SWMM模型降雨面源污染模拟适用性分析研究

中国环境学会  2011年 03月30日

   韩娇 万金泉 马邕文  华南理工大学环境科学与工程学院 广州 51000

 

   基金项目:国家水体污染控制与治理重大科技专项东江下游优化发展都市区水污染系统控制技术集成研究与工程示范(2008ZX07211-006)雨水面源污染控制技术集成与示范子题


  摘  要:降雨面源污染所带来的水污染因其具有随机性、长期性、滞后性等特点,导致对其监测预测难度很大,降雨面源污染问题日益严重。美国环保局开发的SWMM在城市降雨面源污染模拟中有着广泛的应用,能为降雨面源污染的研究控制管理提供有效的技术有段。本文主要通过应用SWMM建立4个自行设计具体模拟实例,检验SWMM在水动力模拟方面的能力及精度,为降雨面源污染的研究提供技术支持,为SWMM适用性广泛应用提供依据。
  关键词:SWMM;降雨面源污染;适用性分析;模拟验证
 

  1 引 言
 

  随着我国点源污染治理工作的深入开展,点源污染已基本得到初步控制,降雨面源污染的问题就日益突显出来。据保守估算,北京和上海的城区降雨面源污染占水体污染负荷的比例约为10%左右,到2010年的规划实施后,污染负荷的比例又将分别上升到12%和20%以上,对中心建成区水体会超过50%[1]。降雨面源污染不仅影响城市生态环境,制约城市发展,还一定程度威胁人民身体健康。因此,加强对降雨面源污染的科学认识和研究,对彻底改善地表水环境质量,综合治理生态环境,营造优异的生产生活环境有着重要的研究意义。
  降雨面源污染的污染物种类和形态非常复杂,且受到众多复杂因素影响,具有随机性、长期性、滞后性、不确定性等特点[2]。对于降雨面源污染,传统设点监测研究的方法需耗费大量人力、物力、财力,且研究应用灵活性很小,动态研究局限。利用数学方法或模型软件建立降雨面源污染的数学模型,模拟降雨面源污染的形成、迁移转化等过程,是对城市降雨面源污染进行定量化研究控制管理的有效技术手段[3]。
  SWMM(storm water management model)[4]是美国环保局开发的暴雨径流管理模型,在城市降雨面源污染模拟中有着广泛的应用[5-7],近年来在我国也有一些应用案例[8-10]。SWMM 对雨水管、合流制管道、自然排放系统都可以进行水量水质的模拟,包括地面径流、排水管网输送、贮水处理及受纳水体的影响等,同时可对单场降雨或者连续降雨产生的坡面径流和水质变化进行动态模拟。本文通过4个具体实例检验SWMM在水动力模拟方面的能力和精度,为降雨面源污染的研究提供技术支持,为SWMM模型适用性广泛应用提供依据。


  2 SWMM模型概述


  SWMM是一个综合性的数学模型,20世纪70年代开始开发,经过不断的完善和升级,目前已经发展到SWMM 5.0版本[7]。SWMM模型由4个计算模块和1个服务模块组成,计算模块分别为径流模块(Runoff),输送模块(Transport),扩充输送模块(Extran)和储存/处理模块(Storage/Treatment)。通过计算模块的运行,SWMM可以对地面径流,排水管网以及污水处理单元等的水量水质进行动态模拟,服务模块的主要功能是进行一些计算后的处理,如统计、绘图等[11,12]。模型模拟的核心是利用SWMM中的径流模块、输送模块和储存/处理模块依次对城市排水中的地表径流、管网输送和污水处理进行模拟计算,最终得到输入城市受纳水体中的水量和水质的动态结果。SWMM模型作为分布式模型在城市化区域的地表产汇流和排水管网的管道输送过程计算方面具有比较明显的优势,在应用上具有许多特点[13]。
  (1)集水文、水力、水质过程的模拟于一体,且程序采用模块式结构组合,具有各自不同功能的模块既可单独使用,又可共同使用,比较灵活,便于解决多目标的城市雨洪问题;
  (2)与其它模型相比,既可以用于规划设计和模拟设计暴雨条件下的雨洪过程和水质过程,还可用于预报和管理实际暴雨条件的雨洪过程[14];
  (3)在模拟具有复杂下垫面条件的城市地区时,可通过将流域离散成多个子流域,分别考虑各子流域的地表性质逐个模拟,方便地解决产汇流不均匀的问题,为模型在大型城市化的应用提高模拟精度打下基础;
  (4)不仅可以用于单次降雨事件的短期模拟,而且还具有连续多次模拟降雨的功能。可模拟几年乃至几十年连续的降雨径流过程,并统计分析出有关参数逐日逐月的数值大小,进行频率分析,特别适用于城市规划设计工作[15]。


  3 SWMM模拟适用性分析
 

  3.1 明满过渡流模拟能力验证
  应用SWMM对自行设计的一条单一有压管道进行模型模拟,计算区域为一长4000m,直径3m的管道,其上游流量为5m3/s,下游水位为2.55m,管道糙率n取0.02,初始水位为2.55m。从SWMM导出设计管道水位侧视图如图1所示。
  图1中给出了计算恒定时管道内水位(水头)的变化,可以明显看出在x<2240m时,即上游2240m的管段处于有压状态;在x>2240m时,即下游1760m的管段处于无压流动状态;x=2240m,过渡面的水位(水头)变化较为平缓。可见,SWMM具有较好的模拟明满过渡流的能力。


