基于SWMM模型的雨水調蓄池優化設置研究

陳麗群

(深圳市南山區水務局，廣東 深圳 518000)

飲用水的安全問題一直是國家極其重視的民生問題。近年來，城市水體污染問題已經成為約束城市可持續發展的一個難題，越來越多的專家、學者關注到了這方面的問題，例如王文亮等人在描述調蓄池對污染物負荷的削減過程時利用了統計分析法，通過該方法做出了不同重現期與其對應的調蓄池的溢流體積、溢流峰值流量的關系曲線。雖然在調蓄池方面已經有了不少研究，但是關于調蓄池的設計，仍然有許多問題沒有得到解決，比如對效果方面的分析、描述不夠清晰，調蓄池的容積確定比較繁瑣，因此，提出了基于暴雨洪水管理模型(Storm Water Management Model，SWMM)的雨水調蓄池優化設置研究。

1 基于SWMM模型的雨水調蓄池優化設置

1.1 基于SWMM模型的降雨模擬

深圳市高度重視飲用水安全工作，自1992年起在這方面一直不斷努力，鐵崗水庫作為保障深圳西部片區用水需求最主要的供水水庫受到了高度關注。鐵崗水庫所在地區多年的平均相對濕度達到了79%，此地多年平均氣溫比較舒適，為22.3℃，其中極端最低溫度能夠低至0.2℃，極端最高氣溫38.7℃，沒有超過40℃。該流域降水豐沛，多年平均降雨量為1606mm。鐵崗水庫站最大與最小年降雨量分別為2611、721.3mm，可以看出，降雨年際變化較大。

該區域每年4—9月是汛期，約占全年80%的降雨量集中在這個時間段，并且大多時候都是暴雨，這樣就容易出現洪澇災害。整體而言，降雨年內分配極不均勻。根據多年降水日統計得出，該流域平均每年140d有降水，多年平均蒸發量為1521.7mm。該流域常年盛行風向為南東東和北北東，其中夏季盛行東南風和西南風，冬季盛行東北風。多年平均風速2.6m/s，最大實測風力超過12級。該區域災害性天氣的主要原因是臺風，臺風會帶來很大的降雨量且持續時間較長，容易形成暴雨災害。近年來，亂排現象較為嚴重，牛成河成為排放居民生活污水的主要通道，經現場查勘，河道水質為黑臭水體，水質污染較為嚴重；當地居民在北部與東部的低丘陵區進行了大面積的陡坡耕種，毀壞了原有植被，致使局部地區水土流失較嚴重。為減少牛成河對鐵崗水庫水源區水質影響，在牛成河末端修建了一座水質凈化廠，在河道內修建了截流閘，攔截上游水流，處理日常生活污水；降雨時，上游來水超過牛成水質凈化廠處理規模，截流閘打開，水流直接通過下游河道進入鐵崗水庫，嚴重影響了鐵崗水庫水質安全。研究在動態模擬降雨-徑流時采用了SWMM模型，模擬各子匯水區面積上的雨水運行情況時采用了徑流組件，然后利用演算組件對通過管渠等設施進入到調蓄池系統內的徑流屬性進行計算，最后推導出最佳調蓄容積。描述調蓄池液位變化過程的蓄水曲線函數式為：

S=ADB+C

(1)

式中，S—調蓄池表面積，m2；A—蓄水曲線函數系數值；D—調蓄深度，m；B—蓄水曲線函數指數值；C—蓄水曲線函數常數值。

結合我國的暴雨強度公式，采用芝加哥過程線模型合成降雨過程：

(2)

式中，q—設計暴雨強度，L/(s·hm2);t—降雨歷時，min;P—設計重現期，a;A1，C，b，n—設計參數，按照統計方法計算確定。

暴雨峰前上升段為：

(3)

式中，ia—暴雨上升段t1瞬時暴雨強度，L/(s·hm2);a，b，c—不同地區暴雨強度公式的地方參數；t1—暴雨強度峰值峰前的持續時間，min；r—暴雨峰值相對位置系數。

暴雨峰后下降段為：

(4)

