基于ArcGIS和SWMM的閉庫排泥庫雨水管網改造研究與應用

趙 宸，梁 泓，田 凱，莫良貫，何祖杰

（1.中建五局廣西建設有限公司，廣西 南寧 530000；2.南寧市排水有限責任公司，廣西 南寧 530028；3.湖南華工建設有限公司，湖南 長沙 410021；4.廣西大學土木建筑工程學院，廣西 南寧 530004；5.廣西瑞宇建筑科技有限公司廣西金屬尾礦安全防控工程技術研究中心，廣西 南寧 530000）

0 引 言

根據廣西壯族自治區應急管理廳相關數據，截至2020年底，廣西共有尾礦庫202座，病庫或險庫占到所有尾礦庫的57%。其中，百色市現存大型尾礦庫14座，總庫容達7 181×104m3，最大堆積深度超過70 m，最大庫面占地面積為494.97 hm2。高含水量尾礦泥堆儲在排泥庫中，形成人造泥石流的危險源[1]。《尾礦設施設計規范》（GB 50863—2013）[2]提出對有條件的閉庫排泥庫進行復墾。閉庫后的排泥庫庫面缺乏有效的排澇系統，在降雨積水情況下庫面積水無法有效排出，采用排水固結的方法無法使泥漿固結，這直接影響到固結土層的穩定和復墾作物種植。因此，科學合理地計算排泥庫流域的降雨徑流，開展閉庫排泥庫的防洪排澇工程設計及建設迫在眉睫。陳雯[3]通過對尾礦庫現有排洪系統的進水斜槽進行優化設計，為優化尾礦庫的排洪系統和尾礦庫安全運行提供參考；劉曉非等[4]通過準確的調洪演算，確定了尾礦庫的安全運行參數，為尾礦庫安全管理提供依據；劉明生等[5]采用水力學方法對尾礦庫排洪系統進行計算，并提出了優化改進意見；楊文兵等[6]采用暴雨洪水法對尾礦庫進行分析，為尾礦庫的安全運行提供了指導；鄧書申[7]對尾礦庫不同進水口斷面排水系統會出現的堰流、壓力流、半壓力流三種流態分別進行了計算對比，提出了排洪系統進水口優化方案；王漢勛等[8]采用Geo-studio及STAB土質邊坡穩定性分析軟件，對暴雨加地震工況下的尾礦庫進行分析，為尾礦庫潰壩危險性評價提供了科學依據。在城市水文模擬方面，DAI等[9]采用CA-SWMM模型對城市已建排水管網進行模擬，為城市降雨徑流和NPS污染模擬的優化設計提供了有效的工具；MA等[10]通過SWMM模型系統模擬城市洪水，結果表明該系統可以預測從城市降雨到城市洪水形成的整個過程；ZENG等[11]利用SWMM模型和WEB技術實現了實時城市雨水管理，而且WEB-SWMM水文模型框架也適用于大多數現有的水文模型，為解決城市雨水實時監測提供了技術手段。

根據目前國內外研究可知，尾礦庫的排水研究主要集中在對庫區洪水的宣泄方面，而對庫面的排澇方面未見研究。庫面洪澇積水會不斷向土體內部滲入，影響庫區內土體的固結，長時間處于高含水率下的細黏粒庫泥是一種人工堆填泥石流源，時刻影響下游村莊安全。本文以百色市某排泥庫為例，通過SWMM構建庫區水文模型，進行庫區的調洪演算，校核庫區排水系統的泄洪能力，對庫面排水管網進行重新設計分析，解決庫面受澇問題。實現閉庫排泥庫流域水文的設計與建設，為類似工程水文計算提供新手段。

1 研究區概況

本文選取百色市某排泥庫為研究對象。該排泥庫所屬地區屬亞熱帶季風性石灰巖高原氣候，雨量充沛，根據當地氣象站多年觀測資料，年平均降水量約為1 659 mm，主要降雨集中在每年的5月—8月，約占全年總降雨量的70%；日最大降雨量為180 mm，為三十年一遇。研究區年平均氣溫19.1 ℃，極端最高氣溫為38 ℃，極端最低氣溫為-1.9 ℃；最大24 h暴雨變差系數Cv24=0.45，最大24 h暴雨偏差系數CS=3.5Cv24。

