北排经验：北京市核心区管道清淤怎么做
以北京市核心区某合流区域排水管网为研究对象，基于SWMM模型，从管网淤积风险判断、不同淤积程度的清淤必要性判断以及重点清淤管段选择标准3方面研究。结果表明：在管网整体40%的淤积情况下，暴雨重现期不超过5年时，对总长度25.2%的重点管道进行清淤后，溢流节点数量恢复至无淤积工况，节点最大溢流时间、排口总出流量、排口峰值流量变化值是全部管段清淤变化值的85.0%、76.0%、69.5%以上，表明对重点管道清淤方法可较大范围恢复区域排水能力。
引用本文：贾高峰，杨福天，梁斌，等. 基于SWMM的北京市核心区合流制排水管网清淤方案研究［J］. 给水排水，2024，50（1）：108-114，120.
1 SWMM管道模型建立
1.1 模型概况
研究区域位于北京市，夏季高温多雨，冬季寒冷干燥，属于暖温带半湿润半干旱季风气候，降水季节分配很不均匀，全年80%的降水集中在6至8月份。区域总面积14.85 hm²，以建筑物、水泥道路为主，绿化率较低，水体面积约为0.52 hm²。根据现状排水管网拓扑结构，对研究区域排水管网进行SWMM模型概化，管段全长3 428m，共计310条管段和310个节点，子汇水区基于实际雨水流入的检查井进行划分，共计92个子汇水区，管网成枝状网络分布，经汇集在两个出水口排出。研究区域排水管网布局及汇水分区如图1所示。
图1 研究区域排水管网布局及汇水分区
1.2 降雨数据
根据北京市《雨水控制与利用工程设计规范》北京市核心区应采用北京市Ⅱ区暴雨强度公式进行模拟分析，降雨重现期分别取0.5、1、3、5年一遇，重现期≤10年一遇时采用式(1)，暴雨雨型选用芝加哥雨型，降雨历时为2h，根据袁冯等对北京短历时雨型系数统计，1991年至2017年北京综合雨峰系数（峰值时间/降雨历时）为0.382，将该数值作为峰值比例，根据上述参数得到的不同降雨重现期降雨强度时程分配如图2所示，0.5、1、3、5年重现期2h降雨量分别为34.73、45.95、63.73、72.00mm。
式中 q——暴雨强度，L/(s·hm²)；
p——设计降雨重现期，年；
t——降雨历时，min。
图2 降雨强度时程分配
1.3 旱季流量
在无降雨时合流管输送的污水流量一般称为旱季流量，可根据区域内每天人均用水量、服务人口数量估算节点污水流量。通过对研究区域内排水用户调查，不存在较大污水用户，基本以居民生活污水为主。北京市西城区常住人口113.7万人，面积50.70km²，平均人口密度2.24万/km²，根据《室外给水设计标准》(GB 50013—2018)，本文取220 L/(人·d)，得到该区域污水量每天约为732m³/d，由此估算每个节点产生流量约为2.36m³/d。
1.4 模型参数确定
本研究输送系统模拟采用动力波(Dynamic Wave)计算模型，模拟时间步长(Routing Timestep)确定为30s，模拟时长为3h。子汇水区参数设置对模型模拟结果影响较大，坡度是影响结果的另一个重要参数。经计算该研究区域最大平均坡度为3.83%，最小平均坡度为0.30%。研究区域坡度分布如图3所示。
图3 研究区域坡度分布
1.5 模型率定与验证
当无管网流量监测数据时，可采用径流系数法对模型进行校准和验证。区域综合径流系数计算根据单一地面种类的径流系数与所选区域按面积加权计算而定，其计算方法如式（2）所示：
式中 Ψ——区域综合径流系数；
Si——单一地面种类的面积；
Ψi——单一地面种类的径流系数；
S——所选区域的面积；i为地面种类序号。
