基于SWMM模型的管網雨污分流改造效果評估研究

潘正可 李翔泉

摘要：以湖南省益陽市秀峰湖片區為研究對象，利用SWMM模型分別構建現狀及雨污分流改造工程實施后的概化雨污水模型，并采用2 a一遇的設計降雨模擬和量化評估項目建設效果。研究結果表明：① 沿金山路33.1%的管段不滿足2 a一遇排水能力要求，在設計降雨條件下片區溢流至資江的合流污水量約27.41萬t;② 改建后的污水系統全部能滿足設計工況下的排污要求，實現污水系統不溢流，污水管網不過載;③ 改建后的雨水系統能顯著緩解金山路沿線的內澇問題，并削減了西流灣泵站處峰值流量3.5 m3/s。

關鍵詞：雨污分流; 排水管網模擬; SWMM; 益陽市; 秀峰湖片區

中圖法分類號： X522 文獻標志碼：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2022.06.020

文章編號：1006 - 0081（2022）06 - 0110 - 07

0 引 言

在開展雨污分流提升改造和市政排水系統提質增效項目中[1-4]，如何定量評估項目實施前后的改造效果是一大難題[5-8]。目前關于管網雨污分流改造項目的研究主要集中于現狀管網的模擬和效能評估[9-11]。例如，Zhang 等[12]利用城市暴雨管理模型（Storm Water Management Model，SWMM）模擬了湖北省恩施市一個片區的降雨-徑流和管網匯流過程，結果表明：SWMM軟件能夠較為可靠地模擬研究區在設計條件下的排水能力。王嘉儀等[13]通過耦合氣象、水文和城市雨洪模型，模擬研究了河南省鄭州市運糧河組團的洪澇風險，并為該片區的排水系統規劃提供了數據基礎。現有的相關研究主要聚焦于單一分流制排水體制或合流制排水體制下的現狀雨（污）水過流能力模擬，目前仍缺乏復雜排水體制條件下（即片區同時包含分流制排水單元和合流制排水單元）城市排水網絡系統化改造效果方面的評估研究。因此，本研究以長江中下游的湖南省益陽市秀峰湖片區（部分為分流制排水體制，部分為合流制排水體制）為研究對象，利用SWMM模型模擬和評估管網雨污分流改造項目建設對城鎮水環境提升和片區內澇削減的效果，并為后續長江流域城鎮管網改造設計和評估提供參考。

1 區域概況

1.1 研究區域概況

益陽市位于長江中下游平原，地處湖南中偏北部，跨越資水中下游，環洞庭湖西南。市境屬亞熱帶大陸性季風濕潤氣候，年降雨量1 230 ～1 700 mm，年平均氣溫16.1～16.9 ℃，夏季雨水豐富，雨熱同期，暴雨日數多。市域內地形西高東低，呈狹長狀。此外，益陽市緊鄰湖南核心增長極長沙市，又是洞庭湖生態經濟區的重要組成部分，區位優勢明顯，近年來經濟發展迅速。益陽市共下轄7個區縣和1個高新區，其中主城區主要由資陽區和赫山區組成，主城區總面積約為1 851 km2。

秀峰湖片區位于益陽市赫山區西北，資江南側。其范圍主要包括南至鹿角園路、北至資江、西至云樹路、東至康富路所圍區域，總面積約為9.58 km2，是益陽市開發強度最高的中心城區部分之一。該片區地形地勢東西高、中間低，低處基本在金山路、秀峰湖公園一線;南北方向則由南往北逐步降低，坡向資江，最低點在秀峰湖處。益陽市及秀峰湖片區地理位置如圖1所示。

1.2 研究區排水現狀

秀峰湖片區以益陽大道為界，南側主干道（金山路、康富路、玉蘭路）已按分流排水體制分別建設有雨水管和污水管，而益陽大道以北片區仍為雨污合流制排水體制，上游分流制管道匯合接入現狀合流管渠，導致整個區域仍為雨污合流制。此外，根據“高水高排、低水低排”的原則確定排水分區，該片區參照地面高程及防洪規劃要求，確定地面高程低于資江100 a一遇防洪需求的區域為低排區，反之為高排區。具體而言，片區內海棠路以北、金山路以西為低排區，其余片區為高排區。秀峰片區的排口位于片區最北側，即西流灣泵站處。

