基于ArcGIS和SWMM的閉庫(kù)排泥庫(kù)雨水管網(wǎng)改造研究與應(yīng)用

趙 宸，梁 泓，田 凱，莫良貫，何祖杰

（1.中建五局廣西建設(shè)有限公司，廣西 南寧 530000；2.南寧市排水有限責(zé)任公司，廣西 南寧 530028；3.湖南華工建設(shè)有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410021；4.廣西大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，廣西 南寧 530004；5.廣西瑞宇建筑科技有限公司廣西金屬尾礦安全防控工程技術(shù)研究中心，廣西 南寧 530000）

0 引 言

根據(jù)廣西壯族自治區(qū)應(yīng)急管理廳相關(guān)數(shù)據(jù)，截至2020年底，廣西共有尾礦庫(kù)202座，病庫(kù)或險(xiǎn)庫(kù)占到所有尾礦庫(kù)的57%。其中，百色市現(xiàn)存大型尾礦庫(kù)14座，總庫(kù)容達(dá)7 181×104m3，最大堆積深度超過70 m，最大庫(kù)面占地面積為494.97 hm2。高含水量尾礦泥堆儲(chǔ)在排泥庫(kù)中，形成人造泥石流的危險(xiǎn)源[1]。《尾礦設(shè)施設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50863—2013）[2]提出對(duì)有條件的閉庫(kù)排泥庫(kù)進(jìn)行復(fù)墾。閉庫(kù)后的排泥庫(kù)庫(kù)面缺乏有效的排澇系統(tǒng)，在降雨積水情況下庫(kù)面積水無法有效排出，采用排水固結(jié)的方法無法使泥漿固結(jié)，這直接影響到固結(jié)土層的穩(wěn)定和復(fù)墾作物種植。因此，科學(xué)合理地計(jì)算排泥庫(kù)流域的降雨徑流，開展閉庫(kù)排泥庫(kù)的防洪排澇工程設(shè)計(jì)及建設(shè)迫在眉睫。陳雯[3]通過對(duì)尾礦庫(kù)現(xiàn)有排洪系統(tǒng)的進(jìn)水斜槽進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，為優(yōu)化尾礦庫(kù)的排洪系統(tǒng)和尾礦庫(kù)安全運(yùn)行提供參考；劉曉非等[4]通過準(zhǔn)確的調(diào)洪演算，確定了尾礦庫(kù)的安全運(yùn)行參數(shù)，為尾礦庫(kù)安全管理提供依據(jù)；劉明生等[5]采用水力學(xué)方法對(duì)尾礦庫(kù)排洪系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算，并提出了優(yōu)化改進(jìn)意見；楊文兵等[6]采用暴雨洪水法對(duì)尾礦庫(kù)進(jìn)行分析，為尾礦庫(kù)的安全運(yùn)行提供了指導(dǎo)；鄧書申[7]對(duì)尾礦庫(kù)不同進(jìn)水口斷面排水系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)的堰流、壓力流、半壓力流三種流態(tài)分別進(jìn)行了計(jì)算對(duì)比，提出了排洪系統(tǒng)進(jìn)水口優(yōu)化方案；王漢勛等[8]采用Geo-studio及STAB土質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析軟件，對(duì)暴雨加地震工況下的尾礦庫(kù)進(jìn)行分析，為尾礦庫(kù)潰壩危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)提供了科學(xué)依據(jù)。在城市水文模擬方面，DAI等[9]采用CA-SWMM模型對(duì)城市已建排水管網(wǎng)進(jìn)行模擬，為城市降雨徑流和NPS污染模擬的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了有效的工具；MA等[10]通過SWMM模型系統(tǒng)模擬城市洪水，結(jié)果表明該系統(tǒng)可以預(yù)測(cè)從城市降雨到城市洪水形成的整個(gè)過程；ZENG等[11]利用SWMM模型和WEB技術(shù)實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)城市雨水管理，而且WEB-SWMM水文模型框架也適用于大多數(shù)現(xiàn)有的水文模型，為解決城市雨水實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)提供了技術(shù)手段。

