以SWMM為基礎的城市排水系統改造探析

李愛民

（濱州市城鄉水務發展服務中心 山東濱州 256600）

1971年，美國環保署開發了SWMM。經過約50年的發展，SWMM系統不斷升級，功能不斷完善，成為一個集水文、水力、水質分析為一體的降水—徑流模型。與此同時，在城市化進程不斷加快的背景下，由地下排水管網、污水處理廠組成的城市排水系統問題不斷涌現，威脅著市民利益與城市安全。因此，探究分析以SWMM為基礎的城市排水系統改造措施具有非常重要的意義。

1 SWMM概述

SWMM（Storm Water Management Model）是由美國環境保護署發布的暴雨洪水管理模型，可用于動態模擬城市長期水量、水質或者單一降水事件，并通過跟蹤模擬多時間步長，任意時刻每一子流域所產生徑流的水質、水量，以及對應排水管道水深、水質、流量，為城市子流域降水、污染、徑流事件處理提供依據。

從組成上來看，SWMM 包括水文、水力、水質3 個模塊。水文主要面向時變降雨、積雪融化、地表水蒸發等產流過程，以及降水入滲非飽和土層、地下水與排水管道交換等匯流過程；水力模塊主要模擬多形狀封閉式管道水流、多形狀明渠管道水流，以及分流閥、蓄水單元等特殊部件水流（含回水、溢流、逆流）；水質模塊主要是在同一排水小區若干水文響應單元劃分的基礎上，進行地表徑流污染物沖刷過程、增長過程、處理過程、運輸過程模擬。

2 模型構建

2.1 數據整理

首先，明確SWMM 對象的數據需求。當前，SWMM 對象的數據需求有Outfalls（排水口）、Storage（儲存）、Divider（分隔）3 種。Outfalls 對應的需求為免費、通用、固定、潮汐時間序列；Storage對應的原則為扁平化、功能性、表格化；Divider對應的內容為新河道、攔河壩、溢出物。

其次，輸入SWMM 對象的屬性。如調蓄池的屬性包括內底標高、積水、最大深度等。

最后，整理水力模擬數據。在軟件內，設置水力模擬開始時間、結束時間，以及計算結果輸出時間、地面清掃開始日期、地面清掃結束日期、模擬起始時間前的未降雨天數等，其中，地面清掃開始日期、地面清掃結束日期、模擬起始日期之前的未降雨天數均在超長歷時水質模擬時設置。

2.2 構建思路

現有SWMM 模型包括Horton 下滲模型、Green-Ampt 下滲模型兩種。前者主要描述下滲率隨降雨時間變化而產生的變化，需要最小下滲率、最大下滲率、入滲衰減系數幾個參數；后者則是在土壤層急劇變化土壤干濕界面分析充分降雨下滲促使下墊面飽和度變化的情況，需要土壤水力傳導率、土壤初始濕度虧損值、濕潤前峰毛細水頭幾個參數。具體可以利用飽和函數累積方程計算：

式（1）中：為節點污染物積累量；為最大累積量（kg/m或kg/m）；為累計率（d）；為時間（d）。

在確定下滲模型后，需要將城市排水管網系統簡化為“節點—連接—管道”。其中，節點主要為檢查井，需要輸入參數為本段旱流污染物種類、負荷、旱季流量、管底標高、管底埋深、地下水入滲量、地下水污染負荷等；連接為分流設施（孔口、側堰、堰）、蓄水設施（蓄水池）、出水設施（帶閘的堰、自由出流孔口）；管道包括馬蹄形、圓形、天然明渠、門形、矩形幾種形式，需要輸入參數為模擬旱季流量、管徑、形狀參數、管段起止點偏移高度。

管道內非恒定水流模擬主要選擇“連續方程+動量方程”（基于SWMM 的非線性運動波方程、動力波方程）。其中，運動波模擬是一種適用于長期水流模擬的方法，主要是利用連續方程、動量方程，以每一個管段內水流為對象，在假定水流表面坡度、管道坡度無差異的情況下，選擇節點調蓄前后水流模擬。若模擬過程中水量超過管道容量能力，則將超出部分存儲到管道末端調蓄節點，在管道容納能力提升時，重新流入管道。動力波模擬是一種適用于短期水流模擬的方法，主要是在一維圣維南方程精確解求導的基礎上，模擬封閉管道滿載水流時壓力水流，在節點水流量超出最高允許值時，需要將其盡快排入管網系統。

2.3 構建要點

首先，根據城市排水系統平面圖、城市地形圖，劃分排水小區，排水小區均勻分布且降雨強度相等，排水小區匯水可以就近進入排水管網節點。同時，在不進行排水渠支管水力計算的基礎上，將敷設在城市小區內、道路兩旁主干管列入管網系統，河流干管徑流井后，出水管則就近分散自流入河，管道末端排水口內底標高超出河道常規水位。例如，某排水區總回水面積為188.25hm，根據區域地形和雨水匯水特性，將其劃分為46 個排水小區，每一個小區面積在2.2～7.6hm之間。小區中，不透水地表占據區域總面積的63%，無洼蓄量的不透水地表占總不透水地表的48%。

其次，根據暴雨強度公式確定設計暴雨。暴雨強度公式為：

式（2）中：為降雨歷時（min）；ˉ為歷時內的平均暴雨強度（mm/min）；為設計降雨重現期。由式（2）可知，降雨最大雨水強度處于降雨初始時刻，降雨雨峰在0.3～0.5t。因此，可以對降雨進行時程分配，設計0.5年一遇、2年一遇、5年一遇的2h降雨強度，設定降雨最大雨水強度為0.4t。

