采用美国环保署暴雨水管理模式(SWMM) 进行生活污水管道设计外文翻译资料

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采用美国环保署暴雨水管理模式(SWMM)

进行生活污水管道设计

SCOTT A. LOWE

（土木与环境工程系,曼哈顿学院,百汇,河谷,纽约10471）

摘要：传统的生活污水设计采用了详细的设计表格，其中包含了完成设计的所有必要信息。另一种方法是使用建模软件，比如环保局的SWMM模型。本文详细介绍了美国环保署SWMM模型在拟建的62个地块污水系统设计中的应用。SWMM通常被认为几乎完全是一种雨水系统分析工具，但是这个应用程序展示了它如何也可以用于卫生下水道的分析和设计。本报告详细描述了SWMM模型参数，以处理渗透和流入以及基本的卫生流量 2009威利期刊有限公司，2010年4月18日，在威利国际科学杂志上发表的文章(www.interscience.wiley.com)；DOI 10.1002 / cae.20124

关键词：SWMM;生活污水管;水力模型

Sanitary Sewer DesignUsing EPA Storm WaterManagement Model (SWMM)drainage basins in South China

SCOTT A. LOWE

（Department of Civil and Environmental Engineering, Manhattan College, Parkway, Riverdale, New York 10471）

Received 13 June 2006; accepted 27 December 2006

Abstract：Traditional sanitary sewer design uses detailed design tables that contain all the necessary information to complete the design. An alternative approach is to use modeling software, such as the EPA SWMM model. This paper details the application of the EPA SWMM model to design the sanitary sewer system of a proposed 62 lot development. Typically SWMM is thought of almost exclusively as a storm water system analysis tool, but this application shows how it can also be used for sanitary sewer analysis and design. The paper details how the SWMM model parameters were set to handle infiltration and inflow as well as base residential sanitary flows. 2009 Wiley Periodicals, Inc. Comput Appl Eng Educ 18: 203212, 2010; Published online in Wiley InterScience (www.interscience.wiley.com); DOI 10.1002/cae.20124

Key words： SWMM; sanitary sewer; hydraulic model

1 简介

生活污水系统的设计是土木工程水力设计的基础课题之一。传统上，这些设计是通过构建包含完成设计所需的所有信息的详细表来完成的 [1-4]。图1显示了此类表的一个示例。请注意，图1中的表格只包含为韦伯路一条街上的三个街区设计下水道所需的信息。虽然这样的表格可以使用Excel来构建，但是它们代表了易于出错的冗长过程。这些设计表的生成非常耗时，而且在设计中等规模的系统时变得非常笨拙。

另一种方法是使用水力建模软件。这种水力建模软件的实例是EPA雨水管理模型(SWMM)。SWMM通常用于设计雨水系统[5]。如果用户对模型参数进行相应调整，也可用于污水管道的建模。本文详细介绍了SWMM在密苏里州卡斯县的一个开发项目中应用于下水道系统的设计。

图一 下水道设计表格示例

2 SWMM模型概述

SWMM是由美国环保署和是免费的,公共领域的软件。SWMM是一种动态降雨径流模拟模型，用于对主要城市区域[5]的径流数量和质量进行单事件或长期(连续)模拟。SWMM跟踪每个子流域内产生的径流的数量和质量，以及在由多个时间步长组成的模拟周期期间，每个管道和通道内的水流速度、流量深度和水质。SWMM最初是在1971年开发的，此后经历了几次主要的升级。它继续在世界各地广泛用于与暴雨径流、组合下水道、卫生下水道和城市地区其他排水系统有关的规划、分析和设计，在非城市地区也有许多应用。最新版本的SWMM (SWMM 5.0)具有图形界面。

3 实例应用

课堂上使用的例子是建立在密苏里州卡斯县的雷摩尔市的一个开发项目的基础上的。该项目包括62个地块，面积从1/8英亩到1/2英亩不等，外加一个游泳池和几条道路，如图2所示。

图二 现场平面图

【彩色图像可以在网上看到，能够在www.interscience.wiley.com上找到】

根据附录1的海拔数据绘制了等值地图。设计要求参考了密歇根州安娜堡市[6]的设计要求，包括风暴强度和持续时间、流入和渗透 (I/I)要求的详细规范，以及典型的日常卫生流量生成率。这些要求见附录2和3，总结如下:

• 设计干燥的天气流frac14;300加仑日(单一家庭住宅)
• 设计干燥的天气流frac14;20加仑日/人均(游泳池)
• 干燥的天气流量frac14;峰值400%设计流程
• 设计风暴frac14;II型SCS,6小时时间,400年总降水量(见附录4)
• I/I =10%的降雨量立即进入下水道
• 流量不能超过管道容量的90%

应满足的额外要求包括:

• 只有一条连接到露西·韦伯路的主干主干线
• 街道的最低遮盖深度为6英尺
• 侧向覆盖的最小深度为3英尺
• 尽量减少使用地役权
• 街道上最少管道尺寸为8”
• 最小横向尺寸为6”