根據(jù)目前國(guó)內(nèi)外研究可知，尾礦庫(kù)的排水研究主要集中在對(duì)庫(kù)區(qū)洪水的宣泄方面，而對(duì)庫(kù)面的排澇方面未見研究。庫(kù)面洪澇積水會(huì)不斷向土體內(nèi)部滲入，影響庫(kù)區(qū)內(nèi)土體的固結(jié)，長(zhǎng)時(shí)間處于高含水率下的細(xì)黏粒庫(kù)泥是一種人工堆填泥石流源，時(shí)刻影響下游村莊安全。本文以百色市某排泥庫(kù)為例，通過SWMM構(gòu)建庫(kù)區(qū)水文模型，進(jìn)行庫(kù)區(qū)的調(diào)洪演算，校核庫(kù)區(qū)排水系統(tǒng)的泄洪能力，對(duì)庫(kù)面排水管網(wǎng)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)分析，解決庫(kù)面受澇問題。實(shí)現(xiàn)閉庫(kù)排泥庫(kù)流域水文的設(shè)計(jì)與建設(shè)，為類似工程水文計(jì)算提供新手段。

1 研究區(qū)概況

本文選取百色市某排泥庫(kù)為研究對(duì)象。該排泥庫(kù)所屬地區(qū)屬亞熱帶季風(fēng)性石灰?guī)r高原氣候，雨量充沛，根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀笳径嗄暧^測(cè)資料，年平均降水量約為1 659 mm，主要降雨集中在每年的5月—8月，約占全年總降雨量的70%；日最大降雨量為180 mm，為三十年一遇。研究區(qū)年平均氣溫19.1 ℃，極端最高氣溫為38 ℃，極端最低氣溫為-1.9 ℃；最大24 h暴雨變差系數(shù)Cv24=0.45，最大24 h暴雨偏差系數(shù)CS=3.5Cv24。

2 模型建立及庫(kù)區(qū)調(diào)洪計(jì)算

數(shù)字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）是構(gòu)建降雨徑流模型中地形、流向及自然水系的關(guān)鍵數(shù)據(jù)。ArcGIS軟件為用戶提供一個(gè)可伸縮的、全面的地理信息系統(tǒng)平臺(tái)，是構(gòu)建地理信息的關(guān)鍵軟件。將25 m×25 m的DEM格柵文件導(dǎo)入ArcGIS軟件中，獲得研究區(qū)的地表高程圖（圖1）。根據(jù)ArcGIS軟件數(shù)據(jù)測(cè)算得到研究區(qū)匯水面積為0.76 km2，屬于特小匯水面積。對(duì)研究區(qū)地面坡度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得出四周山體坡度較陡，在20%～50%之間；庫(kù)內(nèi)泥面坡度較為平緩，在0.22%～1.00%之間。由此建立閉庫(kù)排泥庫(kù)基礎(chǔ)SWMM模型，如圖2所示。

圖1 閉庫(kù)排泥庫(kù)數(shù)字高程模型Fig.1 Digital elevation model of closed pond tailings pond

圖2 閉庫(kù)排泥庫(kù)SWMM模型Fig.2 SWMM model of closed pond tailings pond

2.1 初始參數(shù)設(shè)定

選取建模需要設(shè)置的參數(shù)，其中，子匯水區(qū)平均坡度、子匯水區(qū)特征寬度已經(jīng)通過ArcGIS軟件進(jìn)行準(zhǔn)確取值。因此，這兩個(gè)參數(shù)不再需要進(jìn)行率定，需要進(jìn)行率定的參數(shù)范圍及初始值見表1。

表1 模型水力水文模塊主要參數(shù)取值Table 1 Values of the main parameters in hydraulic and hydrological module of model

2.2 模型參數(shù)率定

為解決模擬精度問題，采用徑流系數(shù)法、實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比法對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行率定。

