1引言

　　城市雨水管網(wǎng)是重要的城市基礎設施，擔負著(zhù)收集雨水、及時(shí)排除市區和流經(jīng)市區雨水的任務(wù)。隨著(zhù)城市的發(fā)展，區域不透水面積增加，降雨造成淹水現象較為普遍。當大強度降雨時(shí)，造成排水管網(wǎng)壓力過(guò)大，雨水無(wú)法及時(shí)排走，在城區低洼處形成積水，嚴重影響城市交通和居民生活。同時(shí)，運行多年的管道已年久失修。因此，利用數值模擬手段，了解城市雨水管網(wǎng)運行現狀，合理地進(jìn)行排水管網(wǎng)優(yōu)化與改擴建是十分必要和緊迫的。

　　自20世紀70年代起，美國等發(fā)達國家開(kāi)始利用數學(xué)模型模擬城市地表徑流對降雨事件的響應過(guò)程，用于城市防洪規劃和管網(wǎng)的優(yōu)化。Pomeroy等以美國53年的降雨資料為依據，利用SWMM模型進(jìn)行水文和水動(dòng)力學(xué)模擬，提出通過(guò)減小徑流量以及優(yōu)化水質(zhì)來(lái)降低渠道的侵蝕潛力的觀(guān)點(diǎn)。我國城市排水管網(wǎng)的數字化研究起步較晚，但近年來(lái)已經(jīng)取得了一些成果。

　　劉俊等以SWMM為基礎，模擬了匯水區和街區的地面積水全過(guò)程，開(kāi)發(fā)出了適合上海市區地表產(chǎn)流和防洪管理要求的雨洪模型。叢翔宇等通過(guò)SWMM模型，在不同暴雨設計頻率下，模擬了北京某小區的排水效果以及積水、道路坡面流等情況。本文通過(guò)模擬不同重現期下的降雨過(guò)程、管道內雨水流動(dòng)以及地面積水情況，找出排水系統的“瓶頸制約”，提出改造措

　　施并對改造措施進(jìn)行評估，為排水管網(wǎng)的優(yōu)化與改擴建提供理論和技術(shù)指導。

　　2模型與模擬方法

　　2.1SWMM模型簡(jiǎn)介SWMM模型是美國環(huán)保局為設計和管理城市雨洪而研制的綜合性數學(xué)模型。它可以基于降雨量和其它氣象資料模擬真實(shí)的暴雨事件，預測水量和水質(zhì)總值，給出水量水質(zhì)的時(shí)空分布，評價(jià)排水系統的排水能力。它可以實(shí)現雨水管、合流制管道，自然排放系統的水量和水質(zhì)模擬，并且具有強大的數據提取功能。本文排水管道水力模擬的重點(diǎn)在于解決如何降低地面積水和管道過(guò)載程度。

　　2.2建模過(guò)程本文利用ArcGIS水文分析（HydrologicalAnalysis）功能自動(dòng)劃分匯水區，簡(jiǎn)化了SWMM建模過(guò)程中的工作量，提高了建模效率。

　　2.2.1管網(wǎng)概化利用研究區域的管網(wǎng)數據信息，主要包括：管網(wǎng)的空間位置（即X、Y坐標）、節點(diǎn)高程、管長(cháng)、管徑、流向、坡度等屬性數據，通過(guò)GIS對管網(wǎng)節點(diǎn)（檢查井）和匯水區進(jìn)行分析處理，并將結果輸入SWMM模型中，以便后面的研究。所選區域檢查井眾多，本文只對功能性突出、對模擬產(chǎn)生直接影響的檢查井進(jìn)行研究。根據區域地形以及管網(wǎng)圖，將匯水區內的管網(wǎng)簡(jiǎn)化后直接匯流到城市雨水管網(wǎng)支管中。管網(wǎng)概化后的檢查井和管道圖見(jiàn)圖1。2.2.2DEM圖生成將導入到ArcGIS的CAD圖轉換成矢量式數據，添加相關(guān)屬性后，利用3D分析生成TIN表面，然后轉換成DEM（DigitalElevationModel）數據。