2 模型建立及庫區調洪計算

數字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）是構建降雨徑流模型中地形、流向及自然水系的關鍵數據。ArcGIS軟件為用戶提供一個可伸縮的、全面的地理信息系統平臺，是構建地理信息的關鍵軟件。將25 m×25 m的DEM格柵文件導入ArcGIS軟件中，獲得研究區的地表高程圖（圖1）。根據ArcGIS軟件數據測算得到研究區匯水面積為0.76 km2，屬于特小匯水面積。對研究區地面坡度進行統計，得出四周山體坡度較陡，在20%～50%之間；庫內泥面坡度較為平緩，在0.22%～1.00%之間。由此建立閉庫排泥庫基礎SWMM模型，如圖2所示。

圖1 閉庫排泥庫數字高程模型Fig.1 Digital elevation model of closed pond tailings pond

圖2 閉庫排泥庫SWMM模型Fig.2 SWMM model of closed pond tailings pond

2.1 初始參數設定

選取建模需要設置的參數，其中，子匯水區平均坡度、子匯水區特征寬度已經通過ArcGIS軟件進行準確取值。因此，這兩個參數不再需要進行率定，需要進行率定的參數范圍及初始值見表1。

表1 模型水力水文模塊主要參數取值Table 1 Values of the main parameters in hydraulic and hydrological module of model

2.2 模型參數率定

為解決模擬精度問題，采用徑流系數法、實測數據對比法對模型參數進行率定。

1）徑流系數法。在SWMM模型參數率定[12-14]中，可以通過綜合徑流系數對缺乏實測數據的排水管網模型進行，參數率定過程需要對不同類型的地表進行率定，對于地表徑流截留作用較為明顯，周邊子匯水區徑流系數取值在0.6～0.8之間。根據實地調研，庫底表面性狀接近于水田的狀態，故其徑流系數取值在0.7～0.8之間。綜合考慮不同子匯水面積占比，研究區域徑流系數應當在0.65～0.75之間。

2）實測數據對比法。采用Nash-sutcliffe系數（以下簡稱“NS系數”，式（1））對模擬結果和實測結果進行評價，NS系數越接近1，說明模擬結果和實測結果吻合度越高。MA等[10]研究發現，模型NS系數越大，模型模擬值和觀測值越接近，大于0.7說明兩者已經能達到較好的吻合度。

首先，采用徑流系數法進行粗略率定，將初始值帶入模型進行計算，調整參數，直到徑流系數落在預設區間內；然后，輸入實測降雨強度數據進行模擬，將模擬值與實測降雨數據進行對比，反復調整參數，直至模擬結果與實測數據NS系數大于0.7。

按照參數率定法，反復調整參數計算得到徑流系數0.683，模擬計算水位結果和實測水位進行對比（圖3），NS系數為0.833，建立的SWMM模型與庫內水文情況具有較好的吻合度，校正后的參數見表1。

圖3 實測降雨率定Fig.3 Actual measured rainfall rate

3 模型洪水演算及庫區排水設計

3.1 設計暴雨

通過確定參數率定，建立排泥庫庫區的水文模型，NS系數0.833，該模型與實際情況吻合度較好。采用建立的SWMM模型對閉庫排泥庫進行調洪演算，為了分析研究區不同降雨情景下的內澇淹沒情況，本文設計了多組降雨情景作為模型輸入邊界條件。通過查閱文獻[15-19]可知，可通過芝加哥暴雨公式合成庫區降雨使相對誤差在可以接受的范圍內。靖西縣屬百色地區，以單峰雨型為主，可直接采用芝加哥雨型進行研究區單峰降雨的合成，百色地區設計暴雨強度計算見式（2）。分別推求重現期為10 a、50 a、100 a、200 a的逐分鐘24 h設計暴雨過程，如圖4所示。現有管網下在不同重現期降雨的積水量如圖5所示。

