周 維 張 凱 張麗娟

(成都華興眾智工程項目管理咨詢有限公司，四川 成都 610047)

雨水管理模型研究進展★

周 維 張 凱 張麗娟

(成都華興眾智工程項目管理咨詢有限公司，四川 成都 610047)

介紹了雨水管理模型(SWMM)的基本原理、發(fā)展?fàn)顩r以及計算方法，闡述了建立SWMM模型的主要參數(shù)及參數(shù)來源，并基于模型的二次開發(fā)，說明了其與計算機技術(shù)、空間技術(shù)、遙感技術(shù)等新方法的有機結(jié)合技術(shù)，最后給出了SWMM模型的研究方向。

雨水管理模型，計算方法，參數(shù)，地表徑流

近年來，隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，城市發(fā)展越來越快速，城市范圍不斷擴張，地面交通以及建筑的修建嚴(yán)重改變了城市下墊面狀況，使得城市內(nèi)澇頻發(fā)。而許多城市依然沿用城市規(guī)劃設(shè)計之初的排水系統(tǒng)，這顯然滿足不了城市排水的需要，因此，加強城市雨水管理，精確模擬城市雨水管網(wǎng)運行狀況，精準(zhǔn)預(yù)測城市內(nèi)澇災(zāi)害，促進城市防澇排澇工程建設(shè)已刻不容緩。雨水管理模型(SWMM)是美國環(huán)保局為研究和管理城市雨水而提出的動態(tài)降水—徑流模擬模型，已在世界范圍內(nèi)取得了廣泛應(yīng)用。本文通過剖析SWMM模型的基本原理，以便讓使用者能更準(zhǔn)確利用模型進行模擬和預(yù)測。

1 模型概述

1.1 模型發(fā)展

SWMM由Metcalf和Eddy公司、佛羅里達(dá)大學(xué)和美國水資源有限公司于1971年共同開發(fā)而成一套管理模型[1]。已被世界各國或組織廣泛認(rèn)可，在城市雨水徑流計算、管道設(shè)計和排水系統(tǒng)設(shè)計中起到重要作用。SWMM自推出以來經(jīng)歷了幾次重要升級，現(xiàn)已升到SWMM5版本，新版本可以直接輸入研究區(qū)相關(guān)數(shù)據(jù)，并進行水文、水力和水質(zhì)的模擬，且最終可以滿足各種形式的結(jié)果查詢需要[2]。

20世紀(jì)90年代，國內(nèi)開展了對SWMM模型的研究，在應(yīng)用范圍上也逐漸加大。劉俊、任伯幟、叢翔宇、黃卡、董欣等學(xué)者在深入分析我國城市地區(qū)雨洪規(guī)律的前提下分別對SWMM模型原理、參數(shù)等進行了充分的研究和校正，使之更適合我國氣候降雨特點，在此基礎(chǔ)上，也分別在西南山前平原、霞凝港區(qū)、典型小區(qū)等各個地形各種下墊面狀況下進行了大量的實地應(yīng)用研究，利用模型設(shè)計模擬區(qū)域降水徑流以及排水狀況，以驗證SWMM模型在我國的實用性，取得了良好的效果[3-7]。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，趙冬泉等學(xué)者又在模型原有基礎(chǔ)上進行了與地理信息系統(tǒng)的結(jié)合，構(gòu)建并設(shè)計了城市排水系統(tǒng)，并在澳門進行了實地驗證和研究[8]。

1.2 模型模擬能力

該模型包括城市區(qū)域產(chǎn)生徑流的各種水文過程[9]。在具體的研究過程中將研究區(qū)劃分為多個面積均勻的子匯水面積，再分別計算每一子匯水面積內(nèi)可滲透和不可滲透區(qū)域所占百分比，便可獲得區(qū)域徑流水文過程的時空演變過程。此外，為了準(zhǔn)確計算整個排水系統(tǒng)中每個管道、渠道、蓄水設(shè)施中的徑流和外部徑流變化，該模型還具備了相應(yīng)的水力模擬能力。除此之外，該模型還可以對徑流的污染物進行評價[9-11]。

2 模型計算方法

模型充分利用質(zhì)量和動能守恒的原理[10]，主要通過以下物理過程模擬雨水徑流量和水質(zhì)：地表徑流、滲入、地下水、流量演算、地表積水。

2.1 地表徑流

在地表徑流的計算中，SWMM模型默認(rèn)每一個子匯水區(qū)域為非線性水庫，其水流主要源于降水和上游的子匯水區(qū)域，流出方式包括蒸發(fā)、下滲和地表徑流。該子匯水區(qū)域通過積水、植被截留以及積水等方式提供最大地表蓄水，成為最大洼地蓄水。SWMM使用的地表徑流概念示意圖如圖1所示，Q表示單位面積的地表徑流，dp表示洼地的最大蓄水能力，d表示子匯水區(qū)域的水深，只有當(dāng)d>dp時才會有地表徑流，其流量計算通過曼寧公式計算。

