排水防澇系統規劃實施評估方法研究與實踐

文／劉曉寧 石家莊市富昌城鄉規劃設計服務有限責任公司 河北石家莊 050000

1.排水防澇系統規劃的重要性

排水防澇系統規劃直接關系到城市的生活質量和公共安全。規劃良好的排水系統可以有效減少雨水積水和內澇問題，降低洪水風險，保護城市居民的財產和生命安全。特別是在氣候變化引發極端降雨事件增多的背景下，規劃合理的排水系統顯得尤為重要，能夠應對未來的氣候挑戰，減少城市洪澇災害的發生頻率和影響程度。排水防澇系統規劃與實施評估也關系到城市的可持續發展。科學合理的規劃可以提高資源利用效率，降低排水系統的維護和運營成本，并減少對水資源的浪費。此外，規劃中還應考慮環境保護和生態可持續性，例如采用雨水收集、濕地保護和自然解決方案，以改善水質、保護生態系統，提高城市的環境質量。排水防澇系統規劃還關乎城市的社會和經濟發展。合理的排水系統可以保障城市的交通運輸、供水供電等基礎設施的正常運行，促進產業發展和經濟增長[1]。

圖1 海綿城市排水防澇系統規劃示例

2.SWMM（暴雨洪水管理模型）模型構建

2.1 數據收集

數據收集在SWMM 模型構建中占據著至關重要的地位。首先，需要采集各類與排水系統相關的數據，包括降雨數據、地形數據、土壤類型、管道網絡結構等。其中，降雨數據是模型的基礎，需要準確的降雨觀測數據，以便進行洪水模擬。地形數據的采集與處理也是不可或缺的一部分，數字高程模型（DEM）和地理信息系統（GIS）的應用能夠提供高分辨率的地形信息，有助于準確模擬水流路徑和水淹情況。此外，土壤類型數據也需要收集，以評估土壤的滲透能力，進而影響雨水的滲漏和徑流情況。

2.2 模型構建

SWMM 模型的構建包括將排水系統抽象為數學模型的過程。這一步驟需要根據收集到的數據建立管道網絡、匯水區域、雨水污水分流系統等元素的模型。在模型構建中，需要考慮排水系統的拓撲結構、管道參數、泵站配置等因素。模型的準確性和穩定性直接影響到后續的模擬結果和系統評估，因此，模型構建需要認真考慮各種復雜情況，并進行合理的參數設置。

2.3 模型率定

模型率定是確保SWMM 模型能夠與實際情況相符的關鍵環節。這一過程包括對模型參數進行調整，以使模型模擬結果與實際觀測數據相一致。率定過程通常基于歷史洪水事件的數據，通過對比觀測數據和模擬結果，逐步優化模型參數。這需要運用各種優化算法和統計方法，以使模型在不同條件下都具有較好的預測性能。模型率定的成功與否決定了模型的可靠性，對于排水防澇系統規劃與實施評估的準確性和有效性至關重要。

3.地形和降雨分析

3.1 地形數據的采集和處理

（1）數字高程模型（DEM）的應用：數字高程模型是一種用于描述地表地形的數字化表示方式，它以離散的高程數據點構成地形的數學模型。在排水系統規劃中，DEM 的應用具有重要作用。首先，DEM 數據可以通過衛星遙感、激光雷達等技術獲取，提供了地表高程信息的高分辨率表達，這對于精確模擬地表的坡度和高程變化非常關鍵。排水系統的水流路徑和水流速度受地形影響較大，因此，DEM 數據可以用來識別潛在的洪水危險區域和確定水流的流向。此外，DEM 數據還可以用于生成流域分析所需的流域邊界和流域分割，為洪水模擬和水資源管理提供了重要的輸入數據[2]。