圖4 不同重現期降雨過程線Fig.4 Rainfall hydrographs with different return periods

式中：q為設計暴雨強度，mm/min；t為降雨歷時，h；P為設計重現期，a。

3.2 管道設計

通過ArcGIS獲取的庫區地形，根據《建筑給水排水設計標準第5部分：雨水》（GB 50015.05—2019）[20]、《灌溉與排水工程設計規范第7部分：排水（管）道》（GB 50288.07—2018）[21]設計庫面排水溝渠，如圖6所示。由圖6可知，對排水管網進行分級，Ⅰ代表截流溝，Ⅱ代表農溝、Ⅲ代表毛溝、剩下的溝渠則為腰溝。排水管網中的主干溝主要有兩條，分別命名為G數字-數字，按順序向下為支排水溝為Z數字-數字，最末端排水溝為M數字-數字，庫邊截水溝為J數字-數值（例：J1-1為位于南邊的截水溝的第一段），庫內原有的4#排洪管井和5#排洪管井對應的編號為GJ4、GJ5。管道采用混凝土襯砌，糙率取0.012，結合渠段實際地形等條件和工程實際，確定渠道斷面形式為矩形，具體設計參數見表2。

表2 不同等級溝渠的設計Table 2 Design of different levels of ditches

圖6 管道平面布置圖Fig.6 Drainage plan

4 結果與分析

4.1 降雨模擬結果

根據《尾礦設施設計規范》（GB 50863—2013）[2]規定，此排泥庫屬于三等庫。該排泥庫不再運行，進入閉庫狀態，按重現期200 a進行校核。因此，利用建立的內澇模型分別模擬重現期為10 a、50 a、100 a、200 a設計暴雨情景下管網運行情況，模擬分析采用規范設計的排水管網的排澇能力。對不同重現期降雨下超載管道即超負荷狀態時的管道進行統計，結果見表3。

表3 不同重現期降雨情景下節點溢流和管道超載情況Table 3 Overflow node and overload pipeline under rainstorm with different return periods

由表3可知，采用現有規范設計的管網，當重現期為10 a時，節點超載率85%，管道超載率86%，節點超載的平均時長8.8 h，管道超載平均時長6.7 h。重現期10 a降雨情景下管網排水能力分布如圖7所示。重現期從10 a增大到50 a時，節點超載率和管道超載率均增加3%，平均超載時長增加3.7 h和3.6 h；當重現期從10 a增大到100 a時，節點超載率和管道超載率分別增加7%和6%，平均超載時長增加5.6 h和5.5 h；當重現期從10 a增大到200 a時，節點超載率和管道超載率均增加9%，平均超載時長增加6.9 h和6.8 h。

圖7 重現期10 a降雨情景下管網排水能力圖Fig.7 Drainage capacity map of pipe network under rainstorm with a return period of 10 years

研究結果表明：管網在重現期為10 a時，大部分溝渠出現了溢流現象，相應的區域出現了地表積水的現象。溝渠均達到了極限排水能力，排水系統超載嚴重，隨著重現期由10 a增加至100 a，超出排水負荷的管道數量和積水地塊積水時長呈現加速上升趨勢。主要原因是庫區周邊山體陡峻，坡度大，匯流時間快，周邊山體以灰巖為主，產流量大，降雨持續匯聚后，進入庫內，入庫洪水短時間內達到了截流溝的截流能力上限，截流溝發生超載溢流，超載洪水進入庫內，由庫內排水溝渠承擔周圍山體和庫面產流的疏排。隨著洪水重現期越長，在管渠排水能力一定情況下，超負荷洪水形成的積水容量越大，同樣管渠排水能力下的超載時間就越長。規范未能充分考慮短時匯水沖擊，導致設計管道的排水能力不足，造成大面積管網超載，形成積水，且超載積水時間較長。