以2021年7月1日实际降雨进行模拟验证，如表1所示，利用式2依据实际地表信息中不同地面种类所占比例计算出该区域综合径流系数值为0.81～0.91，取中间值0.86作为该区域的径流系数，将区域的径流系数与总降雨量和区域面积三者相乘，得到整场降雨径流总量为4 636m³，用SWMM计算出总径流量为4 762m³，如图4所示（Out1和Out2），两者的误差为2.7%，小于5%，说明依据径流系数法模型具有一定的可靠性。模型主要参数如表2所示。
表1 径流系数取值范围
图4 SWMM总径流量计算结果
表2 SWMM 模型主要参数
2 模拟结果与分析
2.1 管道淤积风险判断
制定排水管网清淤方案时应对淤积风险高的管道进行重点排查，可根据管道旱季流量下是否达到自净流速评估管道淤积风险，通常管道流速越大，淤积风险越小，污水管道自净流速为0.6m/s，雨水、合流管道为0.75m/s。本次研究区域旱季流量管网流速模拟结果如图5所。从图5中可知：上游多数管道流速小于0.2m/s，中下游管道流速介于0.2~0.6m/s，所有管道均未达到自净流速，可知研究区域内整个管网系统管道均存在淤积的风险，且上游淤积风险较大。因此汛前应对该区域进行排查，依据各管段流速情况确定排查重点。
图5 旱季流量管网流速情况
2.2 不同淤积程度的清淤必要性分析
根据《室外排水设计标准》（GB 50014—2021）要求，为了更好的研究淤积程度与溢流节点的关系，需设置多级别的淤积程度，排水管网淤积通常是区域性淤积，因此可采用全局管道淤积系数（GSC）进行分析，本文取淤积程度从0开始，每隔10%逐渐增加，不同淤积工况下的管网溢流节点占比如图6所示，取最不利（高要求）条件，降雨工况为5年一遇，溢流时间为0.5h，此时GSC达到20%时开始出现溢流点，即该区域GSC达到20%时应开始进行清淤。取最有利（低要求）条件，降雨工况为3年一遇，溢流时间为2 h，GSC在90%以上才会出现溢流点，但此时管线基本丧失排水能力，溢流时间主要与降雨时长相关。
进一步分析淤积程度对溢流节点影响，并根据溢流节点增长变化制定清淤方案。从图6中可知：当GSC小于10%时，管网未出现大于0.5 h以上溢流节点，此时无需对管网进行清淤；当GSC在10%~50%时，随着淤积程度增加溢流节点数量占比也逐渐增长，但增长速率较为缓慢，溢流节点数量占比均在10%以下，即使淤积程度达到50%，相对排水能力仍保持在70%左右，因此在该淤积范围内管线清淤工作工期可靠后安排。当GSC在50%~80%时，管网相对排水能力急剧下降，溢流节点数量占比随着淤积程度增加加速增长，管网达到该淤积范围时，应优先安排清淤工作，且此时进行清淤对溢流节点减少效果较为明显。当GSC超过80%时，管道出现溢流时间大于2 h以上的节点，管网基本失去排水能力，此时应当尽快安排管道清淤。
图6 不同淤积程度下管网相对排水能力和溢流节点数量对比
2.3 重点管道清淤分析
根据前文分析，不同GSC数值可对应不同清淤策略，若对全部管网进行清淤，清淤工作量依然较大，本文进一步探索针对部分重点管线进行清淤后即可满足管网运行要求的方法。对北京核心区500 km左右合流排水管网调查，统计淤积20%以上管线（排水管区允许积泥深度不应超过管内径或渠净高度的1/5），平均淤积达39.4%，且根据2.2可知，当GSC在10%~50%时，溢流节点数量占比增长较为缓慢，因此综上考虑选取GSC为40%工况，分析对部分管道清淤保证排水能力方案。