再次，利用Green-Ampt 入滲模型，模擬地表徑流系統，輸入的土壤初始濕度虧損值為0.383mm/mm、濕潤前鋒毛細水頭為29.4mm、土壤水力傳導率為2.28mm/h、透水地表洼蓄量為5.8mm、不透水地表洼蓄量為1.8mm。Green-Ampt入滲模型為：

式（3）中：為透水地表產水量（mm）；為降雨強度（mm/s）；為入滲強度（mm/s），Δ為降雨時間。

最后，利用動力波方程、分流設施，分別模擬污水在城市排水管道內運輸過程、溢流井工作情況，此時，下游截流干管設計水流輸送能力為：

式（4）中：為下游截流干管設計水流輸送能力（mm/h）；為截流倍數；Q為溢流井上游含流量（mm/h）；為溢流井下游排水面積上雨水設計流量（mm/m）；為溢流井下游排水面積上旱流量（mm/m）。

3 系統模擬

3.1 動態溢流模擬

在動態溢流模擬時，將城市溢流口重現期設置為0.5年一遇、2年一遇、5年一遇，截流倍數起始數量設定為1，對城市溢流口溢流量隨降雨歷時變化過程進行分析，得出結果如表1所示。

表1 檢查井口動態溢流結果（單位：m3/s）

由表1可知，降雨情況下，城市排水系統內存在大量雨污混合水，流量隨降雨歷時不斷增加，降雨結束后減少，且水溢流量峰值出現于截流井管道流量峰值后。在降雨重現期為0.5年時，研究區范圍內出現多處檢查井口溢流情況，部分井口在30min內會出現溢流，易造成城市內澇；在降雨重現期為2.0年一遇時，部分井口在60min內會出現溢流，持續時間較長；在降雨重現期為5.0年一遇時，部分江口在90min 內會出現溢流情況，地面積水現象較嚴重。

3.2 管道淤積模擬

隨著城市排水管網運行，部分固體顆粒物會進入管網造成淤積。特別是在暴雨徑流情況下，地表固體廢物大量涌入管道，造成管道有效管徑減小、管壁粗糙，進而造成淤積段水流量下降甚至堵塞，加重整個城市排水系統負擔。一般城市排水系統情況可以利用污染物濃度隨截流倍數變化表示，即利用無量綱累積參數直觀分析降雨事件內每一種污染物累積情況，推測排水系統淤積情況。不同截流倍數下管道淤積量如表2所示。

表2 不同截流倍數下管道內淤積量（單位：kg）

由表2可知，截流倍數與管道內污染物累積量具有一定關系，隨著截流倍數的增加，管道內累積量下降。但是截流倍數的增加，對應管道尺寸也會增加，排水管網改造費用隨之增加，對排水系統建造用提升泵站、截流干管與收集管網、污水處理廠均具有一定影響。因此，在考慮經濟因素的情況下，需要采取控制合流污水的其他措施，如清淤等。

4 清淤措施

一般在城市排水系統中，下游管道淤積會對上游管道單位時間內水流量造成影響，而上游水流速度減慢則會給對應段管網埋下淤積隱患，導致上游雨水無法順利進入下游，整個排水系統運行效率下降，造成惡性循環，對管道使用年限與排水系統運行經濟性均具有較大不利影響。因此，城市排水系統改造人員可以根據SWMM 的計算結果，確定發生淤泥的管段，針對性地開展清淤措施，提高清淤效率。由現場勘測經驗可知，排水系統淤積現象多發生于主干渠位置，平均淤積深度在0.55m 左右。根據主干渠淤積情況，城市排水系統改造人員可以將主干渠清淤方案融入現狀SWMM模型中，模擬系統清淤方案實施過程及效果，確保清淤措施高效率開展，達到改造排水系統排水能力的目的。例如，某城市清淤前排水系統在溢流口重現期2年一遇情況下，總溢流量為2500m，發生溢流的節點數量為35 個，占據節點總數的8%，其中，溢流較為嚴重的節點已知。此時，城市排水系統改造人員可以對模擬中發現的溢流較為嚴重的節點進行清淤，改善系統總溢流量，并根據重現期設置情況，進行清淤方案的優化調整，以便抵御中低重現期的降雨事件。

此外，由模擬結果可知，在超過城市排水管道設計標準的降雨（高重現期降雨事件）情況下，城市排水管道系統將出現超載甚至洪流情況，進而引發上游檢查井積水甚至溢流，最終形成城市內澇。此時，單純的清淤措施就不足以改善排水系統總溢流量。為解決這一問題，城市排水系統改造人員可以根據SWMM的計算結果，分析并記錄出現溢流狀況的管段，以及對應管段最大超載時間、最大溢流時間等數據，進而分析排水管道系統淤積原因，如上游排水分區合理性、地勢低洼情況、坡度設置情況、積水點下游管段管徑、管道流量等，在這個基礎上，綜合考慮施工造價、施工難度、運行成本等因素，進行排水系統改造方案的設置。一般可以選擇增加管徑、改變節點高程的方式。根據表2可知，增加管徑的經濟效益較低，可以選擇改變節點高程的方式。例如，由城市溢流口重現期設置為5年一遇情況下清淤后最大溢流時刻模型中管網縱剖圖可知，某路段上游管網坡度低于水力坡度，實際過流量超出滿流設計流量，而下游管段未達到滿流，此時，可將上游管底高程由-0.55m 提升到-0.30m，減少降雨歷時下節點溢流量，降低下游管道過載程度，并促使整個排水系統總溢流量下降。

5 結語

綜上所述，城市排水系統是將城市運行過程中產生的廢污水有序凈化的系統，在實際應用過程中極易產生淤積問題。因此，相關人員可以借助SWMM，構建城市排水模型，從水文、水力幾個方面模擬排水系統淤積情況，針對性地制定、完善、實施清淤措施，確保城市排水系統正常、平穩、高效運轉。