2.2 下滲

下滲是雨水透過地表進入未飽和土壤的過程。為了模擬滲入，模型提供了Horton方程、Green-Ampt方法與曲線數(shù)方法三種計算方法。其中，Horton方程為經(jīng)驗觀測方法，因為在整個降雨過程中，土壤的下滲率是逐漸下降的，開始時下滲率最大，因此，在使用該方法時需要輸入最大和最小下滲率，還需填寫下滲率衰減系數(shù)和土壤水分由飽和到排除所需時間；Green-Ampt方法則需要輸入土壤的剛開始時其中含濕量的虧損量，土壤在單位時間通過的水量，以及濕潤鋒的吸入水頭；曲線數(shù)方法來自估計徑流的SCS曲線數(shù)方法，需輸入曲線數(shù)以及土壤由飽和狀態(tài)到徹底排干狀態(tài)所需要的時間[10,11]。

2.3 地下水

SWMM使用的是上層為非飽和區(qū)域下層完全飽和區(qū)域的雙區(qū)地下水模型(見圖2)。上層區(qū)域為非飽和區(qū)域，其含濕量(θ)是可變的；下層區(qū)域為完全飽和區(qū)域，其含濕量是固定的，與其土壤孔隙率(φ)保持一致[10]。圖2中dU表示上層非飽和區(qū)域深度；dL表示下層完全飽和區(qū)域深度；fI表示地表下滲水量；fEU表示上層非飽和區(qū)域的蒸發(fā)蒸騰作用；fU表示從上層穿透到下層的水量，受θ和dU控制；fEL表示下層完全飽和區(qū)域的蒸發(fā)蒸騰作用；fL表示下滲到深層地下水中的水量損失，受φ和dL控制；fG表示排水管網(wǎng)與側(cè)方位地下水之間的相互流動，受dL和管道或者節(jié)點的深度控制[10,11]。

2.4 流量演算

SWMM中管渠管段的流量演算，通過漸變非恒定流質(zhì)量和動量方程的守恒控制(即圣維南流量方程組)，主要包括恒定流、運動波與動態(tài)波三種演算方法。其中恒定流演算是最簡單的演算，只是在實際降雨過程中將上游端點的水文過程線轉(zhuǎn)化為下游端點，不需要做任何時間上的延誤和形狀上的改變，由于這類演算太過簡單理想化，不能模擬復(fù)雜的管網(wǎng)情況和降水過程，只適合用作長期連續(xù)模擬的初步分析；運動波演算是恒定流演算的升級，它考慮了水文過程在時間和空間上的變化過程，但是，運動波演算過程考慮到回水、管道壓力以及過程損失等因素，因此通過其模擬的結(jié)果只是相對精確的；于是為了得到準(zhǔn)確的管道水文過程，SWMM提供了動態(tài)波演算，它需要求解完整的一維圣維南流量方程組，可滿足復(fù)雜的管網(wǎng)狀況和水文過程的模擬[10,12,13]。

以上每一種演算方法，利用曼寧公式將流量與水深和底部(或者摩擦)坡度相關(guān)。一種例外是對于圓形壓力干管形狀，在有壓流下，需要利用Hazen-Williams 或者Darcy-Weisbach 公式。

2.5 地表積水

在實際流量演算中，管道系統(tǒng)的輸送能力是有限的，當(dāng)超過其輸送能力時，便有部分溢出。因此，假設(shè)將超過的部分存在頂部，等到能力許可時，再重新引入到系統(tǒng)，通過恒定和運動波流量以及動態(tài)波演算方法進行計算[10,14]。

3 模型構(gòu)建及主要參數(shù)來源

SWMM模型的構(gòu)建，需要準(zhǔn)備以下幾個方面的數(shù)據(jù)：1)水文資料：如果是準(zhǔn)備模擬計算歷史降雨徑流，毫無疑問需要收集當(dāng)時當(dāng)?shù)氐慕涤陻?shù)據(jù)，至于蒸發(fā)數(shù)據(jù)，有的話更好，沒有也影響不大；2)管網(wǎng)資料：管網(wǎng)數(shù)據(jù)是最基本的數(shù)據(jù)，如果沒有，搭建模型也就無從談起。這類數(shù)據(jù)主要包括研究區(qū)域內(nèi)地下排水管道的長度、管徑(或長與寬)、管道始末端的高程，還有雨水井或者檢查井深度、高程等數(shù)據(jù)。如果考慮雙層排水，即街道也算作排水通道，則需要街道的寬度，高程之類的數(shù)據(jù)。除了這些，還需要收集當(dāng)?shù)匾恍┡潘O(shè)施如泵站、水閘等的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和運行方式；3)下墊面數(shù)據(jù)：主要包括土地利用類型、地形數(shù)據(jù)等，用來計算子匯水區(qū)不透水率、確定土壤下滲率以及子匯水區(qū)坡度等參數(shù)。另外，如果有建筑物的分布則更好，可以結(jié)合管道流向來劃分子匯水區(qū)。這些數(shù)據(jù)如果沒有，也可以在谷歌，百度地圖上獲取遙感圖，在配準(zhǔn)后，用一些遙感解析軟件(如ENVI，新版GIS也可以實現(xiàn)這個功能)來提取不透水率，建筑物的分布等數(shù)據(jù)；4)邊界數(shù)據(jù)：排水出口的邊界，即下游排水末端與河道或者其他水體相連的排水口的邊界，可以是潮位或者河道水位等。如果沒有這些數(shù)據(jù)，只能當(dāng)作自由出流處理，但這未必符合實際。另外，如果研究區(qū)域與外部其他排水區(qū)有水量交換，而且量級較大不可忽略時，則還需要準(zhǔn)備這部分的邊界條件。

