基于SWMM的广州市某泵站优化调度数值模拟研究

王 敏，魏铂佳，赵应凤

（1.中水北方勘测设计研究有限责任公司，天津 300222；2.天津市水务工程建设事务中心，天津 300204）

1 研究背景

随着中国地区城镇化进程加快，城市人口快速增加，不透水建筑物表面积大大增加，导致透水面积降低，极大改变了城市地区的水文特征。近些年，城市内涝问题时有发生且日益严重，城市防洪排涝已成为社会的一个重要研究领域。城市排涝泵站运行方式的优化调度，对缓解城市内涝起到了重要作用[1]。

针对城市排涝泵站等调蓄设施的优化设计及调度，国内学者做了大量研究并取得了丰富的成果。付潇然等以城市蓄水池为研究对象，综合水文水动力模型及推理公式，开展了蓄水池容量的优化设计模拟研究，结果表明，优化方案可有效减轻区域排水的峰值流量，缓解城市内涝。罗佳杭等[2-3]基于 SWMM 模型构建机场排水模型，通过模拟调蓄设施的不同运行方案，指出优化调蓄设施的优化调度对缓解机场内涝效果显著。薛英文等[4]通过分析调蓄池对雨水的截留效果，优化了调蓄池的容积，提高了泵站效率；曹万春等[5]提出了海绵城市优化布设方案，通过优化布设调蓄池等设施，实现了校园径流总量的有效控制等。

据统计，国内外目前主流的城市内涝模拟模型有MIKE FIOOD、STORM 和 SWMM[6-7]。在分析研究短历时暴雨过程的应用中，SWMM 具有模拟效果好、计算成果所需的数据资料相对较少等优势，被国内外学者广泛关注和应用[8]。上述研究过程中，针对排涝泵站现状调度方案及优化调度方案对比分析的研究仍不多见。因此本文拟采用 SWMM 模型，对广州番禺区现有排水管网及泵站，在各设计暴雨情景及不同调度方案下的运行效果开展数值模拟研究。

文章主要针对现有泵站的运行方案进行优化调度设计，通过模拟在现有调度方案及优化调度方案下泵站的运行状态，对比不同方案下泵站蓄水池的水位过程、泵站运行时间及周边溢流井点数量的变化，从而分析泵站在不同调度方案下应对暴雨的能力，以期为泵站的高效运行提供科学的指导方案。

2 研究区和数据资料

2.1 研究区概况

选取泵站位于广州中南部番禺区。番禺区东临狮子洋；西与佛山市南海区、顺德区相邻；南邻沙湾水道，与南沙区接壤；北隔沥滘水道与珠江干流，与海珠区和黄埔区相接。番禺区总面积530km2。番禺区境内地势平坦，地势由北、西北向东南倾斜，北部主要是50m以下的低矮丘陵，南部是连绵不断的三角洲平原。区域内城市内涝现象时有发生，因此开展番禺区内泵站的优化调度，对缓解区域内涝十分必要。

2.2 数据资料

管网数据主要包括研究区内检查井、管道、出水口等的基本参数信息。基于Arcgis软件进行数据预处理，开展管网相关数据的合理性分析及修正。泵站数据包括泵站、蓄水池等的结构设计参数及泵站的现状运行方案等信息，相关数据均来自泵站运行管理单位。地表数据主要包括土地利用类型和高程数据。土地利用类型数据通过下载高分辨率影像来解译获取。从图新地球软件获取分辨率相对较高的研究区域卫星影像资料，通过 ArcGIS 软件进行预处理，在软件中将所用影像资料按其功能和定位分为房屋、道路、水体和植物。通过上述数据处理，获得本文研究内容所需要的主要土地利用类型数据。此外，高程数据来源于当地业务主管部门，精度为5m×5m，进一步通过 ArcGIS 软件的坡度分析工具获取研究区域的坡度数据参数。

3 研究方法

文章采用SWMM模型模拟城市暴雨径流过程。建模过程中，首先对检查井及管网数据进行概化，并基于概化井点进行子汇水区划分，从而建立研究区 SWMM 模型。

SWMM模型主要包含水文模拟及水力模拟两部分。水文模拟的核心思想是对城市地表产汇流过程进行模拟，具体包括地表径流计算和地表入渗计算。地表径流计算部分选取非线性水库方法计算所有子汇水区的径流量；地表入渗计算则主要模拟雨水穿过具有渗透性土层过程。霍顿入渗模型、格林-安普特入渗模型和径流曲线数值入渗模型[15]是常用的三种入渗模型。文章拟采用霍顿入渗模型，其数学原理如公式（1）所示，即假定雨水在土层中的最大下渗率随时间呈现指数关系下降至最小值。

式(1)中：f为下渗率，mm/s；fe为稳定入渗率，mm/s；f0为初始土壤含水量相对应的下渗率，mm/s；ft为稳定下渗率，mm/s；k为下渗能力随时间的递减系数；t为下渗历时，s。

水力模拟主要模拟地表产流通过检查井进入排水管网系统后的流动过程，管渠汇流演算原理采用水力学方法进行求解。恒定流演算、运动波演算和动态波演算[16-18]是当前水力模拟过程中常用的三种计算方式。上述三种计算方式中，动态波法采用求解完整的一维圣维南流量方程组进行管网中水流流量计算，其计算结果较恒定流演算及运动波演算更为精确，因此文章采用动态波演算。具体求解方程组如公式（2）和公式（3）所示。

