基于SWMM模型的老舊小區雨水管網設計研究

【摘 要】為提高老舊小區雨水排水管網應對極端天氣排水能力，提出以SWMM模型為基礎，結合場地豎向條件，對雨水管網設計進行模擬優化，提出在提升小區排水安全的同時兼顧改造的經濟性的改造方法，為老舊小區排水管網改造提供了參考。

【關鍵詞】SWMM模型； 老舊小區改造； 雨水管網； 內澇防治

【中圖分類號】TU992.03+1【文獻標志碼】A

0 引言

城市更新及老舊小區改造是近年來國家重點推行的民生改善工程，有效解決舊城資源整合的難題，推動城市更新和開發建設方式轉型，促進投資的涌入，滿足人民對美好生活需求。老舊小區改造基礎目標是努力讓城市“有里有面”、 百姓安居樂業，解決積水內澇的安全問題備受居民關注［1］。由于下墊面硬質占比較大、管網破損嚴重、雨污合流等原因，頻發短歷時、強降雨天氣引起的雨水不能及時排走，從而引起小區內部積水內澇。因此，多數老舊小區將給排水管網改造納入重點優先解決的問題［2］。

1 老舊小區室外雨水管網改造現狀分析

老舊小區室外雨水管網改造在實際過程中大多數只考慮在設計重現期內順利將雨水排出，隨著海綿城市理念的興起，雨水排水改造也常結合海綿設施共同考慮，適當對于場地雨水進行滯蓄、緩排，該種結合方式對于場地中下雨控制具有顯著作用，但對于諸如大雨、暴雨等遠超管網及海綿設施重現期情況下降雨引起的場地積水及內澇風險防范仍未引入有較為準確的前期設計手段［3］。因此，對于此種情況，提出以SWMM模型為手段，對標準重現期設計下的雨水管網及場地排水情況進行模擬分析，并結合典型的內澇重現期下降雨情況，提前預判場地存在的排水風險問題，優化場地排水方式［4-8］。本次研究以成都某老舊小區改造為例，對標準設計重現期（P=3年）及該區域歷史真實內澇防治降雨情況下（P=50年，t=6 h，降雨量約158 mm）的排水情況為例，對傳統雨水排水設計進行優化。

2 管網模擬分析

2.1 改造小區概況

如圖1所示，小區位于成都市某老舊片區，總面積約5 100 m2，其整體較為平整，高差不足0.5 m，無較大起伏。小區下墊面主要由普通硬質屋面、硬質道路廣場、綠地組成，無地下室，小區綜合雨量徑流系數約0.74（表1）。

2.2 基于SWMM模型的室外排水防澇分析

2.2.1 3年一遇2 h小區排水能力分析

小區初始設計管網布置情況如圖2所示，各管線參數見總計51250.74100表2，整個小區共分為1個排水分區，排水設計滿足重現期為3年排水要求，本次研究小區具有1個可用市政雨水接口，市政排水管徑為DN500。

根據成都市暴雨強度公式計算可知，小區在重現期P=3，降雨歷時t=10 min時，小區設計暴雨強度i=1.8 mm/min，雨水流量約Q=112 L/s。總排出管管徑為DN500，坡度約為0.002，粗糙系數n=0.009，設計排水能力約243 L/s，滿足排水要求。并通過模擬軟件對排水能力進行評估，模擬采用徑流系數法，不考慮地表下滲等因素，雨型采用芝加哥雨型，雨峰系數取0.4，降雨歷時為2 h，時間間隔為5 min，總降雨量為61.7 mm，評估結果如表3所示，流速均為未超最大流速要求，各管段均正常出流，未產生帶壓管段及雨水溢出情況。總體來看，初始管線布置滿足3年一遇設計排水要求，但存在管道排水均勻性較差的情況。

2.2.2 50年一遇6 h小區排水能力分析

本次模擬以該區域歷史典型易澇的降雨數據作為管道網校核條件（50年一遇6 h降雨），總降雨量約158 mm，降雨情況如圖3所示。

為提升小區的排水安全及優化排水管網設計提供參考。在該降雨條件下，小區管網出現了滿流帶壓的過流情況（本次將大于滿流5 min以上的排水狀態定義為過流。實際模擬過程中所有管段均出現過大于滿流的壓力流狀態），并在多個檢查井節點處模擬出現不同時間不同水量的積水情況，具體過流管段及最大積水量與壓力流管段見表4及圖4。

