基于管理模型軟件的不同場景下暴雨排水網絡優化研究

阿依妮尕爾·艾爾肯

(新疆水利水電勘測設計研究院，烏魯木齊 830000)

0 引 言

任何地區的發展都與適當提供最基本的公共服務有關，如能源、水和衛生設施[1]。在清潔服務中，必須適當處理廢水和雨水，以減輕由于人與環境不斷相互作用而造成的健康和公共風險問題[2]。雨水排水系統的目標是在降雨期間實現公共道路上雨水徑流的快速疏散，從而避免對車輛和行人交通的影響，同時降低給定區域的洪水風險[3-4]。然而，盡管該設計考慮了天氣、地質、巖土和地形條件，但在雨季期間觀察到洪水地區和系統崩潰是很常見的。

針對上述問題，目前已有專家學者開發了建模和分析軟件，這對污水系統的設計或檢驗階段很有價值[4]。因此，為了滿足國家標準的要求如衛生法規等，在非永久性流動條件下需要進行水力分析的情況下，為了確定整個系統的行為以及在污水網的不同部分和組成部分發生的故障，有必要構建水文模型，以獲得設計上的水文曲線。本文研究使用暴雨水管理模型(SWMM)軟件，這是一個免費的雨水管理模型，模擬降水從土壤表面通過渠道網絡的運動。

此外，對城市污水系統的模擬和優化研究的目標是確定不同的水力參數，使此類項目的成本最低，從而保證污水系統不會發生溢出或超載。為此，本次研究開發了雨水污水管網的設計和優化，使用SWMM軟件進行建模，并對其進行成本分析，以確定適用于特定研究區域的最合適替代方案，同時尋找可能發生洪水事件的解決方案。

1 研究方法

為了確定系統中的故障和組成系統的元素，下面介紹本研究中使用的方法和方程。

1.1 研究區域的定義

本次研究選取新疆的3個區域，它們具有不同的地形條件，但都滿足面積等于或大于10 hm2的要求，實驗研究在所選取的3個區域中隨機獲取，以保證結果的準確性，并得以獲得相對可靠的結果。

通過使用Google Earth和CivilCAD等工具，在3個研究區內確定等高線，從而確定必要的高程，以確定街道中的水流，然后在不同的地形條件下進行設計。此外，每個街道的支流區域都是固定的，根據這些信息，可以發現流向每個研究區域的可能擴張，正如調查中所發生的那樣，路面曲線是從流向洪水的地段進行的平面時間測量中獲得的，代表重要信息，以便對道路和排水結構的表面流體動力學進行分析。

EPA SWMMH軟件需要每個子流域的附加信息，如平均坡度和寬度。

1.2 用合理的方法設計雨水排水系統

為了設計暴雨排水網絡，首先要根據國內暴雨排水網絡設計相關要求提出的方法確定重現期，其中重現期是根據研究區域的排水特征得出的。因為同一區域內發生多個排水，其中一個支流面積在2～10 hm2之間，另一個支流面積大于10 hm2，因此決定采用10 a的回歸期。因為在SWMM軟件計劃中，它必須管理一個單一的回歸期。

為了確定收集器的位置，對街道上的水膜進行先前的分析，并將超過7 cm的水膜作為洪水標準。然后，根據水和基本衛生條例以及《Hidrología Aplicada》一書中的下列方程式進行計算，具體如下：

1.2.1 輸入時間

本小節所示輸入時間為徑流到達收集器集水槽所需的時間，使用式(1)計算。需要注意的是，進入初始井的最短時間為5 min。

(1)

式中：Te為輸入時間，min；C為分離系數，無量綱；L為地表徑流的最大長度，m；S為最遠點與網絡入口點之間的平均斜率，m/m。

1.2.2 集中時間

本文中集中時間被理解為進入時間和在收集器中流動時間的總和。對于本例，因為沒有收集器，它等于進入時間。初始井的最短濃縮(Tc)時間為10 min，最大濃縮時間為20 min。

1.2.3 強度設計

它是一個排水區域的平均降雨量，單位是mm/h。強度由設計降雨持續時間(D)和重現期選取，由式(2)表示。

(2)

1.2.4 設計流量

設計流量為根據合理方法定義的地表徑流流量，適用于流域面積小于80hm2的情況，由式(3)定義。

Q=2.78*C*I*A

(3)