1）徑流系數(shù)法。在SWMM模型參數(shù)率定[12-14]中，可以通過綜合徑流系數(shù)對(duì)缺乏實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的排水管網(wǎng)模型進(jìn)行，參數(shù)率定過程需要對(duì)不同類型的地表進(jìn)行率定，對(duì)于地表徑流截留作用較為明顯，周邊子匯水區(qū)徑流系數(shù)取值在0.6～0.8之間。根據(jù)實(shí)地調(diào)研，庫(kù)底表面性狀接近于水田的狀態(tài)，故其徑流系數(shù)取值在0.7～0.8之間。綜合考慮不同子匯水面積占比，研究區(qū)域徑流系數(shù)應(yīng)當(dāng)在0.65～0.75之間。

2）實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比法。采用Nash-sutcliffe系數(shù)（以下簡(jiǎn)稱“NS系數(shù)”，式（1））對(duì)模擬結(jié)果和實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)，NS系數(shù)越接近1，說明模擬結(jié)果和實(shí)測(cè)結(jié)果吻合度越高。MA等[10]研究發(fā)現(xiàn)，模型NS系數(shù)越大，模型模擬值和觀測(cè)值越接近，大于0.7說明兩者已經(jīng)能達(dá)到較好的吻合度。

首先，采用徑流系數(shù)法進(jìn)行粗略率定，將初始值帶入模型進(jìn)行計(jì)算，調(diào)整參數(shù)，直到徑流系數(shù)落在預(yù)設(shè)區(qū)間內(nèi)；然后，輸入實(shí)測(cè)降雨強(qiáng)度數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬，將模擬值與實(shí)測(cè)降雨數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，反復(fù)調(diào)整參數(shù)，直至模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)NS系數(shù)大于0.7。

按照參數(shù)率定法，反復(fù)調(diào)整參數(shù)計(jì)算得到徑流系數(shù)0.683，模擬計(jì)算水位結(jié)果和實(shí)測(cè)水位進(jìn)行對(duì)比（圖3），NS系數(shù)為0.833，建立的SWMM模型與庫(kù)內(nèi)水文情況具有較好的吻合度，校正后的參數(shù)見表1。

圖3 實(shí)測(cè)降雨率定Fig.3 Actual measured rainfall rate

3 模型洪水演算及庫(kù)區(qū)排水設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)暴雨

通過確定參數(shù)率定，建立排泥庫(kù)庫(kù)區(qū)的水文模型，NS系數(shù)0.833，該模型與實(shí)際情況吻合度較好。采用建立的SWMM模型對(duì)閉庫(kù)排泥庫(kù)進(jìn)行調(diào)洪演算，為了分析研究區(qū)不同降雨情景下的內(nèi)澇淹沒情況，本文設(shè)計(jì)了多組降雨情景作為模型輸入邊界條件。通過查閱文獻(xiàn)[15-19]可知，可通過芝加哥暴雨公式合成庫(kù)區(qū)降雨使相對(duì)誤差在可以接受的范圍內(nèi)。靖西縣屬百色地區(qū)，以單峰雨型為主，可直接采用芝加哥雨型進(jìn)行研究區(qū)單峰降雨的合成，百色地區(qū)設(shè)計(jì)暴雨強(qiáng)度計(jì)算見式（2）。分別推求重現(xiàn)期為10 a、50 a、100 a、200 a的逐分鐘24 h設(shè)計(jì)暴雨過程，如圖4所示。現(xiàn)有管網(wǎng)下在不同重現(xiàn)期降雨的積水量如圖5所示。

圖4 不同重現(xiàn)期降雨過程線Fig.4 Rainfall hydrographs with different return periods

式中：q為設(shè)計(jì)暴雨強(qiáng)度，mm/min；t為降雨歷時(shí)，h；P為設(shè)計(jì)重現(xiàn)期，a。

3.2 管道設(shè)計(jì)

