基于ArcGIS和SWMM的闭库排泥库雨水管网改造研究与应用

赵 宸，梁 泓，田 凯，莫良贯，何祖杰

（1.中建五局广西建设有限公司，广西 南宁 530000；2.南宁市排水有限责任公司，广西 南宁 530028；3.湖南华工建设有限公司，湖南 长沙 410021；4.广西大学土木建筑工程学院，广西 南宁 530004；5.广西瑞宇建筑科技有限公司广西金属尾矿安全防控工程技术研究中心，广西 南宁 530000）

0 引 言

根据广西壮族自治区应急管理厅相关数据，截至2020年底，广西共有尾矿库202座，病库或险库占到所有尾矿库的57%。其中，百色市现存大型尾矿库14座，总库容达7 181×104m3，最大堆积深度超过70 m，最大库面占地面积为494.97 hm2。高含水量尾矿泥堆储在排泥库中，形成人造泥石流的危险源[1]。《尾矿设施设计规范》（GB 50863—2013）[2]提出对有条件的闭库排泥库进行复垦。闭库后的排泥库库面缺乏有效的排涝系统，在降雨积水情况下库面积水无法有效排出，采用排水固结的方法无法使泥浆固结，这直接影响到固结土层的稳定和复垦作物种植。因此，科学合理地计算排泥库流域的降雨径流，开展闭库排泥库的防洪排涝工程设计及建设迫在眉睫。陈雯[3]通过对尾矿库现有排洪系统的进水斜槽进行优化设计，为优化尾矿库的排洪系统和尾矿库安全运行提供参考；刘晓非等[4]通过准确的调洪演算，确定了尾矿库的安全运行参数，为尾矿库安全管理提供依据；刘明生等[5]采用水力学方法对尾矿库排洪系统进行计算，并提出了优化改进意见；杨文兵等[6]采用暴雨洪水法对尾矿库进行分析，为尾矿库的安全运行提供了指导；邓书申[7]对尾矿库不同进水口断面排水系统会出现的堰流、压力流、半压力流三种流态分别进行了计算对比，提出了排洪系统进水口优化方案；王汉勋等[8]采用Geo-studio及STAB土质边坡稳定性分析软件，对暴雨加地震工况下的尾矿库进行分析，为尾矿库溃坝危险性评价提供了科学依据。在城市水文模拟方面，DAI等[9]采用CA-SWMM模型对城市已建排水管网进行模拟，为城市降雨径流和NPS污染模拟的优化设计提供了有效的工具；MA等[10]通过SWMM模型系统模拟城市洪水，结果表明该系统可以预测从城市降雨到城市洪水形成的整个过程；ZENG等[11]利用SWMM模型和WEB技术实现了实时城市雨水管理，而且WEB-SWMM水文模型框架也适用于大多数现有的水文模型，为解决城市雨水实时监测提供了技术手段。

根据目前国内外研究可知，尾矿库的排水研究主要集中在对库区洪水的宣泄方面，而对库面的排涝方面未见研究。库面洪涝积水会不断向土体内部渗入，影响库区内土体的固结，长时间处于高含水率下的细黏粒库泥是一种人工堆填泥石流源，时刻影响下游村庄安全。本文以百色市某排泥库为例，通过SWMM构建库区水文模型，进行库区的调洪演算，校核库区排水系统的泄洪能力，对库面排水管网进行重新设计分析，解决库面受涝问题。实现闭库排泥库流域水文的设计与建设，为类似工程水文计算提供新手段。

1 研究区概况

本文选取百色市某排泥库为研究对象。该排泥库所属地区属亚热带季风性石灰岩高原气候，雨量充沛，根据当地气象站多年观测资料，年平均降水量约为1 659 mm，主要降雨集中在每年的5月—8月，约占全年总降雨量的70%；日最大降雨量为180 mm，为三十年一遇。研究区年平均气温19.1 ℃，极端最高气温为38 ℃，极端最低气温为-1.9 ℃；最大24 h暴雨变差系数Cv24=0.45，最大24 h暴雨偏差系数CS=3.5Cv24。