圣维南方程动量方程为：

式(2)、(3)中：Q为断面流量，m3/s；A为垂直于 轴的横断面，m2；x为水流方向；S0为地面坡度；Sf为水流坡度；Vx为水流方向的横断面平均流速，m/s。

4 模型构建与情景设置

4.1 排水模型构建

文章的排水模型首先通过ArcGIS软件对研究区域管道、排放口、检查井及泵站等基础数据进行概化处理，并结合泵站所在区域的地形等因素合理选择研究区域的边界范围；其次根据泰森多边形法进行了子汇水区的划分；然后基于ArcGIS平台对坡度、不透水率等基础数据进行计算，完成模型基础参数设置；最后模型概化为179个子汇水区、179个检查井、泵站1座及出水口1个。集成上述基础数据，通过SWMM软件模拟泵站在不同降雨重现期下，现状调度及优化调度两种运行方案下的蓄水池的水位过程、泵站的运行时间及研究区域溢流井点个数的变化，从而定量揭示泵站运行方式对城市排水的调节作用。

4.2 设计暴雨情景

为深入表征泵站不同调度方案下的排水及减涝效果，文章基于广州暴雨强度公式，如公式（4）所示，构建了P=1、P=2、P=3、P=5、P=10、P=20、P=30、P=50共计8种重现期下2h的芝加哥雨型作为研究区域的降雨输入。其中，降雨的雨峰系数为 0.4，计算时间步长为 1min，设计暴雨强度的计算公式为：

式中，q为设计暴雨强度，L/(s·hm2)；p为设计重现期，a ；t为降雨历时，h。

5 模拟结果分析

5.1 泵站现状运行方案模拟结果分析

泵站现状运行方案为：启动水位为6m，停泵水位为1m。下面就该方案下的上游管网溢流井点位置及泵站蓄水池水位过程进行计算结果分析。

5.1.1 上游管网溢流井点位置分析

通过提取SWMM模拟结果，并且结合ArcGIS软件分析，得到了不同重现期下检查井淹没情况。研究区域遭遇重现期为1a一遇的暴雨时，部分区域的检查井就会出现溢流现象，并且呈中间多两端少的趋势。随着降雨强度的增大，研究区左右两侧被淹没的检查井会随之增多。

5.1.2 蓄水池水位过程

通过对比泵站现状运行方案下，20a及30a一遇降雨条件下泵站蓄水池水位过程的模拟结果可知，不同重现期蓄水池水位过程，见图1。每个时段所对应的蓄水池的实时水位在30a一遇暴雨情境下蓄水池的水位＞6m且有溢流产生，证明蓄水池无法承受该时段降雨强度；20a一遇暴雨情景下，蓄水池的水位≤6m且并无溢流；以上结果表明该泵站在现状调度方案下，实际的排水防涝能力仅能够抵御20a一遇的降雨。

图1 不同重现期蓄水池水位过程

5.2 泵站优化调度方案

5.2.1 优化方案设计

基于泵站现状调度方案的计算结果分析，为提高泵站抵御降雨的能力，可考虑通过调整泵站的启闭水位，从而改善蓄水池在30a一遇暴雨条件下的溢流现状。文章拟采用降低排涝泵的起泵水位方案，具体的启停水位设置如下：泵站中两台排涝泵泵的启泵和停泵水位均分别设置为1m、0.5m。基于优化后的调度方案，采用swmm模型进行数值模拟，通过对比分析优化前后蓄水池的水位过程、泵站的运行时间及上游溢流井点的个数，来分析优化方案的科学性及优势性。

5.2.2 不同方案模拟结果对比分析

泵站现状调度方案及优化调度方案后的溢流井点个数的变化，溢流井点个数变化对比表，见表1。通过表1可知，在各降雨情景下，泵站的优化调度方案较现状调度方案溢流井点个数均有不同程度的降低，减少个数在2～6个之间，优化效果明显。

表1 溢流井点个数变化对比表

泵站现状调度方案及优化调度方案后排涝泵启动时间的对比，结果显示排涝泵在优化调度方案较现状调度方案的工作时间提前了约4min，泵站启动时刻对比表，见表2。

表2 泵站启动时刻对比表

泵站现状调度方案及优化调度方案后在30a一遇暴雨情景下蓄水池平均水位的变化过程，30a一遇蓄水池不同调度方案下蓄水池水位对比表，见图2。由图2可知，泵站在优化调度方案下较现状调度方案蓄水池水位显著降低，且未发生溢流。

进一步表明，优化调度方案实施后，能够将泵站现状抵御20a一遇降雨的能力提高到抵御30a一遇降雨的能力，说明优化调度方案排涝效果明显。

图2 30a一遇蓄水池不同调度方案下蓄水池水位对比表

6 结 论

文章以广州市番禺区某泵站周边为研究区域，通过建立SWMM模型模拟了不同降雨重现期下泵站在现状调度方案及优化调度方案下泵站的排水状况。通过对比不同方案下泵站周边溢流井点分布情况、蓄水池的水位过程变化及排涝泵站的运行时间得到以下结论：

1）泵站的优化调度方案较现状调度方案下检查井的溢流井点个数均有减少，减少个数在2～6个之间。

2）泵站在优化调度方案下较现状调度方案蓄水池水位显著降低。

3）优化调度方案实施后，泵站运行时间有较小程度增加，能够将泵站现状抵御20a一遇降雨的能力提高到抵御30a一遇降雨的能力，优化效果显著。

4）通过优化城市排涝泵站的调度方案，能为缓解城市内涝问题提供有效手段。