通過ArcGIS獲取的庫(kù)區(qū)地形，根據(jù)《建筑給水排水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)第5部分：雨水》（GB 50015.05—2019）[20]、《灌溉與排水工程設(shè)計(jì)規(guī)范第7部分：排水（管）道》（GB 50288.07—2018）[21]設(shè)計(jì)庫(kù)面排水溝渠，如圖6所示。由圖6可知，對(duì)排水管網(wǎng)進(jìn)行分級(jí)，Ⅰ代表截流溝，Ⅱ代表農(nóng)溝、Ⅲ代表毛溝、剩下的溝渠則為腰溝。排水管網(wǎng)中的主干溝主要有兩條，分別命名為G數(shù)字-數(shù)字，按順序向下為支排水溝為Z數(shù)字-數(shù)字，最末端排水溝為M數(shù)字-數(shù)字，庫(kù)邊截水溝為J數(shù)字-數(shù)值（例：J1-1為位于南邊的截水溝的第一段），庫(kù)內(nèi)原有的4#排洪管井和5#排洪管井對(duì)應(yīng)的編號(hào)為GJ4、GJ5。管道采用混凝土襯砌，糙率取0.012，結(jié)合渠段實(shí)際地形等條件和工程實(shí)際，確定渠道斷面形式為矩形，具體設(shè)計(jì)參數(shù)見表2。

表2 不同等級(jí)溝渠的設(shè)計(jì)Table 2 Design of different levels of ditches

圖6 管道平面布置圖Fig.6 Drainage plan

4 結(jié)果與分析

4.1 降雨模擬結(jié)果

根據(jù)《尾礦設(shè)施設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50863—2013）[2]規(guī)定，此排泥庫(kù)屬于三等庫(kù)。該排泥庫(kù)不再運(yùn)行，進(jìn)入閉庫(kù)狀態(tài)，按重現(xiàn)期200 a進(jìn)行校核。因此，利用建立的內(nèi)澇模型分別模擬重現(xiàn)期為10 a、50 a、100 a、200 a設(shè)計(jì)暴雨情景下管網(wǎng)運(yùn)行情況，模擬分析采用規(guī)范設(shè)計(jì)的排水管網(wǎng)的排澇能力。對(duì)不同重現(xiàn)期降雨下超載管道即超負(fù)荷狀態(tài)時(shí)的管道進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見表3。

表3 不同重現(xiàn)期降雨情景下節(jié)點(diǎn)溢流和管道超載情況Table 3 Overflow node and overload pipeline under rainstorm with different return periods

由表3可知，采用現(xiàn)有規(guī)范設(shè)計(jì)的管網(wǎng)，當(dāng)重現(xiàn)期為10 a時(shí)，節(jié)點(diǎn)超載率85%，管道超載率86%，節(jié)點(diǎn)超載的平均時(shí)長(zhǎng)8.8 h，管道超載平均時(shí)長(zhǎng)6.7 h。重現(xiàn)期10 a降雨情景下管網(wǎng)排水能力分布如圖7所示。重現(xiàn)期從10 a增大到50 a時(shí)，節(jié)點(diǎn)超載率和管道超載率均增加3%，平均超載時(shí)長(zhǎng)增加3.7 h和3.6 h；當(dāng)重現(xiàn)期從10 a增大到100 a時(shí)，節(jié)點(diǎn)超載率和管道超載率分別增加7%和6%，平均超載時(shí)長(zhǎng)增加5.6 h和5.5 h；當(dāng)重現(xiàn)期從10 a增大到200 a時(shí)，節(jié)點(diǎn)超載率和管道超載率均增加9%，平均超載時(shí)長(zhǎng)增加6.9 h和6.8 h。

圖7 重現(xiàn)期10 a降雨情景下管網(wǎng)排水能力圖Fig.7 Drainage capacity map of pipe network under rainstorm with a return period of 10 years