（2）地理信息系統（GIS）的角色：地理信息系統是一種用于存儲、管理、分析和展示地理信息的技術系統。在排水系統規劃中，GIS 發揮著關鍵作用。首先，GIS 可以用于整合各種地理數據，包括DEM 數據、土地利用數據、地質數據等，將這些數據疊加在一起，生成全面的地理信息圖層。這使得工程師和決策者能夠更好地理解地理環境和地表特征，為規劃和評估提供有力支持。其次，GIS 還可以用于模擬和分析排水系統的性能。通過GIS 軟件，可以建立排水系統的數字模型，并模擬不同情景下的水流行為，幫助評估系統的性能和魯棒性。此外，GIS 還可以用于可視化排水系統的運行情況，以便決策者更好地理解系統的運行狀況，及時采取措施應對可能的問題。

3.2 降雨模型的建立

3.2.1 降雨數據源

降雨數據源是排水系統模擬的基礎，它決定了模型的輸入參數。在排水系統規劃中，需要選擇合適的降雨數據源來模擬不同降雨事件對系統的影響。通常，降雨數據可以分為實測數據和合成數據兩種類型。實測數據是通過氣象站、降雨觀測設備等實際觀測手段獲取的降雨數據。這些數據具有較高的真實性和可靠性，因為它們直接來自現場觀測。但實測數據的空間分辨率和時間分辨率可能有限，因此，在大范圍排水系統規劃中，可能需要插值和空間分布調整來獲得更精細的降雨數據。合成數據則是通過統計和數學方法生成的模擬降雨數據。這些數據可以基于歷史降雨數據進行模擬，也可以根據概率分布函數生成不同強度和持續時間的合成降雨事件。合成數據的優勢在于可以生成大量不同情景下的降雨數據，用于模擬各種可能性，有助于評估排水系統的魯棒性。然而，合成數據的準確性取決于所選擇的模型和參數，因此需要謹慎選擇和校驗。

3.2.2 降雨模擬方法

分布式模型：這種模型將流域劃分為多個子流域，并在每個子流域內進行獨立的降雨-徑流模擬。這種方法考慮了地形和土地利用的空間變化，適用于大范圍的排水系統規劃。代表性的模型包括SWMM（暴雨洪水管理模型）和HEC-HMS（美國軍事工程中心降雨徑流模型）。

集中式模型：這種模型將整個流域視為一個整體，模擬降雨事件對整個流域的影響。它通常采用線性或非線性的方法來估計徑流產生和匯流過程。集中式模型適用于小型流域或簡化模擬情景，如單一排水管道系統。

物理模型：物理模型基于物理方程和流體力學原理來模擬降雨和徑流過程。這種模型通常需要大量的參數和高精度的數據，適用于對系統性能要求非常高的情況，如大壩設計或復雜的排水系統規劃。

4.排水系統關鍵組成部分的評估

4.1 管道健康狀況評估

管道健康狀況評估在排水防澇系統規劃與實施評估中具有至關重要的地位。這一步驟的主要目標是確定排水管道的當前狀態以及可能存在的問題和風險，以確保管道的可靠性和持久性。管道健康狀況評估通常包括以下關鍵步驟：需要進行數據收集和檢查。這包括收集與排水管道相關的數據，如管道材料、年限、維護記錄、管道直徑、坡度等信息。這些數據可以通過現場檢查、檔案記錄和地理信息系統（GIS）來獲取。數據的準確性對評估結果至關重要。進行可視檢查和評估。這包括實地檢查管道的外部狀況，以確定是否存在腐蝕、裂縫、破損等問題。高科技工具如攝像頭和無人機也可以用于內部檢查，以評估管道內部是否存在沉積物、堵塞或其他問題。進行水流和壓力測試。通過在管道中引入水流或應用壓力測試來評估管道的性能。這可以檢測管道是否有滲漏或結構問題，并評估其流量和壓力特性。這對于確定管道的運行能力和潛在問題至關重要。進行水質檢測。分析排水管道中的水質，檢測是否存在污染物或廢水泄漏，以評估對環境的影響和水質狀況。水質檢測有助于保護水體質量和公共健康。管道健康狀況評估的結果將為后續的管道維護和改進策略提供重要依據，確保排水系統的穩定運行和長期可持續性[3]。