  3.2 大坡度模拟能力验证
  应用SWMM对大坡度情况下的管道进行水力模拟,设计2长度均为1000m,坡度分别为s=10%,s=5%的相连接管道C1、C2,入流节点分别为J1、J2,区域总出口节点为Out1。大坡度管道模型侧视图如图2所示。 
  图3、图4分别为实例模型在不满流和存在满流情况下入流节点J1、J2和Out1的节点总入流过程线。从图中可见,不满流和满流情况下,大坡度管道C1、C2的节点总入流过程线都较平缓,验证了SWMM在大坡度的情况下仍具有稳定性。


  3.3 双排水系统模拟能力验证
   应用SWMM构建一个具有管道、街道双排水系统的实例,J2a—J2—J11处排水路径(图中红线)包括地下管网和地上街道上下两层,图5为双排水系统模型的平面布置图。模拟运行开始,20min、40min、95min双排水系统处管道、街道水位剖面图如图6、图7、图8、图9、图10、图11所示。
  图6、图7为模型运行20min时候街道和管道的水位坡面图,从图中可见,此时仅管道中有部分降雨流量,街道排水系统不参与排水,因这时降雨量还没有充满管道。图8、图9显示,模拟运行40min中时,管道充满,街道担任部分排水任务,此时街道、管道两个排水系统同时运作。运行到95min时,如图10、图11,雨量的减少使街道退水不参与排水,此时又仅有管道系统排水。可见SWMM具有模拟双排水系统的能力。


  3.4 模拟一维河网精度的验证
  应用SWMM建立一个一维河网模型实例,模拟河网包括13个节点(A-M),一个出水口(N),及C1-C14共14条河流分支。河网的框架图如图12所示。
  图13中显示节点K和节点L的水头变化趋势一致,一直都是K节点大L节点1m左右,河网流向从K点流向L点。从图14中C11的流量过程线又可看出K、L两节点间的流量稳定,可见SWMM对一维河网的模拟有较高的精度。
 

  4 结 论
 

  本文应用SWMM建立了单一有压管、大坡度连接管道、双排水系统、一维河网4个具体模型实例,模拟分析了SWMM对明满过渡流、大坡度、双排水系统的模拟能力,及对一维河网的模拟精度。结果显示SWMM有较好模拟明满过渡流、双排水系统的能力,在大坡度情况仍有较高的稳定性,对一维河网的模拟也有较高的精度。SWMM适用性广泛,在水动力模拟方面的有很强的模拟能力及较高的模拟精度,可为降雨面源污染的模拟研究控制管理提供重要的技术手段。
     
  参考文献:
  [1]倪艳芳.城市面源污染的特征及其控制的研究进展[J].环境科学与管理,2008,33(2):53-57.
  [2]王彦红.城市雨水径流的污染及控制措施研究[J].山西建筑,2007,33(31):184-185.
  [3]杨勇.设计暴雨条件下城市非点源污染负荷分析[D].天津:天津大学,2007:6.
  [4]Metcalf & Eddy, Inc., University of Florida, Water Resources Engineers , Inc. “Storm Water Management Model, VolumeⅠ-Final Report”, 11024DOC07/71, Water Quality Office, Environmental Protection Agency, Washington, DC, July 1971.
  [5]chih-Hua chang, ching-Gung Wen, Chih-Sheng Lee. Use of Intercepted Runoff Depth for Stormwater Runoff Management in Industrial Parks in Taiwan[J]. Water Resour Manage (2008) 22:1609–1623.
  [6]S.Y.Park, K.W.Lee,I.H.Park et al. Effect of the aggregation level of surface runoff fields and sewer network for a SWMM simulation[J]. Desalination 226 (2008) 328–337.
  [7]Rossman, L.A. “Storm Water Management Model User’s Manual Version 5.0”,EPA/600/R-05/040, National Risk Management Research Laboratory, U.S. Environmental Protection Agency, Cincinnati, OH, March, 2008.
  [8]董欣,陈吉宁, 赵冬泉. SWMM模型在城市排水系统规划中的应用. 给水排水, 2006, 32(5): 106-109.
  [9]黄金良, 杜鹏飞, 欧志丹, 李梅香, 赵冬泉, 何万谦, 王志石. 澳门城市小流域地表径流污染特征分析. 环境科学, 2006, 27(9): 1753-1759.
  [10]赵冬泉, 佟庆远, 王浩正, 等. SWMM模型在城市雨水排除系统分析中的应用. 给水排水, 2009, 35(5): 198-201.
  [11]陈守珊.城市化地区雨洪模拟及雨洪资源化利用研究[D].南京:河海大学,2007:5.
  [12]谢莹莹.城市排水管网系统模拟方法和应用[D].上海:同济大学,2007:3.
  [13]潘国庆.不同排水体制的污染负荷及控制措施研究[D].北京:北京建筑工程学院,2007:12.
  [14]任伯帜,邓仁健,李文健.SWMM模型原理及其在霞凝港区的应用[J].水运工程,2006,4:41-44.
  [15]王志标.基于SWMM的棕榈泉小区非点源污染负荷研究[D].重庆:重庆大学, 2007:4.
   

 
污染防治与管理更多>>
循环经济与绿色产业发展 更多>>
低碳经济与可持续发展更多>>
中国面临的主要环境问题及对策 更多>>