基于SWMM模型的雨水管网优化
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Key w ord s: SWMM m ode;l optim izat ion of ra inw ater drainage system; netw ork reconstruct ion; pipe siltation
当大强度降雨时, 造成排水管网压力过大, 雨水 无法及时排走, 在城区低洼处形成积水, 严重影响城 市交通和居民生活。因此, 利用数值模拟手段, 了解 城市雨水管网运行现状, 合理进行排水管网优化与
过载 时间
过载 时间
h
s- 1 )
h
s- 1 )
/h /h
初始状态 3. 44 2. 08 3. 52 1. 82 3. 50 3. 42
管道淤 积 0. 1 m 3. 74
2. 16
3. 86
1. 88 3. 86 3. 74
源自文库
下游管道的淤积又影响了上游管道水流的及时 排除, 使其流速减慢, 增大了上游管网发生淤积的风 险, 造成恶性循环; 同时, 淤积造成上游的雨水无法 顺畅地排入下游, 降低了管网的运行效率; 而且淤积 严重时, 还会缩短管道的使用寿命, 并且可能发生爆 裂事故。因此, 对管道进行定期清淤是十分必要的。 2 4 管网优化
将 DEM 数据图经过流向分析, 利用 Basins工具 提取自然汇水区, 然后利用 T hiessen多边形工具, 将 获得的自然汇水区进一步划分, 使每一个出水口对 应一个汇水区。由于研究区域的地势相对平坦, 利 用自然汇水划分得到的汇水区并不能完全反映实际
的汇水情况, 笔者采用 T hiessen多边形和修改工具 进行调整, 使划分结果更具实际意义。将生成的汇 水区图导入 SWMM 模型生成子汇水区模型。通过 A rcG IS分析得到的数据, 其中 SWMM 模型需要的数 据包括: 埋深 ( 点要素 ); 入口和出口偏移量、曼宁系 数 (线要素 ) ; 平均坡度、不透水面积、透水区和不透 水区的洼蓄量、透水区和 不透水区的粗糙率 ( 面要 素 )。
第 26卷 第 23期 2010年 12月
技术总结
中 国 给 水排 水
CH INA W ATER & WA STEWAT ER
V o.l 26 No. 23 D ec. 2010
基于 SW M M 模型的雨水管网优化
李彦伟 1, 尤学一 1, 季 民 1, 王秀朵2, 赵乐军2, 潘留明 2
( 1. 天津大学 环境科学与工程学院, 天津 300072; 2. 天津市市政工程设计研究院, 天津 3 00051 )
L I Yan-w ei1, YOU Xue-y i1, JIM in1, W ANG X iu-duo2, ZHAO L e- jun2, PAN L iu-m ing2
( 1. Schoo l of Environm ent Science and T echnology, T ianjin University, T ianjin 300072, Ch ina; 2. T ianjin M unicipa l E ng ineering D esign and R esearch Institute, T ianjin 300051, China)
关键词: SWMM 模型; 雨水管网优化; 管网改造; 管道淤积 中图分类号: TU991 文献标识码: C 文章编号: 1000- 4602( 2010) 23- 0040- 04
Optim ization of R ainwater D rainage System Based on SW M M M odel
1 模型与模拟方法
1 1 管网概化 利用研究区域的管网数据信息 ( 管网的空间位
置、节点高程、管长、管径、流向、坡度等属性数据 ) , 通过 A rcG IS对管网节点 (检 查井 ) 和汇水 区 ( 利用 A rcG IS水文分析功能自动划分汇水区 ) 进行分析处 理, 并将结果输入 SWMM 模型中, 以便后面的研究。 所选区域检查井众多, 笔者只对功能性突出、对模拟 产生直接影响的检查井进行研究。根据区域地形以 及管网图, 将汇水区内的管网简化后直接汇流到城 市雨水管网支管中。管网概化后的检查井和管道见 图 1。
摘 要: 利用 SWMM 模型模拟所选区域排水系统的运行现状, 分析得出其 瓶颈制约 , 并 提出改变节点高程和增大管径这两种管网改造方案。在两年重现期下, 两种改造方案分别使整个 排水系统的溢流量减少了 44. 78% 和 81. 62% , 明显缓解了节点溢流和管道过载情况。进一步模拟 两种改造方案下管道的淤积情况, 发现增大管径这一方案缓解节点溢流和管道过载的效果比较理 想。这为城市排水管网优化设计、管网改扩建和管道养护提供了技术支持。
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www. watergasheat. com
李彦伟, 等: 基于 SWMM 模型的雨水管网优化
第 26卷 第 23期
雨资料为依据, 利用 SWMM 模型进行水文和水动力 学模拟, 提出通过减小径流量以及优化水质来降低 渠道的侵蚀潜力的观点。我国城市排水管网的数字 化研究起步较晚, 但近年来也取得了一些成果 [ 3、4 ] 。 笔者通过模拟不同重现期下的降雨过程、管道内雨 水流动以及地面积水 情况, 找出了排水系统 的 瓶 颈制约 , 同时 提出了改造措施并对改造措施进行 评估, 旨在为排水管网的优化与改扩建提供理论和 技术指导。