4.2 泵站運行效率評估

泵站是排水系統的關鍵組成部分，它們的運行效率對整個系統的性能至關重要。泵站運行效率評估旨在確定泵站的工作狀態、能效和性能，并提出改進建議，需要對泵站的運行數據進行收集和分析。這包括泵站的啟停記錄、電能消耗、排水流量等數據。通過分析這些數據，可以了解泵站的運行狀況以及是否存在異常情況。進行泵站的性能評估。這包括評估泵站的泵效率、功率消耗、流量控制等性能指標。泵站的性能評估可以幫助確定是否存在能效低下或不合理的問題，并提出改進建議，如更換高效泵或調整運行策略。進一步，考慮泵站的可維護性。評估泵站的維護記錄和維護計劃，以確保泵站的定期維護和保養。合理的維護措施可以延長泵站的使用壽命并減少故障率。考慮泵站的智能化和自動化。引入先進的控制系統和遠程監測技術，可以提高泵站的運行效率和響應能力，減少能源浪費和人力成本。泵站運行效率評估的目標是確保排水系統中的泵站能夠以高效、可靠的方式運行，降低運營成本，并減少對能源和資源的浪費。

5.解決對策分析

5.1 合理進行規劃設計

當考慮排水防澇系統規劃與實施評估時，合理的規劃設計是不可或缺的一部分。首先，合理規劃設計涵蓋了多個關鍵方面，包括系統的規模、性能要求和目標。在城市或地區排水系統的規劃中，必須明確未來的氣候變化、城市擴展和人口增長等因素，以確保系統能夠適應未來的挑戰。其次，合理的規劃設計應該進行全面的綜合考慮。這涉及到綜合考慮各種可能的排水方案和技術，如雨水管理、污水處理、溢流設施等。通過充分考慮多個因素，可以優化系統的整體性能，減少資源浪費，并確保系統能夠高效運行。此外，現代工程工具和技術如計算機輔助設計（CAD）和建模軟件的使用也能夠在規劃設計中發揮關鍵作用。它們允許工程師進行系統的三維建模和仿真，以優化管道布局、流速分配和水流路徑。最后，合理的規劃設計應該考慮可持續性和環保因素。這包括采用綠色基礎設施和低影響開發技術，以減少排水對環境的負面影響，同時考慮水資源的保護和再利用。

5.2 創新設計方法

創新設計方法在排水防澇系統規劃與實施評估中扮演著關鍵的角色。首先，創新設計方法可以改善排水系統的性能和效率。通過采用自然解決方案，如生態系統恢復和雨水收集，可以降低洪水風險，改善水質，并提供額外的生態服務。其次，智能監測和控制系統的引入可以提高排水系統的響應能力。現代傳感技術和遠程監控系統使得實時監測成為可能，有助于減少系統故障和提高運行效率。此外，考慮可持續性技術也是創新設計方法的一部分，例如利用可再生能源、高效泵站和節水技術，可以減少排水系統的能源消耗和對環境的影響。最后，創新設計方法還強調了與社區和利益相關者的合作。與當地社區和利益相關者緊密合作，了解他們的需求和關切，將社會可持續性和社會公平性納入排水系統設計中，有助于確保系統的可接受性和長期成功。

5.3 提升設計標準

5.3.1 提升排水能力設計標準

首先，提升排水能力設計標準涉及增加排水系統的處理容量，以適應日益頻發的極端降雨事件。隨著氣候變化和城市化的加劇，降雨事件變得更加不可預測和強烈，因此，排水系統的設計標準必須相應提高。這包括考慮更大的設計雨量、更高的排水流量和更大的儲水能力。通過提升排水能力設計標準，可以降低洪水風險，減少城市內澇事件，保護財產和人民的安全。改進排水系統的工程設計，以提高系統的效率和可靠性。這包括優化管道布局、提高排水系統的通行能力、改進水流路徑和降低排水泵站的能源消耗。工程設計的創新可以確保系統在最佳狀態下運行，并減少對環境的不良影響。強調多功能性。排水系統不僅應該具備排水功能，還應該兼顧生態保護和社會服務。因此，設計標準應鼓勵綠色基礎設施、雨水收集和雨污分流等多功能性措施，以提高系統的可持續性。