2 模型建立及库区调洪计算

数字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）是构建降雨径流模型中地形、流向及自然水系的关键数据。ArcGIS软件为用户提供一个可伸缩的、全面的地理信息系统平台，是构建地理信息的关键软件。将25 m×25 m的DEM格栅文件导入ArcGIS软件中，获得研究区的地表高程图（图1）。根据ArcGIS软件数据测算得到研究区汇水面积为0.76 km2，属于特小汇水面积。对研究区地面坡度进行统计，得出四周山体坡度较陡，在20%～50%之间；库内泥面坡度较为平缓，在0.22%～1.00%之间。由此建立闭库排泥库基础SWMM模型，如图2所示。

图1 闭库排泥库数字高程模型Fig.1 Digital elevation model of closed pond tailings pond

图2 闭库排泥库SWMM模型Fig.2 SWMM model of closed pond tailings pond

2.1 初始参数设定

选取建模需要设置的参数，其中，子汇水区平均坡度、子汇水区特征宽度已经通过ArcGIS软件进行准确取值。因此，这两个参数不再需要进行率定，需要进行率定的参数范围及初始值见表1。

表1 模型水力水文模块主要参数取值Table 1 Values of the main parameters in hydraulic and hydrological module of model

2.2 模型参数率定

为解决模拟精度问题，采用径流系数法、实测数据对比法对模型参数进行率定。

1）径流系数法。在SWMM模型参数率定[12-14]中，可以通过综合径流系数对缺乏实测数据的排水管网模型进行，参数率定过程需要对不同类型的地表进行率定，对于地表径流截留作用较为明显，周边子汇水区径流系数取值在0.6～0.8之间。根据实地调研，库底表面性状接近于水田的状态，故其径流系数取值在0.7～0.8之间。综合考虑不同子汇水面积占比，研究区域径流系数应当在0.65～0.75之间。

2）实测数据对比法。采用Nash-sutcliffe系数（以下简称“NS系数”，式（1））对模拟结果和实测结果进行评价，NS系数越接近1，说明模拟结果和实测结果吻合度越高。MA等[10]研究发现，模型NS系数越大，模型模拟值和观测值越接近，大于0.7说明两者已经能达到较好的吻合度。

首先，采用径流系数法进行粗略率定，将初始值带入模型进行计算，调整参数，直到径流系数落在预设区间内；然后，输入实测降雨强度数据进行模拟，将模拟值与实测降雨数据进行对比，反复调整参数，直至模拟结果与实测数据NS系数大于0.7。

按照参数率定法，反复调整参数计算得到径流系数0.683，模拟计算水位结果和实测水位进行对比（图3），NS系数为0.833，建立的SWMM模型与库内水文情况具有较好的吻合度，校正后的参数见表1。

图3 实测降雨率定Fig.3 Actual measured rainfall rate

3 模型洪水演算及库区排水设计

3.1 设计暴雨

通过确定参数率定，建立排泥库库区的水文模型，NS系数0.833，该模型与实际情况吻合度较好。采用建立的SWMM模型对闭库排泥库进行调洪演算，为了分析研究区不同降雨情景下的内涝淹没情况，本文设计了多组降雨情景作为模型输入边界条件。通过查阅文献[15-19]可知，可通过芝加哥暴雨公式合成库区降雨使相对误差在可以接受的范围内。靖西县属百色地区，以单峰雨型为主，可直接采用芝加哥雨型进行研究区单峰降雨的合成，百色地区设计暴雨强度计算见式（2）。分别推求重现期为10 a、50 a、100 a、200 a的逐分钟24 h设计暴雨过程，如图4所示。现有管网下在不同重现期降雨的积水量如图5所示。