根據前期調查研究結果，該片區現狀排水主要存在以下兩個問題。

（1） 片區排水體制為雨污合流制，雨季存在污水溢流至資江的情況。片區內污水通過最下游的西流灣泵站提升至團洲污水處理廠，因泵站提升能力有限，導致雨季有部分合流污水溢流至資江，而溢流口位于益陽市第三水廠飲用水水源一級保護區范圍內，直接威脅飲用水水質。

（2） 金山路沿線為秀峰湖片區最低處，東西兩側向金山路沿線匯流，沿線管網排水能力不足，部分路段雨季內澇多發，影響市民出行安全;此外，由于管網為雨污合流，內澇漬水臟，水安全風險突出。

2 SWMM模型構建

2.1 模型簡介

SWMM是美國國家環境保護局（U.S. Environmental Protection Agency，USEPA）研發的城市暴雨管理模型，主要用于城市區域徑流水量和水質的單一事件或者長期（連續）模擬評估，模型主要包括水文、水力、水質和低影響開發模塊[12，13-16]。該模型自開發以來，在世界范圍內已被廣泛用于城市地區的暴雨洪水、合流式下水道、排污管道以及其他排水系統的規劃、分析和設計工作[16-18]。

根據GB 50014-2021《室外排水設計規范》，當匯水面積超過2 km2時，宜采用數學模型法計算雨水設計流量。因此，本文采用SWMM排水模型對管網匯流進行管道過流能力校核和雨污水設計流量的模擬計算。

2.2 模型計算原理

SWMM首先以片區數字高程模型（DEM）為基礎將研究區劃分為多個子匯水區，在每個匯水區內，分別進行地表產流和地表匯流計算，模型采用超滲產流計算，產流計算模式共有Horton下滲模式、Green-Ampt下滲曲線和SCS徑流曲線3種方式。其中Horton下滲模式因其計算便捷、結果合理等特性而被廣泛應用。SWMM坡面匯流計算采用非線性水庫計算。SWMM模型主要通過質量守恒和動量守恒方程計算管道中的恒定流和非恒定流。模型內管網計算主要方法包括：恒定流法、運動波法以及動力波法。3種計算方法對比而言，由于動力波法是通過求解完整的一維非恒定流Saint-Vennant方程組（式1）來進行河道演算，理論計算結果最為準確。因此，本文產流計算采用Horton下滲模式，管網匯流采用動力波法計算。

式中：[x]為距離;t為時間;A為過流斷面面積;Q為流量;H為管渠中水頭;Sf為摩擦坡度（單位長度水頭損失）;g為重力加速度。

2.3 模型概化和參數確定

2.3.1 匯水區概化

以研究片區DEM數據為基礎、并結合泰森多邊形和人工修正法，開展區域雨水匯水區劃分工作。經過概化后，現狀合流制排水管網模型共計有1 498個檢查井，1個排放口（西流灣泵站），1 497個管段，1 498個匯水區。匯水區劃分如圖2所示。

2.3.2 模型參數確定

在建模過程中，基于區域內相關數據收集和實地測量工作，并結合相關模型手冊和文獻進行模型參數的設置。參數設置內容具體包括旱季入流參數（包括日入流量、入流變化曲線等）、管網匯流參數（包括曼寧糙率系數等）和模型邊界條件（包括下游邊界條件等）。此外，利用GIS空間地理數據分析技術和矯正方法，獲取各子匯水區重要水文參數。模型參數具體情況如表1所示。此外，各監測點位的流量、流速以及各污染物的濃度采用分晴雨天實測方式獲取，各污染物濃度衰減系數利用實測數據率定得到。其中，在關鍵位置實施連續多日監測，采用每日多次取樣檢測方式測定。

2.4 模型輸入

根據益陽市相關上位規劃文件要求，新建城區城市道路雨水管道設計暴雨重現期按2 a進行設計;下墊面條件差，地勢較低的地區、重要的商業區和學校醫院等采用3 a進行設計。綜合考慮秀峰湖片區的實際情況，該片區的設計暴雨重現期按照2 a考慮。

益陽市設計暴雨強度采用益陽市新編暴雨強度公式計算，具體如式（2）所示：

式中：q為設計暴雨強度;P為設計重現期，取2 a;設計降水歷時t=t1+t2，其中t1為地面集水時間，t2為管渠內雨水流行時間。

參考規劃要求并根據益陽市暴雨強度公式，通過芝加哥暴雨生成器建立重現期為2 a、降雨歷時為120 min、雨峰系數為0.25的降雨事件，并對現有管網進行模擬，降雨過程線如圖3所示。