式中，ib—暴雨下降段t2瞬時暴雨強度，L/(s·hm2);t2—暴雨強度峰值峰后的持續時間，min；其他變量含義同前所述。

1.2 基于SWMM模型的雨水調蓄池優化設置

基于設計階段工程規模及邊界條件未發生變化，研究維持調蓄池規模，調蓄池容積為4.2萬m3。研究在牛成河截流閘上游新建一條2.0m×2.0m進水箱涵，將截流的牛成河中的初小雨水引入調蓄池內，并在進水箱涵末端、調蓄池進水口設置進水控制閘，控制調蓄池進出水。由于調蓄池內部調蓄空間分為2個部分，分別調蓄8mm以下和8～110mm標準的雨水，因此在2個調蓄空間進水口處設置2座分流控制閘，分別控制2種標準的調蓄進水，如圖1所示。

圖1 牛成河調蓄池進水方案布置圖

牛成河調蓄池，總匯水面積0.63km2，截排標準110mm，截排總水量4.2萬m3。根據牛成村片區50a一遇降雨過程線，如圖2(a)所示，當降雨累計達到110mm時，降雨時間為32.08h。根據牛成村片區50a一遇洪水過程線，如圖2(b)所示，降雨時間32.08h對應的洪峰流量為3.6m3/s。因此，當降雨累計達到110mm時洪峰流量為3.6m3/s，即調蓄池進水最大設計流量為3.6m3/s。

圖2 牛成村片區50a一遇降雨與洪水過程線

新建調蓄池進水箱涵尺寸為2.0m×2.0m，長度314m，坡度為1‰，流速為1.25m/s，最大過流能力為4.76m3/s，可以滿足調蓄池進水流量要求。進水箱涵起點處內底標高為29.50m，則末端處(調蓄池進水口處)內底標高為29.10m。研究設計調蓄池共設置3座進水閘，一座進水控制閘設置于進水箱涵末端，控制調蓄池的進出水，閘門尺寸2.0m×2.0m；另外2座進水閘分別設置于調蓄池2個調蓄空間的進水口處，控制8mm以下和8～110mm標準雨水的分流調蓄，2座閘門尺寸均為2.0m×2.0m。根據水閘的功能要求，結合閘址、地形、地質條件，選定了對景觀影響最小的“液壓下開式堰門”閘型。調蓄池調蓄空間分2格，一格容積0.6萬m3，調蓄8mm以下標準截流雨水；另一格容積3.6萬m3，調蓄8～110mm標準截排雨水。調蓄池進水先經過進水格柵及沉砂池，對水中主要漂浮物、砂礫等進行過濾、沉淀，經沉淀后進入調蓄池主要調蓄區域。旱季工況，牛成河控制閘保持開啟狀態，調蓄池進水控制閘和1#、2#進水分流閘保持關閉狀態。調蓄池內無水，相應的格柵等設備均不運行，清淤前，運行通風除臭設備，調蓄池的維護清淤管理可在旱季進行。小雨工況，降雨強度小于等于控制調蓄標準(8mm)時，牛成河控制閘保持關閉狀態，調蓄池進水控制閘和1#進水分流閘保持開啟狀態，匯水區域內收集的初小雨經牛成河河道及新建調蓄池進水箱涵進入調蓄池1#調蓄空間內，待調蓄池達到設計水位以下0.5m時，關閉調蓄池進水控制閘和1#進水分流閘，同時打開牛成河控制閘。在雨后工況，調蓄池排空，切換至旱天工況。大雨工況，降雨強度大于截流調蓄標準(8mm)時，降雨前期運行模式同小雨工況，調蓄池收集調蓄前8mm降雨量至1#調蓄空間；降雨中后期，調蓄池1#調蓄空間達到設計水位以下0.5m時，關閉調蓄池1#進水分流閘，打開2#進水分流閘，超8mm設計規模的中后期雨水進入調蓄池2#調蓄空間。待2#調蓄空間達到設計水位以下0.5m時，關閉調蓄池進水控制閘和2#進水分流閘，同時打開牛成河控制閘，超110mm設計規模的清潔雨水沿牛成河進入下游生態調蓄湖。在雨后工況，調蓄池排空，切換至旱天工況。雨后工況，待降雨結束后，在下游市政污水管(涵)及污水處理廠有富余量時，調蓄池內1#調蓄空間收集的8mm設計規模的污染雨水通過1#出水提升泵站排入下游市政污水管，傳輸至末端南山水質凈化廠處理。2#調蓄空間收集的8～110mm設計規模的雨水通過2#出水提升泵站排入麗水河。2#調蓄空間水位降至調蓄湖水位以下1.0m時，打開調蓄湖聯通管，調蓄湖內110mm至50a一遇設計規模的雨水進入調蓄池2#調蓄空間，通過2#出水提升泵站排入麗水河，整個流程如圖3所示。