2 案例分析
2 1 区域概况 选取某 区 域为 研 究对 象, 该 区域 面 积为 360
hm2, 平均坡度很小, 可忽略不计。地面标高在 3 m 左右, 管道的最小埋深为 1. 5 m。地面多为沥青地 面, 建筑物多为住宅区, 各汇水区的不透水面积率为 60% ~ 75% , 排水体制为分流制, 雨水管道的总长在 6 000 m 以上。雨水汇流至城市雨水管网中, 分别流 向区域范围内的两个排水口 O1、O2( 见图 1), 然后 排至河流。
3. 31 0. 007 0. 01 2. 97
改变管径 1. 17 0. 66
0
0
0 1. 12
随着管网的运行, 一些固体颗粒物等进入管道 造成淤积, 使管道的有效 管径减小、管壁粗糙度增 大, 造成淤积段水流不畅。当 P = 2 a时, 假设所有 管道都淤积 0. 1 m, 模拟管网的运行状况。结果显 示, 整个排水系统的积水和管道过载程度明显加重, 下游的淤积使上游管段的淤积加重, 其中起始管段 受到的影响最大。在 4 h的降雨历时下, 整个排水 系统的溢流量增加了 1 890 m3, 即增加了 21. 14% , 相关数据见表 2。
2 2 模型参数的确定 模型中的确定性参数 ( 汇水面积、管道长度等 )
在 SWMM 中绘制时自 动生成, 中间参 数经 A rcG IS 数据分析得到, 其他不确定性参数参考国内外研究 成果 [ 3~ 5] 及研究 区域的地 面特征设 定。渗透 采用
H orton模型, 最大入渗率、最小入渗率和入渗递减率 分别取 76. 2 mm /h、3. 81 mm /h 和 0. 000 6 h- 1, 透 水区和不透水区的曼宁系数分别取 0. 03和 0. 015, 混凝土管道的粗糙系数为 0. 013, 透水区和不透水 区的洼蓄量分别为 12和 2 mm。计算中降雨历时为 4 h, 计算时间步长为 5 m in。 2 3 计算结果分析
图 1 节点和管网概化 F ig. 1 S imp lified node and p ipe netw ork
1 2 DEM 图生成 将导入 到 A rcGIS 的 CAD 图转 换成矢 量式数
据, 添加相关属性后, 利用 3D 分析生成 T IN 表面,
然后转换成 DEM 数据。 1 3 汇水区的划分
J33
J3 6
L34 L 37
项 目 总溢流 最大溢流 总溢流 最大溢流 过载 过载 时间 / 量 /( m3 时间 / 量 /( m3 时间 时间
h
s- 1 )
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初始状态 3. 47 1. 35 3. 89 0. 12 3. 88 3. 45
改变节 点高程
3. 00
1. 11
改扩建是十 分必要和紧迫的。自 20 世纪 70 年代 起, 美国等发达国家开始利用数学模型模拟城市地 表径流对降雨事件的响应过程, 用于城市防洪规划 和管网的优 化 [ 1] 。 Pom eroy等 [ 2] 以美国 53 年的降
基金项目: 国家水体污染 控制与治理科技重大专项 ( 2008ZX07314- 004- 003)
管网改造措施主要包括: 结构改造、设施改造、 布局改造和 BMP s( 最佳管理实践 ) 措施等 [ 6] 。基于 SWMM 的计算结果分析节 点溢流原因: 首先, 核查 其上游的排水分区是否合理、地势是否低洼等, 然后
核查积水点下游管段的管径是否过小、坡度是否过
Ab stract: The operation o f the rainw ater drainage system in a chosen area w as sim ulated using the sto rm w ater m anagem ent m ode l ( SWMM ). T he bo ttleneck o f the rainw ater dra inage system w as found ou.t T he reconstruction schem es o f the system by re locating the pipe node position and en larg ing the pipe diam eter w ere presented. In tw o-year rainfall recurrence period, the overflow rates o f the w ho le drainage system are reduced by 44. 78% and 81. 62% respectively by the tw o reconstruction schem es. M eanw hile, the node overflow and p ipe surcharge w ere d istinct ly eased. The sim ulation of pipe siltation show s that en larg ing the pipe d iam e ter is ideal for easing node overflow and pipe surcharge, w hich provides technical support for optim ized design, reconstruction, extension and m a intenance o f urban dra inage system.