SWMM模型地表徑流模塊和傳輸模塊主要參數(shù)見表1。

表1 SWMM模型地表徑流模塊和傳輸模塊主要參數(shù)[9]

4 結(jié)語

從模型基本原理及計算方法可見，在模型構(gòu)建過程中，由于受暴雨徑流條件、下墊面性質(zhì)以及地下管網(wǎng)分布條件的影響，模型在實際模擬過程中需要的數(shù)據(jù)資料較多且較細(xì)，因此，在缺乏基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的地區(qū)其適用性還有待提高[17]。

在劃分匯水區(qū)時，國內(nèi)傳統(tǒng)方法主要為人工勾畫，近年來隨著GIS，RS等計算機技術(shù)的不斷提高，雖在模型構(gòu)建中的應(yīng)用也取得了一定的成果，但其應(yīng)用并不充分，應(yīng)更加充分利用計算機技術(shù)需求多種方法便于模型的構(gòu)建及精確模擬。

在參數(shù)設(shè)置方面，模型構(gòu)建過程中需要輸入很多參數(shù)，不少專家已經(jīng)提出了參數(shù)的不確定性和適宜性的評定，目的在于使模型模擬結(jié)果與實測結(jié)果更接近，不同區(qū)域，不同下墊面性質(zhì)的參數(shù)設(shè)置仍需要更深入細(xì)致的分析。

[1] Metcalf, Eddy.University of Florida,Water Resources Engineers,Inc.“Storm Water Management Model,Volume I-Final Report”,11024DOC07/71,Water Quality Office,Environmental Protection Agency,Washington,DC,July,1971.

[2] Huber,W.C.， Dickinson,R.E..“Storm Water Management Model,Version 4:User’s Manual”,EPA/600/3-88/001a,Environmental Research Laboratory,U.S.Environmental Protection Agency,Athens,GA,October,1992.

[3] 劉 俊.城市雨洪模型研究[J].河海大學(xué)學(xué)報,1997,25(6):21-24.

[4] 任伯幟,鄧仁健,李文健.SWMM模型原理及其在霞凝港區(qū)的應(yīng)用[J].水運工程,2006(4):41-44.

[5] 叢翔宇,倪廣恒,惠士博,等.基于SWMM的北京市典型城區(qū)暴雨洪水模擬分析[J].水利水電技術(shù),2006,37(4):64-67.

[6] 黃 卡,張 翔,李 鵬.SWMM模型在城市設(shè)計洪水中的應(yīng)用研究[J].企業(yè)科技與發(fā)展,2008(10):214-216.

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[8] 趙冬泉,陳吉寧,佟慶遠(yuǎn)，等.基于GIS構(gòu)建SWMM城市排水官網(wǎng)模型[J].中國給水排水,2008,27(4):88-91.

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[10] 常 勇.基于開源GIS與SWMM模型的集成技術(shù)研究[D].昆明：云南師范大學(xué),2013.

[11] 暴雨洪水管理模型——EPA SWMM用戶教程[Z].北京,2011.

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[13] 宋 貞.低影響開發(fā)模式下的城市分流制雨水系統(tǒng)設(shè)計研究[D].重慶:重慶大學(xué),2014.

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Research progress of storm water management model★

Zhou Wei Zhang Kai Zhang Lijuan

(ChengduHuaxingzhongzhiEngineeringConsultingCo.,Ltd,Chengdu610047,China)

The article overviewed the fundamentals, status of development and calculation method of SWMM. In addition, it explained the main parameters and the source to modeling SWMM, and illustrated the combination with computer technique, space technology and RS based on the model’s secondary development, provides the research direction of SWMM model.

SWMM, calculation method, parameters, surface runoff

1009-6825(2017)05-0154-03

2016-12-04★：四川省科技支撐計劃項目(2014SZ0144-03)

周 維(1980- )，男，高級工程師

TU992.4

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