研究結(jié)果表明：管網(wǎng)在重現(xiàn)期為10 a時(shí)，大部分溝渠出現(xiàn)了溢流現(xiàn)象，相應(yīng)的區(qū)域出現(xiàn)了地表積水的現(xiàn)象。溝渠均達(dá)到了極限排水能力，排水系統(tǒng)超載嚴(yán)重，隨著重現(xiàn)期由10 a增加至100 a，超出排水負(fù)荷的管道數(shù)量和積水地塊積水時(shí)長(zhǎng)呈現(xiàn)加速上升趨勢(shì)。主要原因是庫(kù)區(qū)周邊山體陡峻，坡度大，匯流時(shí)間快，周邊山體以灰?guī)r為主，產(chǎn)流量大，降雨持續(xù)匯聚后，進(jìn)入庫(kù)內(nèi)，入庫(kù)洪水短時(shí)間內(nèi)達(dá)到了截流溝的截流能力上限，截流溝發(fā)生超載溢流，超載洪水進(jìn)入庫(kù)內(nèi)，由庫(kù)內(nèi)排水溝渠承擔(dān)周圍山體和庫(kù)面產(chǎn)流的疏排。隨著洪水重現(xiàn)期越長(zhǎng)，在管渠排水能力一定情況下，超負(fù)荷洪水形成的積水容量越大，同樣管渠排水能力下的超載時(shí)間就越長(zhǎng)。規(guī)范未能充分考慮短時(shí)匯水沖擊，導(dǎo)致設(shè)計(jì)管道的排水能力不足，造成大面積管網(wǎng)超載，形成積水，且超載積水時(shí)間較長(zhǎng)。

4.2 庫(kù)區(qū)排水管道改進(jìn)

針對(duì)管網(wǎng)超載現(xiàn)象，采用從下游向上游逐步改進(jìn)管網(wǎng)的方法進(jìn)行優(yōu)化，能夠更好地節(jié)約改造費(fèi)用。改進(jìn)管網(wǎng)排水能力主要有兩種方法：第一種是增大管道斷面面積；第二種是增大管道坡度。而對(duì)于位于庫(kù)邊的截水溝，山體坡度較大，匯流更快，所需排水能力更大，需要改進(jìn)周邊排水溝截水能力，減小入庫(kù)洪水。通過反復(fù)調(diào)整，將截流溝斷面調(diào)整為0.9 m×0.4 m，水力坡度調(diào)整為0.006，超載干渠斷面調(diào)整為0.85 m×0.45 m，超載支渠斷面調(diào)整為0.8 m×0.4 m。

4.3 改進(jìn)后降雨模擬結(jié)果

表4為改進(jìn)后不同重現(xiàn)期降雨情景下節(jié)點(diǎn)溢流和管道超載情況。由表4可知，當(dāng)重現(xiàn)期降雨為10 a時(shí)，區(qū)域積水較改進(jìn)前下降79%，管道超載率較改進(jìn)前下降78%，節(jié)點(diǎn)超載平均時(shí)長(zhǎng)和管道超載平均時(shí)長(zhǎng)同比下降5.0 h和3.8 h；其他重現(xiàn)期降雨節(jié)點(diǎn)超載率和管道超載率較改進(jìn)前下降約70%，節(jié)點(diǎn)超載平均時(shí)長(zhǎng)和管道超載平均時(shí)長(zhǎng)同比下降約7 h和5 h。

進(jìn)一步通過洪水過程線和積水量過程線分析管道改進(jìn)對(duì)庫(kù)面洪峰流量、積水峰值等影響，如圖8和圖9所示。由圖8和圖9可知，重現(xiàn)期10 a、50 a、100 a、200 a降雨下，洪峰流量分別減少了35.34 m3/s、53.60 m3/s、61.62 m3/s、70.23 m3/s；洪峰來臨時(shí)間分別提前28 min、33 min、37 min、41 min；庫(kù)面積水深度峰值分別削減了9 591 mm、13 950 mm、15 901 mm、35 026 mm；庫(kù)面積水時(shí)間分別下降了4 h 10 min、3 h 50 min、3 h 30 min、3 h 10 min。