由于區域內的排水管道大部分為合流制管道，在對現狀排水系統進行排水能力模擬的同時考慮了合流管道污水的匯入，污水流量具體通過對晴天合流管道的污水流量進行實測獲得。此外，本次模擬同時考慮了區域內污水及污染物在管道內的遷移分解過程。模擬污染物類型主要包括：COD、氨氮、總氮和總磷。模擬運行開始時間以降雨事件開始時間為準，結束時間比降雨結束時間推遲5～6 h，晴雨天匯流計算步長均為1 min，結果展示匯報步長為10 min。

3 現狀排水系統排水能力評估

模擬的溢流節點和過載管道分布如圖4所示。圖中藍色線條表示不滿足2 a一遇重現期工況的管段。紅色點表示可能的溢流點。

不滿足2 a一遇排水能力的管段主要集中在金山路一線（主要包括益陽大道-秀峰湖段，玉蘭路-海棠路段），不滿足設計標準的管段約占金山路沿線市政管段的33.1%。選取金山南路（鹿角園路-海棠路管段）為例說明管道過載情況。圖5為該管段的縱斷面示意，表明在2 a一遇的工況下金山南路（江海路-海棠路管段）在該時段內有管道過載現象。此外，經實地踏勘和現場核對，通過模型模擬得到的現狀過載管段、潛在溢流位置結果與實際情況總體一致。

秀峰片區最低點，即西流灣泵站位置處，其現狀最大排放能力為19.89 m3/s （排漬18.78 m3/s+排污1.11 m3/s），而在模擬時段內流經西流灣泵站的峰值流量達到35.78 m3/s，表明在徑流峰值的前后時段西流灣泵站處將出現溢流情況。經校核，《益陽市排水（雨水）管網系統規劃》中西流灣泵站處的需排水量為36.68 m3/s，與該次模擬結果相近。由此發現SWMM模型對管網現狀排水能力進行模擬的結果與上位規劃結果總體一致。

西流灣泵站處的匯總流量過程及低排區和高排區管涵各自的匯水流量過程如圖6所示。

計算設計工況下該場次暴雨徑流事件導致的溢流水量和溢流污染物的質量。結果表明：設計暴雨事件將導致約27.41萬t的溢流水量排入到資江內。在溢流的水量內分別估計得到各種污染物的質量：COD為41.2 t;氨氮為133.4 kg;總磷為103.1 kg;總氮為3.20 t。

4 設計排水系統排水能力評估

4.1 方案設計

依據規劃要求，根據模擬結果和現場調研開展方案設計工作。具體設計內容包括：

（1） 污水管網布置。利用現狀合流管道并新建污水管，以金山路下方污水管道為區域污水主通道，新建片區污水管均坡向該主干管，圍山渠（位于秀峰湖東側的排水渠）東側污水管穿過圍山渠后接入金山路污水管，后沿秀峰湖東側新建污水主干管，最終污水主干管接入西流灣污水泵站后提升進入團洲污水處理廠。污水管網總體布置如圖7（a）所示。

（2） 雨水管網布置。① 實施秀峰湖片區管道及西流灣泵站雨污分流，保證雨水管道內日常無積水，充分發揮管道的調蓄及過流能力; ② 擴建西流灣雨水泵站并連通秀峰湖，提高排澇能力;③ 新建金山路（益陽大道-秀峰湖2 m[×]2 m雨水管道、秀峰湖-濱江路-西流灣泵站DN2000管段以緩解金山北路內澇問題;④ 新建梓山路-丁香路-海棠路DN1800管道，接入秀峰湖東側圍山渠，解決金山路南段管道過流能力不足問題;⑤ 由于部分合流管道改為污水管道，在其附近新建相應雨水管道。總體布置如圖7（b）所示。

4.2 工程建設效果評估

4.2.1 污水管網改建效果評估

在實施雨污分流后，對規劃污水管道和雨水管道在2 a重現期下的排污和排水能力分別進行模擬。首先對改建后的污水管道建模。模型模擬結果表明：污水管道改建后，模擬時段內片區內產生的所有污水全部能匯流到西流灣泵站，全部污水管網不過載，且不造成污水溢流至資江。金山路（鹿角園路-秀峰湖）管段和秀峰湖-西流灣泵站處的管段縱截面如圖8所示。由此表明雨污分流改造項目能顯著削減入江污染物量、改善污水溢流進入保護區和城市水污染問題，將大幅改善河湖水質和提升城市景觀形象，對改善居民生活條件、提升市民健康水平有十分重要的作用。