根据管网拓扑结构，依据两个出水口将研究区域划分为Ⅰ、Ⅱ两个区域，在5年一遇，40%淤积工况下，统计溢流时间大于0.5h节点数量，如图7所示。研究区域内共8处溢流节点，其中Ⅰ区有5处M1-M5，Ⅱ区有3处M6-M8。管网出现溢流节点原因为该节处下游管线排水能力不足导致，因此清淤管线可从溢流节点处起到下游不超载管道为止。从图中可知：Ⅰ区M1-M³所在管网为环状，环状管网首先对比溢流节点到交汇点长度，选取最短距离作为清淤管段可减少清淤量，即选取M1-H1（途径M²、M³）和M³-H1（途径M²、M1）两者中最短者，若距离相差不大，则对比两端溢流节点高程，即对比M1、M³高程，选取较高的溢流节点为起始点，有利于管道水流流出。本案例中M³-H1管段距离为241 m，M1-H1管段距离为274 m，节点Z1下游管网不在超载，因此选择M³-H1-Z1为清淤管段。M4-M5所在管网为枝状，枝状管网清淤管段从最远溢流节点起到下游不超载管道为止，即选择对M5到Z2管段进行清淤，从图中可知该溢流节点主要是因为中游管段排水能力不足造成。Ⅱ区M6-M8也为枝状管网，选择从M6-Z3和M8-Z3管段进行清淤。所有清淤管段具体位置为图7绿色标记处管道，清淤管道总长863.8 m，占该区域管网总长度25.2%。
图7 清淤管道
用4种降雨重现期0.5、1、3、5年一遇进行模拟，对比淤积、全部管段清淤和针对重点管道清淤，大于0.5 h溢流节点数量、节点最大溢流时间、排口总出流量和排口峰值流量，具体如表3所示。针对重点管段清淤后，0.5 h以上溢流节点数量和全部清淤工况相同；节点最大溢流时间较淤积时分别减少0.17、0.24、0.35、0.40 h，是全部管段清淤减少值的85.0%、85.7%、87.5%、88.9%；排口总出流量较淤积时分别提升0.54、0.8、1.19、1.37m³，是全部管段清淤提升值的79.5%、76.0%、76.7%、77.2%；排峰值流量较淤积时分别提升0.70、0.83、1.02、10.6m³/s，是全部管段清淤提升值的79.7%、69.5%、77.3%、80.0%。不同重现期下排口流量曲线如图8所示，可知管道淤积对于排口流量曲线影响较大的是峰值高度，利用此方法对部分重点管段进行清淤可较大范围恢复区域排水管网排水能力。
表3 不同降雨重现期下淤积、全部清淤、重点清淤工况数据统计
图8 不同重现期下排口流量曲线对比
3 结 论
本文基于SWMM模拟结果，从管网淤积风险判断、不同淤积程度的清淤必要性判断以及确定重点清淤管段3方面分析，为北京市核心区合流制管道的清淤工作提供指导。
（1）通过模拟合流管线旱季流量工况下流速情况分析管道淤积风险，当流速未达到自净流速，判断管网淤积风险较大，应安排进行管网调查。
（2）进行淤积程度与溢流节点的相关性分析，发现当GSC小于10%时，管网未出现大于0.5 h以上溢流节点，此时无需对管网进行清淤；当GSC在10%~50%时，溢流节点数量占比在10%以下，因此在该淤积范围时管线清淤工作工期可靠后安排。当GSC在50%以上时，管网相对排水能力急剧下降，溢流节点数量随着淤积程度增加占比加速增长，在该淤积范围时应立即安排清淤工作。
（3）确定重点清淤管段选取标准，环状管网对比溢流节点到交汇点距离，选取短距离路线作为清淤路线，枝状管网以最远溢流节点到下游不超载管道为止为清淤路线，本文选取GSC为40%工况时，确定了该区域内环状管网和支状管网的重点清淤管段，清淤管道总长863.8 m，占该区域管网总长度25.2%。
（4）对重点管道清淤后，0.5 h以上溢流节点数量和全部清淤工况相同，节点最大溢流时间、排口总出流量、排口峰值流量变化值是全部管段清淤变化值的85.0%、76.0%、69.5%以上，表明对重点管道清淤方法可较大范围恢复区域排水能力。
本文提出的根据合流管线旱季流速判断淤积风险，根据管网不同淤积程度与溢流节点的相关性分析清淤必要性以及根据溢流节点与下游管道充满度情况确定清淤管线的方法，在明显提升管网排水能力的同时极大减少了资源投入，该方法可为今后北京市核心区合流制管道的清淤工作提供方法参考。