4.2 庫區排水管道改進

針對管網超載現象，采用從下游向上游逐步改進管網的方法進行優化，能夠更好地節約改造費用。改進管網排水能力主要有兩種方法：第一種是增大管道斷面面積；第二種是增大管道坡度。而對于位于庫邊的截水溝，山體坡度較大，匯流更快，所需排水能力更大，需要改進周邊排水溝截水能力，減小入庫洪水。通過反復調整，將截流溝斷面調整為0.9 m×0.4 m，水力坡度調整為0.006，超載干渠斷面調整為0.85 m×0.45 m，超載支渠斷面調整為0.8 m×0.4 m。

4.3 改進后降雨模擬結果

表4為改進后不同重現期降雨情景下節點溢流和管道超載情況。由表4可知，當重現期降雨為10 a時，區域積水較改進前下降79%，管道超載率較改進前下降78%，節點超載平均時長和管道超載平均時長同比下降5.0 h和3.8 h；其他重現期降雨節點超載率和管道超載率較改進前下降約70%，節點超載平均時長和管道超載平均時長同比下降約7 h和5 h。

進一步通過洪水過程線和積水量過程線分析管道改進對庫面洪峰流量、積水峰值等影響，如圖8和圖9所示。由圖8和圖9可知，重現期10 a、50 a、100 a、200 a降雨下，洪峰流量分別減少了35.34 m3/s、53.60 m3/s、61.62 m3/s、70.23 m3/s；洪峰來臨時間分別提前28 min、33 min、37 min、41 min；庫面積水深度峰值分別削減了9 591 mm、13 950 mm、15 901 mm、35 026 mm；庫面積水時間分別下降了4 h 10 min、3 h 50 min、3 h 30 min、3 h 10 min。

圖8 洪水過程線Fig.8 Flood process line

圖9 積水量過程線Fig.9 Sedimentary process line

總體而言，管道改進后庫區排水能力大幅提升，不同重現期降雨情景下的節點超載率和管道超載率、超載時長同比大幅下降；不同重現期降雨情景下庫面洪峰流量減少約58%，200 a降雨下減少幅度最大為59.4%，洪峰提前約35 min。200 a降雨下洪峰提前時間最大為41 min；庫面積水量削減約30%，200 a降雨下減少幅度最大為45.6%，積水時間下降約3 h 30 min，10 a降雨下積水時間下降最大為4 h 10 min。通過模型優化后的管網，排水能力增強，使得洪水峰值得到有效削減，洪峰到來時間提前，造成庫面的積水面積更小，時間更短，有效排出入庫洪水。

5 結 論

本文以百色地區某排泥庫為例，通過SWMM模型構建了庫區水文計算模型，演算庫區不同重現期的洪水宣泄過程，根據庫泥固結需求，設計面排水管網，用于排除地表積水，避免庫泥長時間浸水，并采用SWMM模型對設計的庫面灌渠排水能力進行校核改進，得到以下結論。

1）建立了研究區的SWMM調洪演算模型。通過參數率定校準模型，校準后模型徑流系數0.683，NS系數0.833，可采用校準后模型對排泥庫進行調洪計算。發現尾礦庫原排水管井僅能滿足排洪要求，洪澇積水現象較為嚴重。

2）通過ArcGIS獲取排泥庫地形，根據規范對庫面排水管渠進行分級設計，分別是主干溝、農溝、毛溝、腰溝和截流溝。因山區地形復雜，匯流時間極快，按照規范設計的管渠排水能力不足，造成大面積管網超載。在重現期為10 a時，超80%的溝渠和地塊發生了超載，隨著重現期的增加，溢流渠道、積水時長、水深成倍增加，積水現象明顯。

3）基于構建的模型計算結果和排水能力等級，對超載排水管渠進行管道斷面、管道坡度和水力坡降改造，管道改進后庫區排水能力大幅提升，重現期為10 a時的節點超載率和管道超載率同比降幅約為70%，超載時長同比降幅約為58%；200 a重現期降雨下庫面洪峰流量減少約58%，洪峰提前約35 min，庫面積水量削減約30%，積水時間下降約3 h 30 min，有效減少積水滲入，為尾礦庫的庫泥固結處置提供干燥有利條件。