5.3.2 提升排澇水質的標準

首先，提升排澇水質的標準涉及確保排放到水體的排澇水質量達到環保要求。這包括對排水進行有效的處理，以去除污染物和有害物質，以保護接受水體的水質。標準應設定合適的水質指標和排放限值，以確保排水質量不會對水環境造成負面影響。推動采用綠色技術和自然解決方案。提升排澇水質的標準應鼓勵采用生態濕地、雨水花園和植被覆蓋等自然解決方案，以提高排澇水的自凈能力和水質改善效果。這些方法可以減少對傳統污水處理廠的依賴，降低維護成本，同時提升水質標準。強調監測和報告。排澇水質的標準應包括監測和報告要求，以確保排澇水質符合規定的標準。監測結果應定期報告給相關監管機構和公眾，以確保透明度和責任。通過提升設計標準和排澇水質的標準，可以提高排水系統的性能和環保性，確保排水系統在面對不斷變化的城市排水需求和環境挑戰時表現出色。這對于城市洪水管理和水資源保護至關重要。

5.4 控制并優化排水管道材質與質量

排水管道材質與質量的控制與優化對于排水防澇系統的穩定性和可靠性至關重要。首先，管道材質的選擇是系統的關鍵決策之一。不同環境和應用場景需要不同材質的管道，如鋼鐵、聚乙烯、混凝土等。這些材質的選擇應考慮其抗腐蝕性、耐久性、成本效益等因素。例如，在高腐蝕性土壤中，不銹鋼管道可能是一個理想的選擇，而在一般城市環境中，聚乙烯管道可能更為經濟實惠。管道質量的管理是確保系統長期運行的關鍵因素。從管道的制造、運輸、安裝到維護，每個環節都需要嚴格控制和監測。材料的質量應符合國際或地區的標準和規范，確保管道的強度和穩定性。管道的安裝和連接也需要高標準的工藝，以防止滲漏和結構損壞。定期的巡檢和維護活動是必要的，以確保管道的暢通和無故障運行。

5.5 開展雨污分流改造，嚴格控制污水排放

雨污分流改造是環境保護和城市水資源管理的關鍵舉措之一。分流改造的目標是減少雨水與污水的混合，以改善污水處理效率和降低環境污染。這需要對現有排水系統進行評估，確定混合點和混合比例，并制定相應的改造方案。通過分離雨水和污水流，可降低污水處理廠的負荷，提高其處理效率。分流改造方案應綜合考慮環境和社會因素。這包括采用雨水收集和自然解決方案，如濕地和雨水花園，以提高雨水的自凈能力和水質改善效果。分流改造還應考慮城市景觀和社會可持續性，以提高城市的生態環境質量和居民的生活品質。進一步，嚴格控制污水排放是分流改造的重要目標之一。確保排放到水體的污水達到環保要求，這涉及到污水處理廠的升級和維護，以提高其處理效率和水質凈化能力。監測和報告是必要的，以確保排放的污水質量符合規定的標準，并提供透明度和公眾信任。控制并優化排水管道材質與質量以及開展雨污分流改造是保障城市排水系統的穩定性、環保性和可持續性的關鍵舉措。這些措施有助于減少水體污染、提高水質、降低環境風險，并提升城市的生活質量。因此，在排水防澇系統規劃與實施評估中，應給予充分重視和實施。

結語：

排水防澇系統規劃與實施評估是城市基礎設施的關鍵組成部分，它不僅直接關系到城市居民的生活質量和安全，還涉及到城市的可持續發展和環境保護。在本文中，我們詳細討論了排水系統規劃的重要性、SWMM 模型構建、地形和降雨分析、排水系統關鍵組成部分的評估、解決對策分析、以及管道材質與質量控制、雨污分流改造和污水排放的相關內容。這些步驟和措施是確保排水系統在面對氣候變化、城市發展和環境挑戰時能夠高效運行的關鍵因素。通過不斷改進和完善排水防澇系統，我們可以為城市的可持續發展和水資源保護做出積極貢獻，創造更加宜居和可持續的城市環境。