　　2.2.3匯水區的劃分將DEM數據圖經(jīng)過(guò)流向分析，利用Basins工具提取自然匯水區，然后利用Thiessen多邊形工具，將獲得的自然匯水區進(jìn)一步劃分，使每一個(gè)出水口對應一個(gè)匯水區。由于研究區域的地勢相對平坦，利用自然匯水劃分得到的匯水區并不能完全反映實(shí)際的匯水情況，本文采用Thiessen多邊形和修改工具進(jìn)行調整，使劃分結果更具實(shí)際意義。將生成的匯水區圖導入SWMM模型生成子匯水區模型（見(jiàn)圖2）。

　　通過(guò)ArcGIS分析得到的數據中，SWMM入口和出口偏移量、曼寧系數；面要素：平均不透水區）、粗糙率（透水區、不透水區）。

　　3案例分析

　　3.1區域概況選取某城市區域為研究對象，該區域面積為360公頃，平均坡度很小，可忽略不計。地面標高在3米左右，管道的最小埋深為1.5m。地面多為瀝青地面，建筑物多為住宅區，各匯水區的不透水面積率為60%-75%，排水體制為分流制，雨水管道總長(cháng)有6000余米。雨水匯流至城市雨水管網(wǎng)中，分別流向區域范圍內的兩個(gè)排水口O1、O2（見(jiàn)圖1），然后排至河流。

　　3.2模型參數的確定模型中的確定性參數（匯水面積、管道長(cháng)度等）在SWMM中繪制時(shí)自動(dòng)生成，中間參數經(jīng)ArcGIS數據分析得到，其它不確定性參數參考國內外研究成果，根據研究區域的地面特征設定。滲透采用Horton模型，最大入滲率、最小滲透率和入滲遞減率分別取為76.2mm/h、3.81mm/h和0.0006/hr，透水區和不透水區的曼寧系數取為0.03和0.015，混凝土管道粗糙系數為0.013，透水區和不透水區洼蓄量分別為12mm和2mm。計算中采用降雨歷時(shí)為4h，計算時(shí)間步長(cháng)為5min。

　　3.3計算結果分析考慮暴雨重現期為1a、2a、5a、10a、20a，分別對節點(diǎn)溢流和管道過(guò)載情況進(jìn)行模擬，發(fā)現部分檢查井積水時(shí)間較長(cháng)。如在P=2a時(shí)，33、36號檢查井溢流時(shí)間最長(cháng)；此時(shí)，部分管道過(guò)載現象比較嚴重，說(shuō)明管道排水負荷已經(jīng)偏高，其中管道34、37過(guò)載最嚴重。溢流嚴重的節點(diǎn)和過(guò)載管道的相關(guān)數據見(jiàn)表1（含管網(wǎng)優(yōu)化后的相關(guān)數據）。

　　4管網(wǎng)優(yōu)化管網(wǎng)改造措施

　　主要有以下幾類(lèi)：結構改造、設施改造、布局改造和BMPs（最佳管理實(shí)踐）措施等�；�于SWMM的計算結果，分析節點(diǎn)溢流原因。首先，核查其上游的排水分區是否合理、地勢是否低洼等，然后核查積水點(diǎn)下游管段管徑是否過(guò)小、坡度是否過(guò)緩、管道是否堵塞。確定無(wú)誤后，根據改造目的結合施工難度、施工造價(jià)和運行成本等方面綜合考慮選擇改造方案，

　　實(shí)現系統運行性能的最優(yōu)化�？紤]到新建管道以及增設蓄水池的工程造價(jià)較高，且研究區域的“瓶頸”區域較小，本研究采用以下兩種方法緩解地面積水和管道過(guò)載狀況，并且對兩種改造方案的運行狀況進(jìn)行評估。

　　4.1改變節點(diǎn)高程為了緩解33和36號檢查井的溢流狀況，分析此區域的水流和管道埋設情況得知，需要增大下游管道的坡度。在P=2a時(shí)，不造成下游節點(diǎn)溢流的情況下，將31、32、35號檢查井的井底高程分別由-0.025m、0.485m、0.71m降低到-0.55m、-0.30m、-0.10m。結果顯示，節點(diǎn)33的最大溢流流量由1.35m3/s降至1.11m3/s，而且大流量（0.5m3/s以上）持續時(shí)間由原來(lái)的120分鐘減至55分鐘。在4小時(shí)降雨歷時(shí)下，節點(diǎn)33和36的溢流量分別減小了1673m3和1326m3（J33和J36溢流情況見(jiàn)圖3、4），同時(shí)下游管道34、37的過(guò)載程度明顯降低，節點(diǎn)溢流和管道過(guò)載的緩解情況見(jiàn)表1.整個(gè)排水系統總溢流量由8943m3減至4938m³，減小了44.78%。進(jìn)一步模擬了不同雨情（P=5a，P=10a，P=20a）下，改變節點(diǎn)高程緩解溢流和管道過(guò)載情況。結果表明，隨著(zhù)重現期的增大，緩沖結果愈加不明顯，整個(gè)排水系統溢流量見(jiàn)表3。