4.2.2 雨水管網改建效果評估

對改建后的雨水管網在2 a重現期下的排水能力建模，西流灣泵站處、低排區和高排區的匯水流量過程結果如圖9所示。

模擬結果表明：通過考慮秀峰湖的調蓄作用和管網改造，雨污分流改造后西流灣泵站處的最大流量為32.28 m3/s，與改造前相比，峰值流量減少9.8%（3.5 m3/s）。金山路管涵匯水區峰值流量為19.23 m3/s，同比增大47.3%;圍山渠峰值流量為14.83 m3/s，同比減少38.3%。此外，分析改造后的排水管網過道過載發現，管網改造后片區內的管道過載現象得到有效緩解，金山路沿線的溢流和過載現象基本消失。此外，通過泵站改擴建，提升西流灣泵站的最大排澇能力[Qmax]至33～34 m3/s，消除了因外排能力不足導致的泵站前池壅水外溢現象。

4.2.3 內澇風險評估

根據規劃要求，結合SWMM模型和ArcGIS軟件開展片區的內澇評估，評估改建前后的雨水管網在30 a一遇6 h設計暴雨下的內澇風險情況，具體評估片區在設計工況下改建前后的最大積水深度、以及退水3 h后的積水深度。結果如圖10所示。

模擬結果表明：在雨水管網改造前，金山路、益陽大道、桐子壩巷、梓山路、玉蘭路等路段都發生明顯的內澇積水現象，其中以金山路，特別是秀峰湖西廣場內澇積水尤為嚴重，最大積水深度超過1 m，以上內澇現象與實際調研基本相符。此外，由于泵站抽排能力不足，片區雨水沿地勢匯入秀峰湖，這體現出湖泊的調蓄功能對于減輕城市內澇是有益的。雨后3 h，經過泵站強排，片區內的路段積水基本退去。對秀峰湖片區雨水管網進行系統改造后，特別是增大西流灣泵站的強排能力后，區域內各處的最大積水受限于管網輸運能力而積水范圍不變，但程度有所減輕，且雨后市政道路的積水退水明顯加快，充分展示了治理成效。

5 結 論

本文以SWMM模型為基礎，以2 a一遇的設計降雨和實測污水污染物數據為輸入，分別構建了益陽市秀峰湖片區現狀雨污合流制排水系統、雨污分流改造工程實施后的雨水管網和污水管網系統的概化模型，評估研究區在改造前后的管網排水排污能力以及項目建設效果，后采用30 a一遇的6 h降雨校核片區工程實施前后的內澇情況，具體結論如下。

（1） 現狀不滿足2 a一遇排水能力的管段和溢流點主要集中在金山路（益陽大道—秀峰湖段，玉蘭路—海棠路段），在設計降雨條件下溢流至資江的合流污水量約27.41萬t。

（2） 改建的污水系統能滿足設計工況下的排污要求，污水系統不溢流，污水管網全部不過載，晴雨季全部污染物均能通過西流灣泵站輸送至團洲污水處理廠。

（3） 改建的排水系統能滿足設計工況下的排水要求，西流灣泵站處峰值流量削減了9.8%（3.5 m3/s），金山北路和金山南路的內澇問題得到有效解決。

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Effect evaluation of reconstruction of rainwater and sewage diversion network based on SWMM in Xiufeng Lake area of Yiyang City

PAN Zhengke， LI Xiangquan

（Changjiang Survey， Planning， Design and Research Co.， Ltd.， Wuhan 430010， China）

Abstract： In order to simulate and quantify the effects of the reconstruction of a rainwater and sewage diversion system in Xiufeng Lake area of Yiyang city， Hunan provinces，we firstly used the Storm Water Management Model （SWMM） to generalize the current Combined Sewer System and the projected Separate Sewer System after construction of rainwater and sewage diversion system. Secondly， the designed rainfall event with a return period of 2-years was applied in the study area. The results indicated that ① 33.1% of current pipe sections along Jinshan Road could not meet the rainwater drainage ability of the return period of the 2-years. Under the designed rainfall event， the combined sewage overflowing from the study area to the Zijiang river was about 274，100 tons. ② Reconstructed sewage system could satisfy the maximum sewage-disposal requirements under the design conditions， and realize that the constructed sewage system would not overflow and the sewage pipe network would not overload. ③ Reconstructed rainwater system could significantly alleviate the waterlogging problem along the Jinshan Road and the peak flow at the Xiliuwan Pumping Station is reduced by 3.5 m3/s.

Key words：distribution and reconstruction of rainwater and sewage; drainage network simulation; SWMM;? Yiyang city; Hunan Province