式中：Q為設計流量，L/s；C為徑流系數，無量綱；I為設計降雨強度，mm/h；A為流域面積，hm2；2.78是換算系數。

此外，開發聯絡線功率是為了驗證是否滿足最小鍵深度條件，必須進行能量、鍵和托盤水平的計算，確保亞臨界狀態下不會產生回水。本節的制定考慮使用國內設計標準中的方程確定井中的下降。因為獲得了較小的下降，不需要處理特殊的接頭結構，與飲用水和基本衛生部門技術規范中關于EPM污水系統設計標準的公式進行了比較。

最后，在環境保護局的雨水管理模型軟件中進行建模。作為第一步，考慮到SWMM軟件用戶手冊，為構成模型的每個元素定義初始數據，以便于數據輸入。隨后，使用繪圖工具，每個組成項目的元素都被詳細闡述，直到獲得最終模型。最后，對各研究區(高、中、低坡度)進行模擬。SWMM中的建模方法考慮了網絡的拓撲結構，包括井、直徑、截面長度、坡度、流量等元素。

2 結果分析

研究結果分為3個部分:暴雨排水網的優化、軟件建模以及對初始設計和優化后的成本分析。

2.1 暴雨排水管網優化

根據每個模擬模型最后部分生成的水文圖，對排水系統進行優化。首先，取峰值流量，并將其降低至一定百分比，以確保兩者之間的時間不超過20 min。考慮到高邊坡(圖1)、中邊坡(圖2)和低邊坡(圖3)的超載時間分別為11、12和13 min，確定3個研究區30%的減量百分比，在所有情況下均滿足所需時間。

圖1 單位過程線流量-高邊坡

圖2 單位過程線流量-中邊坡

圖3 單位過程線流量-低邊坡

2.2 建模與軟件

定義不同場景中每個部分的減少百分比，并再次確定收集器的尺寸，其目的是減小直徑，使系統在其最大容量下工作。隨后，SWMM在逐漸變化的流量中再次對設計進行建模，以檢查峰值流量的水位，給出與每個區域最具代表性的截面相對應的剖面圖，見圖4、圖5和圖6。正如在研究中所做的那樣，它開發了對可能的水淹層高度的迭代，確定實現了洪水的等高線。

圖4 水位在降水48 min時開始升高

圖5 降水開始后48 min的水位-中坡度

圖6 降水開始54 min后水位下降-低坡度

在圖4中，P29井在最大產能下工作13.2 min，P38井在最大產能下工作19.2 min。圖5顯示，對于P2段渠道，P2井和P1井分別以最大容量工作7.2和7.8 min。圖6顯示，對于P6段通道1，P6井在最大容量下工作8.40 min。根據上述情況可以看出，水膜未達到井的最大高度，這反過來決定了管道以最大容量工作，這并不意味著周圍街道存在洪水風險。

2.3 成本分析

在3個研究區域中，對傳統設計和優化設計都進行了預算。表1、表2和表3顯示了每個區域的成本差異。對于高坡度，優化節省96 876 058元，相當于17.8%；對于中等坡度區域，預算減少350 140 666元，相當于22.4%；而在低坡度區域，預算減少604 325 382元，相當于24.6%。通過分析獲得的成本結果可以發現，優化設計最適合應用于3個確定的研究領域。

表1 成本變動-高邊坡 /元

表2 成本變動-中邊坡 /元

表3 成本變動-低邊坡 /元

3 結 論

SWMM對每種設計進行建模，觀察系統在非恒定流中的行為，即使設計符合國家標準規定的要求，但發現收集器部分滿負荷工作，這意味著可以調整尺寸以提高其效率。

本文分析了設計所得的水文曲線后，估計污水系統一般水平的峰值流量減少30%。在分析軟件中運行優化后的系統時發現，有些收集井達到了產能極限，但這并不意味著存在洪水風險。因為對這些井的持續時間進行分析后發現，初始設定的持續時間小于20 min。通過初始設計和優化設計，本文研究了不同條件下的成本結構，結果顯示高邊坡節約成本17.8%，中邊坡節約22%，低邊坡節約24.6%，主要體現在開挖和管徑等選定上。