　　4.2改變管徑為了降低上游節點(diǎn)的溢流程度，可以通過(guò)加快下游管道的匯出流量來(lái)實(shí)現。結果顯示，增加某些管道管徑，可有效地緩解溢流程度。在P=2a時(shí)，不造成下游節點(diǎn)溢流的情況下，將管道34、37的管徑分別由DN400和DN600改為DN600和DN1000，節點(diǎn)33的最大溢流流量由1.35m³/s降至0.66m³/s，且較大溢流流量（0.5m3/s以上）持續時(shí)間僅僅25分鐘。在4小時(shí)降雨歷時(shí)下，節點(diǎn)33和36的溢流量分別減小了5148m3和1446m³，下游管道34和37的過(guò)載程度明顯降低。相關(guān)節點(diǎn)溢流和管道過(guò)載情況見(jiàn)表1.整個(gè)排水系統的總溢流量減小了7293m³-81.62%。J33和J36在管網(wǎng)改造前后的溢流情況見(jiàn)圖3和圖4。不同雨情下（P=5a、P=10a、P=20a）的模擬結果顯示，改變管徑緩解節點(diǎn)溢流和管道過(guò)載的效果比較理想，整個(gè)排水系統的溢流量變化見(jiàn)表3。

　　可以看出，兩種改造方案都能緩解節點(diǎn)溢流和管道過(guò)載程度�，F分析兩種改造方案下管道淤積情況。分析結果可知，受管道坡度和流速的影響，管道34和37形成淤泥的可能性最大。

　　在P=2a時(shí)，假設三種狀態(tài)下這兩個(gè)管道內的淤泥厚度都為0.1m，對管網(wǎng)運行情況進(jìn)行模擬，管網(wǎng)優(yōu)化前后節點(diǎn)33和36溢流情況見(jiàn)圖5和圖6。在4個(gè)小時(shí)降雨歷時(shí)下，改變節點(diǎn)高程和管徑使淤積狀態(tài)下排水系統的溢流量分別減少了2619m³、6729m³-24.20%和62.18%。

　　由圖5和圖6可以看出，改變節點(diǎn)高程緩解管網(wǎng)溢流的程度相對較小。對改變節點(diǎn)高程后的管網(wǎng)在淤積不同程度下進(jìn)行模擬。結果顯示，淤積程度越高，溢流時(shí)間越長(cháng)，總溢流量越大。不同降雨重現期的模擬結果顯示，隨著(zhù)重現期的增大，下游節點(diǎn)溢流的風(fēng)險增大。因此，如果采用改變節點(diǎn)高程的優(yōu)化方案，需要對管道進(jìn)行定期清淤。

　　增大管徑優(yōu)化后的排水管網(wǎng)，由于管道充滿(mǎn)度不高，管道淤積對下游節點(diǎn)溢流造成的影響不大，因此，不需要對管網(wǎng)進(jìn)行頻繁清淤。

　　5結語(yǔ)

　�。�1）通過(guò)模擬雨水管網(wǎng)的運行狀況，計算出了排水系統的積水范圍、積水點(diǎn)溢流時(shí)間、溢流流量以及管道的過(guò)載時(shí)間。在P=2a時(shí)，改變節點(diǎn)高程和增大管徑的改造方案分別使排水系統的溢流量減少了44.78%和81.62%，明顯緩解了節點(diǎn)溢流和管道過(guò)載情況；

　�。�2）兩種方案都能緩解淤積狀態(tài)下節點(diǎn)溢流和管道過(guò)載程度，但隨著(zhù)重現期的增大，改變節點(diǎn)高程方案使下游節點(diǎn)發(fā)生溢流的風(fēng)險加重，需要定期清淤；

　�。�3）綜合在不同降雨重現期下，兩種方案緩解節點(diǎn)溢流和管道過(guò)載情況以及管網(wǎng)在淤積狀態(tài)下的運行情況，得出增大管徑方案優(yōu)于改變節點(diǎn)高程方案。