暴雨重现期 ( P )分别取 1、2、5、10、20 a, 分别对 节点溢流和管道过载情况进行模拟, 发现部分检查 井积水时间较长。如当 P = 2 a时, 33、36号检查井 溢流时间最长; 此时, 部分管道过载现象比较严重, 说明管道排水负荷已经偏高, 其中管道 34、37过载
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第 26卷 第 23期
表 2 管道淤积 0. 1 m 时溢流严重的节点和过载的管道
T ab. 2 Serious flood ing node and surcharg ed pipes w ith
0. 1 m p ipe silta tion
J34
J3 8
L33 L 36
项
目
总溢流 最大溢流 时间 / 量 /( m3
总溢流 最大溢流 时间 / 量 /( m3
中国给水排水
www. wa tergasheat. com
最严重。溢流严重的 节点和过载管 道的相关数据 ( 含管网优化后的相关数据 ) 见表 1。
表 1 溢流严重的节点和过载的管道在管网优化 前、后的对比
T ab. 1 Se rious flooding nodes and surcharged p ipes be fo re and after optim ization
当大强度降雨时, 造成排水管网压力过大, 雨水 无法及时排走, 在城区低洼处形成积水, 严重影响城 市交通和居民生活。因此, 利用数值模拟手段, 了解 城市雨水管网运行现状, 合理进行排水管网优化与
过载 时间
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初始状态 3. 44 2. 08 3. 52 1. 82 3. 50 3. 42
管道淤 积 0. 1 m 3. 74
2. 16
3. 86
1. 88 3. 86 3. 74
源自文库
下游管道的淤积又影响了上游管道水流的及时 排除, 使其流速减慢, 增大了上游管网发生淤积的风 险, 造成恶性循环; 同时, 淤积造成上游的雨水无法 顺畅地排入下游, 降低了管网的运行效率; 而且淤积 严重时, 还会缩短管道的使用寿命, 并且可能发生爆 裂事故。因此, 对管道进行定期清淤是十分必要的。 2 4 管网优化
将 DEM 数据图经过流向分析, 利用 Basins工具 提取自然汇水区, 然后利用 T hiessen多边形工具, 将 获得的自然汇水区进一步划分, 使每一个出水口对 应一个汇水区。由于研究区域的地势相对平坦, 利 用自然汇水划分得到的汇水区并不能完全反映实际
的汇水情况, 笔者采用 T hiessen多边形和修改工具 进行调整, 使划分结果更具实际意义。将生成的汇 水区图导入 SWMM 模型生成子汇水区模型。通过 A rcG IS分析得到的数据, 其中 SWMM 模型需要的数 据包括: 埋深 ( 点要素 ); 入口和出口偏移量、曼宁系 数 (线要素 ) ; 平均坡度、不透水面积、透水区和不透 水区的洼蓄量、透水区和 不透水区的粗糙率 ( 面要 素 )。
第 26卷 第 23期 2010年 12月
技术总结
中 国 给 水排 水
CH INA W ATER & WA STEWAT ER
V o.l 26 No. 23 D ec. 2010
基于 SW M M 模型的雨水管网优化
李彦伟 1, 尤学一 1, 季 民 1, 王秀朵2, 赵乐军2, 潘留明 2
( 1. 天津大学 环境科学与工程学院, 天津 300072; 2. 天津市市政工程设计研究院, 天津 3 00051 )
L I Yan-w ei1, YOU Xue-y i1, JIM in1, W ANG X iu-duo2, ZHAO L e- jun2, PAN L iu-m ing2
( 1. Schoo l of Environm ent Science and T echnology, T ianjin University, T ianjin 300072, Ch ina; 2. T ianjin M unicipa l E ng ineering D esign and R esearch Institute, T ianjin 300051, China)
关键词: SWMM 模型; 雨水管网优化; 管网改造; 管道淤积 中图分类号: TU991 文献标识码: C 文章编号: 1000- 4602( 2010) 23- 0040- 04