結合表4積水節點及積水量與過流管道的過流時間分析，管網壓力主要集中于Y9～Y12管段。Y16、Y13、Y14、Y1等雖有較大積水量，但相應管段過流時間不長，主要是受下游排水不暢引起，因此其積水點消除快。根據進一步模擬分析，積水點主要分布在節點Y9處，位置詳見圖4，主要原因為：①該處為管道匯流節點排水壓力大，檢查井產生溢流；②該處豎向為場地較低點，上游積水節點的水流通過地表形成徑流向該處匯流，形成雨水聚積。積水點深度及流量時間曲線詳見圖5、圖6。積水深度約為0.2 m，時間約15 min，最大積水量約8 m3，對居民出行有較大影響。

2.2.3 優化措施及優化后模擬分析

本次優化原則以保障排水安全為主同時兼顧經濟性。根據前述分析，在暴雨情況下，場地排水不暢并出現局部積水主要可能原因為管段Y8～Y12排水能力不足造成，因此本次模擬優化措施首先將Y8～Y11管管均放大一級，取DN500，坡度為0.002，模擬結果顯示通過放大一級該部分管段即可消除場地積水。

為進一步優化管網，尋求避免過度設計，本次進一步將放大管段縮小至Y9～Y11，及Y10～Y11。模擬結果顯示，當Y9～Y11均放大到DN500時，場地未出現積水情況，當只將Y10～Y11管徑放大為DN500時，潛在積水節點及積水點仍存在。因此本次管網優化措施主要分析兩種情況：①Y8～Y11管管均放大一級；②Y9～Y11管管均放大一級。兩種情況下場地均不產生積水，因此主要對比兩種情況管道過流情況。如表5所示，可見兩種情況下管網過流情況基本一致，Y8～Y9管段不是關鍵管段，因此結合經濟原則，以及考慮到暴雨情況的頻率本次優化選擇情況二的方式，即Y9～Y11管管均放大一級，取DN500，坡度取0.002。

3 結束語

本文通過采用SWMM模型，結合實際實際工程案例改造，通過歷史內澇發生時降雨情況，分析了傳統雨水設計情況小區在設計降雨與極端天氣情況下的排水能力，提出了較傳統設計相對準確且更具針對性的優化措施及設計思路。通過模擬分析，本項目只需簡單對末端幾處管網進行調整即可大幅提高場地排能力，減少內澇隱患，對后續大量類似老舊小區管網改造具有較大的參考價值。同時，有條件的項目還可結合綠色海綿措施及調蓄池等進一步優化場地排水管網設計，以較為經濟的方式提高場地排水安全保障。

參考文獻

［1］ 張廷波，范慶寶，段耀君.城鎮老舊小區改造的對策研究［J］.科技與創新，2022， 208（16）：100-102..

［2］ 彭俊，戴仲怡，李瑞成.住宅小區雨污分流管網改造工程技術措施實踐探析［J］.給水排水，2017，53（6）：103-105.

［3］ 王家良，龔克娜，楊艷梅，等.建筑與小區海綿城市設計研究［J］.四川建筑，2019，39（6）：303-307.

［4］ 萬堅.基于SWMM的內澇防治設施的優化改造模擬［J］.安徽建筑，2020，27（12）：111-113.

［5］ 張士官，呂謀，焦春蛟，等.基于SWMM模型的雨水管網改造方案優化研究［J］.水電能源科學，2020，38（2）：114-117.

［6］ 肖國軍，張瑞峰，楊高偉.基于GIS（地理信息系統）的SWMM模型在城市雨水管網優化改造中的應用研究［J］.四川建筑，2018，38（5）：237-239.

［7］ 楊祺琪，張書亮，戴強，等.基于SWMM和改進差分進化算法的雨水管網優化方法［J］.中國給水排水，2016，32（17）：115-119+124.

［8］ 李彥偉，尤學一，季民，等.基于SWMM模型的雨水管網優化［J］.中國給水排水，2010，26（23）：40-43.

［基金項目］2020年度四川華西集團科技項目（項目編號：HXKX20201010）、2020年度四川省建筑設計研究院有限公司科技項目（項目編號：KYYN202014）

［作者簡介］邱壯（1991—），男，碩士，工程師，從事給水排水及海綿城市研究及設計工作。