圖3 調蓄池工藝流程圖

2 實驗與結果分析

在模擬實驗的過程中，將雨水調蓄池的容積盡可能的設置到最大。隨著時間不斷增加，調蓄池的調蓄雨量能夠達到峰值，這便是調蓄池容積的模擬結果，如圖4所示。

圖4 調蓄時間與雨量的時間關系曲線

由圖4可知，調蓄池在約10min時收集到了雨水，但是在前30min收集量很小，主要原因是雨水最開始落到地面會被泥土吸收。從30min開始，收集量大幅度增加。然后在30～60min這個時間段，雨水收集量快速增加，調蓄曲線的斜率直線上升，1#調蓄池的調蓄雨量從不到200m3增長到了接近5000m3，2#調蓄池的調蓄雨量從約1000m3增長到約33000m3。當降雨時長達到60min時，調蓄雨量平穩了下來，此時1#調蓄池的調蓄雨量為4980m3，2#調蓄池的調蓄雨量為33600m3，并且一直處于這個穩定的狀態，直至降雨時長達到240min。為了分析雨水調蓄池對污染物的凈化能力，選取了5項污染物模擬它們經過調蓄池后的污染物負荷削減率與降雨重現期之間的關系，它們在不同重現期的關系如圖5所示。

圖5 不同重現期與污染物削減率關系圖

根據圖5可以發現，在0.5a重現期時，5項污染物削減率均在86%以上；在1.0a重現期時，5項污染物削減率約為85%；到2.0a重現期時，5項污染物削減率處在77%～84%這一范圍內，其中TP的削減率與1.0a時相比，幾乎沒有下降；當到3.0a重現期時，它們的削減率為70%～83%，總懸浮固體(Total Suspended Solid，TSS)相比于2.0a重現期時有所上升，其余4項污染物的削減率均在下降；到4.0a重現期時，5項污染物削減率都有小幅度下降；在5.0a重現期時，5項污染物削減率里最低為53%，最高為66%。整體來看，前期下降比較緩慢，后期下降較為迅速。在多項污染物與不同的重現期中，選擇了重現期為1a時的TSS，通過這一污染物來描述降雨時間與污染物的關系，對2#調蓄池進行模擬，結果如圖6所示。

圖6 污染物濃度、調蓄水量與降雨時間關系圖

由圖6可知，在0～30min期間，調蓄池的進水流量逐漸增加，TSS污染物濃度也隨之增大，在約30min時達到最高，約為123mg/L。實際情況為，在開始部分就進入到調蓄池的水是從空中直接降下，沒有經過地表這一環節，因此最開始的水污染物濃度為0。隨著降雨繼續，雨水接觸到地表，與地面的污染物混合進入到調蓄池中，此時地表污染物較多，導致進入水污染物濃度迅速增加。隨著降雨持續時間的增長，在雨水混合大量污染物進入調蓄池的同時，調蓄池的整體水量在增加，因此污染物濃度會下降，直至60mg/L左右。當降雨時間達到60min時，調蓄量達到了最高，此時水不再進入，調蓄池的水污染濃度保持穩定狀態。根據模擬結果結合實際情況，能夠獲知，重現期1a時，當降雨時間到達60min時，調蓄池將TSS濃度控制到60mg/L，能夠達到污水綜合排放標準的一級排放標準。

3 結語

水乃生命之源，無論何時都應該注重水資源的保護與利用。深圳鐵崗水庫通過利用SWMM模型，優化了當地雨水調蓄池的設置。研究利用模型確定了初期雨水調蓄池的容積，并針對在實際中會遇見的不同情況進行了模擬，對調蓄池的性能進行分析以便于后期優化。實驗結果表明，該調蓄池對雨水能夠進行有效調節，且在0.5～5.0a重現期，對污染物的削減都能夠達到50%。SWMM模型能夠有效模擬降雨與調蓄池工作情況、掌握水質污染以及污染物削減情況，為建設更好的城市生態系統提供了科學依據，但研究只是將SWMM模型利用到個別方面，未來還可以探索模型更多的使用價值。