Optim ization of R ainwater D rainage System Based on SW M M M odel
1 模型与模拟方法
1 1 管网概化 利用研究区域的管网数据信息 ( 管网的空间位
置、节点高程、管长、管径、流向、坡度等属性数据 ) , 通过 A rcG IS对管网节点 (检 查井 ) 和汇水 区 ( 利用 A rcG IS水文分析功能自动划分汇水区 ) 进行分析处 理, 并将结果输入 SWMM 模型中, 以便后面的研究。 所选区域检查井众多, 笔者只对功能性突出、对模拟 产生直接影响的检查井进行研究。根据区域地形以 及管网图, 将汇水区内的管网简化后直接汇流到城 市雨水管网支管中。管网概化后的检查井和管道见 图 1。
摘 要: 利用 SWMM 模型模拟所选区域排水系统的运行现状, 分析得出其 瓶颈制约 , 并 提出改变节点高程和增大管径这两种管网改造方案。在两年重现期下, 两种改造方案分别使整个 排水系统的溢流量减少了 44. 78% 和 81. 62% , 明显缓解了节点溢流和管道过载情况。进一步模拟 两种改造方案下管道的淤积情况, 发现增大管径这一方案缓解节点溢流和管道过载的效果比较理 想。这为城市排水管网优化设计、管网改扩建和管道养护提供了技术支持。
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李彦伟, 等: 基于 SWMM 模型的雨水管网优化
第 26卷 第 23期
雨资料为依据, 利用 SWMM 模型进行水文和水动力 学模拟, 提出通过减小径流量以及优化水质来降低 渠道的侵蚀潜力的观点。我国城市排水管网的数字 化研究起步较晚, 但近年来也取得了一些成果 [ 3、4 ] 。 笔者通过模拟不同重现期下的降雨过程、管道内雨 水流动以及地面积水 情况, 找出了排水系统 的 瓶 颈制约 , 同时 提出了改造措施并对改造措施进行 评估, 旨在为排水管网的优化与改扩建提供理论和 技术指导。
2 案例分析
2 1 区域概况 选取某 区 域为 研 究对 象, 该 区域 面 积为 360
hm2, 平均坡度很小, 可忽略不计。地面标高在 3 m 左右, 管道的最小埋深为 1. 5 m。地面多为沥青地 面, 建筑物多为住宅区, 各汇水区的不透水面积率为 60% ~ 75% , 排水体制为分流制, 雨水管道的总长在 6 000 m 以上。雨水汇流至城市雨水管网中, 分别流 向区域范围内的两个排水口 O1、O2( 见图 1), 然后 排至河流。
3. 31 0. 007 0. 01 2. 97
改变管径 1. 17 0. 66
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随着管网的运行, 一些固体颗粒物等进入管道 造成淤积, 使管道的有效 管径减小、管壁粗糙度增 大, 造成淤积段水流不畅。当 P = 2 a时, 假设所有 管道都淤积 0. 1 m, 模拟管网的运行状况。结果显 示, 整个排水系统的积水和管道过载程度明显加重, 下游的淤积使上游管段的淤积加重, 其中起始管段 受到的影响最大。在 4 h的降雨历时下, 整个排水 系统的溢流量增加了 1 890 m3, 即增加了 21. 14% , 相关数据见表 2。
2 2 模型参数的确定 模型中的确定性参数 ( 汇水面积、管道长度等 )
在 SWMM 中绘制时自 动生成, 中间参 数经 A rcG IS 数据分析得到, 其他不确定性参数参考国内外研究 成果 [ 3~ 5] 及研究 区域的地 面特征设 定。渗透 采用
H orton模型, 最大入渗率、最小入渗率和入渗递减率 分别取 76. 2 mm /h、3. 81 mm /h 和 0. 000 6 h- 1, 透 水区和不透水区的曼宁系数分别取 0. 03和 0. 015, 混凝土管道的粗糙系数为 0. 013, 透水区和不透水 区的洼蓄量分别为 12和 2 mm。计算中降雨历时为 4 h, 计算时间步长为 5 m in。 2 3 计算结果分析
图 1 节点和管网概化 F ig. 1 S imp lified node and p ipe netw ork
1 2 DEM 图生成 将导入 到 A rcGIS 的 CAD 图转 换成矢 量式数
据, 添加相关属性后, 利用 3D 分析生成 T IN 表面,
然后转换成 DEM 数据。 1 3 汇水区的划分
J33
J3 6
L34 L 37
项 目 总溢流 最大溢流 总溢流 最大溢流 过载 过载 时间 / 量 /( m3 时间 / 量 /( m3 时间 时间