4 SWMM模型建立

工地平面图被导入SWMM并用作背景图，在背景图上叠加污水管网。如图3所示。所需的各种输入详见下文。

图三 SWMM网络

【彩色图像可以在网上看到，能够在www.interscience.wiley.com上找到】

4.1 降雨

根据城市的要求，在SCS型II型降雨分配的基础上，构建了一场6小时降雨4”次的暴雨。这在SWMM中设置为时间序列。

4.2 子汇水区和I/I 要求

每一块土地，加上游泳池，被定义为一个分集水区，并计算其面积。每个街区的中心位置都是计算过的，假设这个高度代表了每个横向连接的起源，而不是需要的三英尺的覆盖层。

有几种可能的方法来建模I/I需求，即允许风暴的10%立即进入系统。这里使用的方法是让10%的水从小流域流出，进入支流与干流汇合的地方。这样做的优点是不强制I/I流通过分支，而是让流首先出现在主要的一个连接处。这是对现实情况的一种现实解释，因为街道上的人孔在很大程度上要对流入屋顶导轨与卫生系统不相连的系统负责。

这10%的暴雨径流是通过将每个街区的不透水率设置为10%，并强制所有不透水径流进入系统来实现的。为了确保来自不渗透地区的径流迅速到达系统，为每个小流域分配了1000英尺的宽度。这就减少了小流域的有效长度，从而减少了径流的运行时间。确保风暴没有在洼地储存中被捕获，洼地储存在不透水区域的深度设置为零。

另一方面，不允许有任何形式的地下流域的径流可以进入系统，否则，超过10%的风暴将被捕获为I / I。为防止这种情况的发生，将透水区洼地蓄水设为大值，1000”。该值足够大，使得落在可透气区域上的任何降雨有效地保持在低洼存处。

4.3 连接

干燥的天气从房屋流入作为横向连接开始的连接处。对于每个连接点，根据最小覆盖要求和额外的英尺来计算管道的仰拱高度。最大深度设置为仰拱与地面高程的差值。

4.4 导管

假设整个系统将使用PVC管道，曼宁的“n”设置为0.01。管道类型为圆形(非“圆形填充”)，深度为管径。

4.5 模拟周期

模型运行8小时，从风暴开始时开始，到风暴结束后2小时结束。由于系统较小，在风暴前没有启动时间是必要的，特别是在设计风暴进行到一半的关键时期，进入模拟3小时。

4.6 模型结果

传统的污水管网设计方法面临的挑战之一是将固有的静态方法应用于动态系统。下水道网络代表三维的、时间可变的系统。SWMM的输出功能允许用户在多个维度和时间中查看系统的不同选项。这是使用SWMM的显著优势之一，它直接影响用户查看设计中的缺陷并做出适当更改的能力。SWMM输出选项的一个示例包括:在整个运行过程中系统的彩色编码映射;以及绘制各种下水管道的水力剖面的能力。下面将详细介绍这些示例。

系统峰值流量图如图4所示。在这张图中，系统的所有三个主要组成部分同时被跟踪:分流域、汇合点和管道。当出现关键设计点时，用户可以将图例更改为标志。在本例中，当管道的容量达到90%时(根据设计规范)，管道将被设置为红色，如果节点额外充电(溢出)，则节点将被设置为红色。

图四 流量峰值时的SWMM网络

【彩色图像可以在网上看到，能够在www.interscience.wiley.com上找到】

图5示意性地显示了源自第58号地段，并在连接露西·韦伯路(以下简称“1号干线”)现有主干干路时终止的水流路线。图6为1号线峰值流量时产生的SWMM对应的水力剖面。在SWMM的所有输出选项中，用户都能够按时间步进运行模型，实际上是创建结果的动画。

SWMM的另一个有用的输出特性是能够查看系统中各个点的时间流序列。图7显示了这一示例。节点表示沿路线1的各种人孔。这张图清楚地展示了系统中的峰值流量计时，以及流量如何通过系统累积。

图五 第58号地段的1号干线

【彩色图像可以在网上看到，能够在www.interscience.wiley.com上找到】

图六 1号线水力剖面

【彩色图像可以在网上看到，能够在www.interscience.wiley.com上找到】

图七 1号线各点的流时间序列

【彩色图像可以在网上看到，能够在www.interscience.wiley.com上找到】

5 结论

环境保护署的雨水管理模型(SWMM)虽然主要被认为是一种雨水处理工具，但如果相应地设置适当的参数，它可以很容易地应用于卫生污水系统的设计。事实上，与传统的表格法相比，SWMM法是一种更加实用的污水管道设计方法。正如本文所记录的例子所示，作为设计过程的一部分，SWMM污水管网很容易建立，随后也很容易修改。SWMM还提供了出色的后期处理图形，允许用户动态地查看系统，包括计划和概要。也许最重要的是，SWMM是免费的公共域软件。

鸣谢

这些显示SWMM网络及其后续结果的数据是由Donald Dedrick在2006年春季曼哈顿学院水力设计课程中生成的。

附录1:场地标高数据

参考高程数据(ft)

Silver Lake 1030.0

Lucy Webb at Brook Pkwy 1040.0

Brook Pkwy at South Pool 1060.0

SW Corner Lot 58 1120.0

SE Corner Lot 51 1070.0

SE Corner Lot 42 1080.0

NE Corner Lot 34 1050.0

NW Corner Lot 13 1050.0

NW Corner Lot 18 1080.0

SE Corner Lot 9 1060.0

SE Corner Lot 37 1065.0

NE Corner Lot 2 1050.0

NE Corner Lot 44 1085.0

附录2:污水渠设计

要求(基于密歇根州安娜堡市)

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