利用SWMM 模型模擬居住小區污水管網運行水力特征

黃棚蘭，龐晶津，于連澤，吳 軍*

（1.揚州市政管網有限公司，江蘇 揚州 225009；2.揚州大學環境科學與工程學院，江蘇 揚州 225009）

1 模型簡介

SWMM 模型（Storm Water Management Model）是由美國國家環保局（US EPA）開發，通常用于模擬雨水管網運行的免費開源軟件，自20 世紀70 年代SWMM 軟件開發問世以來，在全世界得到廣泛的應用[1]。目前幾乎所有SWMM 模型的應用都局限于雨水徑流的管理[2]，它可以針對單一或者長期的徑流量和水質進行模擬[3]。SWMM模型中管網水力學的計算方法和污水管網水力計算方法相似，因此本文將嘗試應用SWMM 模型針對小區居住處污水管網的水力狀態進行模擬計算。

在居住小區實行完善的雨污分流，防止雨污錯接、混接是從源頭上保證高效污水收集，減輕水體污染的重要舉措[4]。目前城市污水廠普遍存在收集污水的濃度較低[5]，雨季污水量激增，污水處理效率低下的問題。提高收集污水的濃度可以確保污水處理效率的提高，特別是污水進水中COD 濃度的提高，可以滿足污水廠反硝化脫氮所需要的碳源需求，提高污水廠總氮去除率，減少污水廠運行碳源投加量[6]。雨污錯接，雨水進入污水管網是導致雨季污水濃度降低、污水流量增加的一個重要原因。為定量了解雨水流入對污水管網水力狀態的影響，本文在一典型居住小區中應用SWMM 模型，定量分析不同雨水入流量的條件下，分析污水管網的運行狀態，為實施源頭雨污分流工作提供理論支持。

2 模型計算方法

針對揚州市某居住小區的污水管道布置情況，在SWMM 模型中布置主要污水干管和檢查井，設定管徑和管低標高，主管管徑在400～600mm 之間。在每棟樓和主管之間，設置支管，支管管徑為300mm。污水主管收集每棟樓進入支管的污水。污水管道的曼寧系數n 設定為0.01，管道截面形狀為圓形，污水管網的布置見圖1。

圖1 揚州某小區污水管網布置

每棟樓產生的污水量，按照每棟樓的住戶數，每戶平均4 口人，人均用水量116L 計算（由該小區自來水表日平均總用水量、該小區總戶數和每戶平均人口為4 人計算獲得）。為真實地反映不同時段的用水差異，不同時段的用水量數據按照圖2 一天24 小時內的差異分布計算。該分布考慮24 小時內的用水早高峰和晚高峰的情況。利用不同時段的即時用水量，而不是平均流量，可以較為準確地模擬污水管網內的即時污水流量，獲得污水管網的峰值流量。在SWMM 軟件，將圖2 設定為時間序列數據，在支管節點中設置直接入流量，并且根據每棟樓的設計人口數，設定進入支管的污水即時流量。

圖2 某居住小區人均用水在24 小時內的分布

為模擬雨水進入污水管網導致污水水力狀態改變，在建立的SWMM 模型中增加降雨強度數據。降雨從16：00 開始，22：00 結束，最大降雨強度為8mm/小時，和居民用水晚高峰重疊。

在實際的居住小區中，雨水徑流可以通過錯接、混接進入污水管道，也可以通過檢查井縫隙進入污水管道。為模擬真實情況下雨水進入污水管的效果，將整個居住小區劃分為不同的匯水面積分區，不同匯水分區的雨水徑流分別進入不同的污水支管。為考察不同比例的降雨徑流量進入污水管道的情況，將各匯水分區的不透水面積比例分別設定為0%、10%、15%、20%、30%和40%，不透水表面的洼地儲水深度設定為0mm，而透水表面的洼地儲水深度設定為1000mm。這樣做的目的，可以確保不透水表面的徑流全部進入污水管道，而透水表面的徑流完全不進入污水管道，設定的不透水面積的百分比，即可表示為進入污水管道的降雨徑流的百分比。

SWMM 模型計算時間設定為24 小時，其中0：00 到16：00 為旱流流量，16：00-24：00 為降雨和污水混合流量。

3 結果與討論

圖3 為雨水徑流進入污水管網，比例為25%條件下，19：30 分，污水管網負荷的模擬結果。在無雨水徑流進入污水管網的情況下，污水干管負荷均在其設計能力的50%以下；C17、C9、C10 和C11 管段的負荷均超過設計能力的50%。

圖3 雨水徑流進入污水管網比例為25%條件下SWMM 模擬結果

經模型計算，在雨水徑流進入污水管網，比例為25%條件下，19：30 分J22-J2 節點管段水深剖面，在25%雨水徑流進入污水管網時，J22-J2 節點管段的水深明顯較深，不過由于本模擬計算采用的雨水強度較低，在25%雨水徑流進入污水管網的情況下，并未造成污水管負荷超過其設計能力的情況。

圖4 為不同降雨徑流進水污水管網的百分比條件下，該居住小區污水排口O1 的即時流量。在無降雨徑流進水污水管網的旱流條件下，小區污水排口O1 的即時流量和居民用水量波動情況類似（圖2）。在10%和30%降雨徑流進水污水管網時，小區排口峰值流量明顯升高。

圖4 不同降雨徑流進水污水管網的百分比條件下該居住小區污水排口O1 的即時流量

降雨徑流量進入污水管網百分比從0%提高到40%，峰值流量從約4000m3/天升高到10000m3/天。峰值流量的急劇上升，會導致污水濃度的下降和污水處理廠運行困難，大量未處理污水直接溢流至水環境。本文的模型應用表明，SWMM 模型可以應用于污水管網的模擬，并且通過改變對匯水分區內的不透水表面的百分比，也可以模擬雨水徑流進入污水管網的情況。傳統的污水管道的設計計算方法采用靜態的平均流量，不能反映污水管道中的水力動態變化的特征。本文應用SMWW 模型，結合居民用水24 小時分布的統計規律，可以模擬污水管網的動態水力特征，并且可以評價雨水入流對污水管網的影響。

4 結束語

SWMM 軟件的主要用途是用于模擬降雨徑流和雨水管道，本文的計算演示表面，SWMM 軟件也可以用于模擬計算污水管網，并且結合降雨徑流模擬，可以模擬雨水入流對污水管網運行的影響。并且SWMM 為開源免費軟件，可以進行二次開發，是實現排水管網智能化管理的重要手段之一。