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s- 1 )
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初始状态 3. 47 1. 35 3. 89 0. 12 3. 88 3. 45
改变节 点高程
3. 00
1. 11
改扩建是十 分必要和紧迫的。自 20 世纪 70 年代 起, 美国等发达国家开始利用数学模型模拟城市地 表径流对降雨事件的响应过程, 用于城市防洪规划 和管网的优 化 [ 1] 。 Pom eroy等 [ 2] 以美国 53 年的降
基金项目: 国家水体污染 控制与治理科技重大专项 ( 2008ZX07314- 004- 003)
管网改造措施主要包括: 结构改造、设施改造、 布局改造和 BMP s( 最佳管理实践 ) 措施等 [ 6] 。基于 SWMM 的计算结果分析节 点溢流原因: 首先, 核查 其上游的排水分区是否合理、地势是否低洼等, 然后
核查积水点下游管段的管径是否过小、坡度是否过
Ab stract: The operation o f the rainw ater drainage system in a chosen area w as sim ulated using the sto rm w ater m anagem ent m ode l ( SWMM ). T he bo ttleneck o f the rainw ater dra inage system w as found ou.t T he reconstruction schem es o f the system by re locating the pipe node position and en larg ing the pipe diam eter w ere presented. In tw o-year rainfall recurrence period, the overflow rates o f the w ho le drainage system are reduced by 44. 78% and 81. 62% respectively by the tw o reconstruction schem es. M eanw hile, the node overflow and p ipe surcharge w ere d istinct ly eased. The sim ulation of pipe siltation show s that en larg ing the pipe d iam e ter is ideal for easing node overflow and pipe surcharge, w hich provides technical support for optim ized design, reconstruction, extension and m a intenance o f urban dra inage system.
暴雨重现期 ( P )分别取 1、2、5、10、20 a, 分别对 节点溢流和管道过载情况进行模拟, 发现部分检查 井积水时间较长。如当 P = 2 a时, 33、36号检查井 溢流时间最长; 此时, 部分管道过载现象比较严重, 说明管道排水负荷已经偏高, 其中管道 34、37过载
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第 26卷 第 23期
表 2 管道淤积 0. 1 m 时溢流严重的节点和过载的管道
T ab. 2 Serious flood ing node and surcharg ed pipes w ith
0. 1 m p ipe silta tion
J34
J3 8
L33 L 36
项
目
总溢流 最大溢流 时间 / 量 /( m3
总溢流 最大溢流 时间 / 量 /( m3
中国给水排水
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最严重。溢流严重的 节点和过载管 道的相关数据 ( 含管网优化后的相关数据 ) 见表 1。
表 1 溢流严重的节点和过载的管道在管网优化 前、后的对比
T ab. 1 Se rious flooding nodes and surcharged p ipes be fo re and after optim ization