图4 不同重现期降雨过程线Fig.4 Rainfall hydrographs with different return periods

式中：q为设计暴雨强度，mm/min；t为降雨历时，h；P为设计重现期，a。

3.2 管道设计

通过ArcGIS获取的库区地形，根据《建筑给水排水设计标准第5部分：雨水》（GB 50015.05—2019）[20]、《灌溉与排水工程设计规范第7部分：排水（管）道》（GB 50288.07—2018）[21]设计库面排水沟渠，如图6所示。由图6可知，对排水管网进行分级，Ⅰ代表截流沟，Ⅱ代表农沟、Ⅲ代表毛沟、剩下的沟渠则为腰沟。排水管网中的主干沟主要有两条，分别命名为G数字-数字，按顺序向下为支排水沟为Z数字-数字，最末端排水沟为M数字-数字，库边截水沟为J数字-数值（例：J1-1为位于南边的截水沟的第一段），库内原有的4#排洪管井和5#排洪管井对应的编号为GJ4、GJ5。管道采用混凝土衬砌，糙率取0.012，结合渠段实际地形等条件和工程实际，确定渠道断面形式为矩形，具体设计参数见表2。

表2 不同等级沟渠的设计Table 2 Design of different levels of ditches

图6 管道平面布置图Fig.6 Drainage plan

4 结果与分析

4.1 降雨模拟结果

根据《尾矿设施设计规范》（GB 50863—2013）[2]规定，此排泥库属于三等库。该排泥库不再运行，进入闭库状态，按重现期200 a进行校核。因此，利用建立的内涝模型分别模拟重现期为10 a、50 a、100 a、200 a设计暴雨情景下管网运行情况，模拟分析采用规范设计的排水管网的排涝能力。对不同重现期降雨下超载管道即超负荷状态时的管道进行统计，结果见表3。

表3 不同重现期降雨情景下节点溢流和管道超载情况Table 3 Overflow node and overload pipeline under rainstorm with different return periods

由表3可知，采用现有规范设计的管网，当重现期为10 a时，节点超载率85%，管道超载率86%，节点超载的平均时长8.8 h，管道超载平均时长6.7 h。重现期10 a降雨情景下管网排水能力分布如图7所示。重现期从10 a增大到50 a时，节点超载率和管道超载率均增加3%，平均超载时长增加3.7 h和3.6 h；当重现期从10 a增大到100 a时，节点超载率和管道超载率分别增加7%和6%，平均超载时长增加5.6 h和5.5 h；当重现期从10 a增大到200 a时，节点超载率和管道超载率均增加9%，平均超载时长增加6.9 h和6.8 h。

图7 重现期10 a降雨情景下管网排水能力图Fig.7 Drainage capacity map of pipe network under rainstorm with a return period of 10 years

研究结果表明：管网在重现期为10 a时，大部分沟渠出现了溢流现象，相应的区域出现了地表积水的现象。沟渠均达到了极限排水能力，排水系统超载严重，随着重现期由10 a增加至100 a，超出排水负荷的管道数量和积水地块积水时长呈现加速上升趋势。主要原因是库区周边山体陡峻，坡度大，汇流时间快，周边山体以灰岩为主，产流量大，降雨持续汇聚后，进入库内，入库洪水短时间内达到了截流沟的截流能力上限，截流沟发生超载溢流，超载洪水进入库内，由库内排水沟渠承担周围山体和库面产流的疏排。随着洪水重现期越长，在管渠排水能力一定情况下，超负荷洪水形成的积水容量越大，同样管渠排水能力下的超载时间就越长。规范未能充分考虑短时汇水冲击，导致设计管道的排水能力不足，造成大面积管网超载，形成积水，且超载积水时间较长。