圖8 洪水過程線Fig.8 Flood process line

圖9 積水量過程線Fig.9 Sedimentary process line

總體而言，管道改進(jìn)后庫(kù)區(qū)排水能力大幅提升，不同重現(xiàn)期降雨情景下的節(jié)點(diǎn)超載率和管道超載率、超載時(shí)長(zhǎng)同比大幅下降；不同重現(xiàn)期降雨情景下庫(kù)面洪峰流量減少約58%，200 a降雨下減少幅度最大為59.4%，洪峰提前約35 min。200 a降雨下洪峰提前時(shí)間最大為41 min；庫(kù)面積水量削減約30%，200 a降雨下減少幅度最大為45.6%，積水時(shí)間下降約3 h 30 min，10 a降雨下積水時(shí)間下降最大為4 h 10 min。通過模型優(yōu)化后的管網(wǎng)，排水能力增強(qiáng)，使得洪水峰值得到有效削減，洪峰到來時(shí)間提前，造成庫(kù)面的積水面積更小，時(shí)間更短，有效排出入庫(kù)洪水。

5 結(jié) 論

本文以百色地區(qū)某排泥庫(kù)為例，通過SWMM模型構(gòu)建了庫(kù)區(qū)水文計(jì)算模型，演算庫(kù)區(qū)不同重現(xiàn)期的洪水宣泄過程，根據(jù)庫(kù)泥固結(jié)需求，設(shè)計(jì)面排水管網(wǎng)，用于排除地表積水，避免庫(kù)泥長(zhǎng)時(shí)間浸水，并采用SWMM模型對(duì)設(shè)計(jì)的庫(kù)面灌渠排水能力進(jìn)行校核改進(jìn)，得到以下結(jié)論。

1）建立了研究區(qū)的SWMM調(diào)洪演算模型。通過參數(shù)率定校準(zhǔn)模型，校準(zhǔn)后模型徑流系數(shù)0.683，NS系數(shù)0.833，可采用校準(zhǔn)后模型對(duì)排泥庫(kù)進(jìn)行調(diào)洪計(jì)算。發(fā)現(xiàn)尾礦庫(kù)原排水管井僅能滿足排洪要求，洪澇積水現(xiàn)象較為嚴(yán)重。

2）通過ArcGIS獲取排泥庫(kù)地形，根據(jù)規(guī)范對(duì)庫(kù)面排水管渠進(jìn)行分級(jí)設(shè)計(jì)，分別是主干溝、農(nóng)溝、毛溝、腰溝和截流溝。因山區(qū)地形復(fù)雜，匯流時(shí)間極快，按照規(guī)范設(shè)計(jì)的管渠排水能力不足，造成大面積管網(wǎng)超載。在重現(xiàn)期為10 a時(shí)，超80%的溝渠和地塊發(fā)生了超載，隨著重現(xiàn)期的增加，溢流渠道、積水時(shí)長(zhǎng)、水深成倍增加，積水現(xiàn)象明顯。

3）基于構(gòu)建的模型計(jì)算結(jié)果和排水能力等級(jí)，對(duì)超載排水管渠進(jìn)行管道斷面、管道坡度和水力坡降改造，管道改進(jìn)后庫(kù)區(qū)排水能力大幅提升，重現(xiàn)期為10 a時(shí)的節(jié)點(diǎn)超載率和管道超載率同比降幅約為70%，超載時(shí)長(zhǎng)同比降幅約為58%；200 a重現(xiàn)期降雨下庫(kù)面洪峰流量減少約58%，洪峰提前約35 min，庫(kù)面積水量削減約30%，積水時(shí)間下降約3 h 30 min，有效減少積水滲入，為尾礦庫(kù)的庫(kù)泥固結(jié)處置提供干燥有利條件。