅为25min。在4h的降雨历时下,节点33和36的溢流量分别减小了5148、1446m3,下游管道34和37的过载程度明显降低(见表1)。整个排水系统的总溢流量减小了7293m3,即减小了81.62%。不同雨情(P分别为2、5、10、20a)下的模拟结果显示,增大管径后,上述4个重现期下的溢流量分别为7299、6750、7152、8307m3,而改变节点高程减少的溢流量分别为4005、5946、3825、1074m3,理想。综上可知,两种改造方案都能缓解节点溢流和管道过载程度。分析两种改造方案下管道的淤积情况可知,受管道坡度和流速的影响,管道34和37形成淤积的可能性最大。当P=2a时,假设三种状态下这两个管道内的淤积厚度都为0.1m,对此时管网的运行情况进行模拟,管网优化前、后节点33和36的溢流情况分别见图2、3。可知,在4h的降雨历时下,改变节点高程和管径使淤积状态下排水系统的溢流量分别减少了2619、6729m3,即减少了24.20%和62.18%。综上可以看出,改变节点高程缓解管网溢流的幅度相对较小,对改变节点高程后的管网在不同淤积程度下进行模拟。结果显示,淤积程度越高则溢流时间越长,总溢流量也越大。不同降雨重现期的模拟结果显示,随着重现期的延长,下游节点溢流的风险增大。因此,如果采用改变节点高程的优化方案,则需要对管道进行定期清淤;而采用管径优化后的排水管网,由于管道充满度不高,管道淤积对下游节点溢流造成的影响不大,因此,不需要对管网进行频繁清淤。3优化改造方案通过模拟雨水管网的运行状况,计算出了排水系统的积