4.2 库区排水管道改进

针对管网超载现象，采用从下游向上游逐步改进管网的方法进行优化，能够更好地节约改造费用。改进管网排水能力主要有两种方法：第一种是增大管道断面面积；第二种是增大管道坡度。而对于位于库边的截水沟，山体坡度较大，汇流更快，所需排水能力更大，需要改进周边排水沟截水能力，减小入库洪水。通过反复调整，将截流沟断面调整为0.9 m×0.4 m，水力坡度调整为0.006，超载干渠断面调整为0.85 m×0.45 m，超载支渠断面调整为0.8 m×0.4 m。

4.3 改进后降雨模拟结果

表4为改进后不同重现期降雨情景下节点溢流和管道超载情况。由表4可知，当重现期降雨为10 a时，区域积水较改进前下降79%，管道超载率较改进前下降78%，节点超载平均时长和管道超载平均时长同比下降5.0 h和3.8 h；其他重现期降雨节点超载率和管道超载率较改进前下降约70%，节点超载平均时长和管道超载平均时长同比下降约7 h和5 h。

进一步通过洪水过程线和积水量过程线分析管道改进对库面洪峰流量、积水峰值等影响，如图8和图9所示。由图8和图9可知，重现期10 a、50 a、100 a、200 a降雨下，洪峰流量分别减少了35.34 m3/s、53.60 m3/s、61.62 m3/s、70.23 m3/s；洪峰来临时间分别提前28 min、33 min、37 min、41 min；库面积水深度峰值分别削减了9 591 mm、13 950 mm、15 901 mm、35 026 mm；库面积水时间分别下降了4 h 10 min、3 h 50 min、3 h 30 min、3 h 10 min。

图8 洪水过程线Fig.8 Flood process line

图9 积水量过程线Fig.9 Sedimentary process line

总体而言，管道改进后库区排水能力大幅提升，不同重现期降雨情景下的节点超载率和管道超载率、超载时长同比大幅下降；不同重现期降雨情景下库面洪峰流量减少约58%，200 a降雨下减少幅度最大为59.4%，洪峰提前约35 min。200 a降雨下洪峰提前时间最大为41 min；库面积水量削减约30%，200 a降雨下减少幅度最大为45.6%，积水时间下降约3 h 30 min，10 a降雨下积水时间下降最大为4 h 10 min。通过模型优化后的管网，排水能力增强，使得洪水峰值得到有效削减，洪峰到来时间提前，造成库面的积水面积更小，时间更短，有效排出入库洪水。

5 结 论

本文以百色地区某排泥库为例，通过SWMM模型构建了库区水文计算模型，演算库区不同重现期的洪水宣泄过程，根据库泥固结需求，设计面排水管网，用于排除地表积水，避免库泥长时间浸水，并采用SWMM模型对设计的库面灌渠排水能力进行校核改进，得到以下结论。

1）建立了研究区的SWMM调洪演算模型。通过参数率定校准模型，校准后模型径流系数0.683，NS系数0.833，可采用校准后模型对排泥库进行调洪计算。发现尾矿库原排水管井仅能满足排洪要求，洪涝积水现象较为严重。

2）通过ArcGIS获取排泥库地形，根据规范对库面排水管渠进行分级设计，分别是主干沟、农沟、毛沟、腰沟和截流沟。因山区地形复杂，汇流时间极快，按照规范设计的管渠排水能力不足，造成大面积管网超载。在重现期为10 a时，超80%的沟渠和地块发生了超载，随着重现期的增加，溢流渠道、积水时长、水深成倍增加，积水现象明显。

3）基于构建的模型计算结果和排水能力等级，对超载排水管渠进行管道断面、管道坡度和水力坡降改造，管道改进后库区排水能力大幅提升，重现期为10 a时的节点超载率和管道超载率同比降幅约为70%，超载时长同比降幅约为58%；200 a重现期降雨下库面洪峰流量减少约58%，洪峰提前约35 min，库面积水量削减约30%，积水时间下降约3 h 30 min，有效减少积水渗入，为尾矿库的库泥固结处置提供干燥有利条件。