王淺寧 王惠穎 郭子君 曹楠

摘要：受全球氣候變暖和城市化進程加快等因素的影響，城市暴雨內(nèi)澇災害日趨嚴重，大中型城市在防御內(nèi)澇災害方面的脆弱性日趨明顯，內(nèi)澇災害預警是城市內(nèi)澇災害研究的重點和難點。本文對SWMM模型的工作原理進行簡要介紹，方便讀者對SWMM有個初步認識。

關鍵詞：SWMM模型；城市內(nèi)澇；分布式水文模型

SWMM （Storm Water Management Model，暴雨洪水管理模型）最早是在 1969-1971 年由美國環(huán)境保護署（EPA）資助，由梅特卡夫-埃迪公司、佛羅里達大學、美國水資源公司等聯(lián)合開發(fā)，歷經(jīng)數(shù)次更新。SWMM是一個動態(tài)的降水-徑流模擬模型，主要用于模擬城市某一單一降水事件或長期的水量和水質(zhì)模擬。SWMM 被廣泛應用于城市地區(qū)的暴雨洪水、合流式下水道、排污管道以及其它排水系統(tǒng)的規(guī)劃、分析和設計中，在其它非城市區(qū)域也有廣泛應用。

SWMM 模型的主要的功能模塊主要有徑流模塊和匯流模塊。其徑流模塊部分綜合處理各子流域所發(fā)生的降水，徑流和污染負荷。其匯流模塊部分則通過管網(wǎng)、渠道、蓄水和處理設施、水粟、調(diào)節(jié)鬧等進行水量傳輸。該模型可以跟蹤模擬不同時間步長任意時刻每個子流域所產(chǎn)生徑流的水質(zhì)和水量，以及每個管道和河道中水的流量、水深及水質(zhì)等情況。

1 模型原理

SWMM與1971年由美國環(huán)保署開發(fā)，后來又經(jīng)歷了幾次重大的完善和升級，現(xiàn)主要包括水文、水力和水質(zhì)模塊。

1.1 水文模塊

SWMM的水文模塊主要模擬地表徑流的產(chǎn)流和匯流過程。其中，產(chǎn)流過程包括時變降雨、地表水蒸發(fā)、積雪及其融化、洼地存儲等；匯流過程包括降雨入滲到非飽和土層、徑流水滲透到地下水層、地下水與排水管道的水流交換、坡面匯流，以及降水和徑流量減少或延緩的各種微影響過程。

1.2 水力模塊

水力模塊主要模擬徑流和外部水流在管道、渠道、蓄水和處理單元、分水建筑物等中的流動，包括各種形狀的封閉式管道中的水流，一些特殊部分的水流，外部水流和水質(zhì)的輸入，匯流，以及各種形式的水流（如回水、逆流和溢流等）。

1.3 水質(zhì)模塊

根據(jù)功能區(qū)或土地植被類型可見同一排水區(qū)劃分為不同的水文單元，并據(jù)此定義各種地表污染物的累積模型和沖刷模型，以模擬地表徑流中污染物的增長、沖刷、運輸和處理過程。

2 SWMM模型的應用

SWMM 模型被廣泛應用于對單場暴雨或者連續(xù)降雨而產(chǎn)生的暴雨徑流進行動態(tài)模擬，進而解決與城市排水系統(tǒng)相關的水量與水質(zhì)問題，為城市排水系統(tǒng)設計規(guī)劃和運行提供依據(jù)。從以下的應用案例中可以看出 SWMM 的主要用途和重要作用。

2.1 排水管網(wǎng)系統(tǒng)分析

該研究以鎮(zhèn)江市中心城區(qū)解放南路雨水排放子系統(tǒng)為例，排水管網(wǎng)系統(tǒng)建模仿真軟件選 用 SWMM，排水管網(wǎng)系統(tǒng)入滲模型采用Horton模型，管網(wǎng)模擬采用動力波法，以充分模擬下 游回水情況。通過水文模型參數(shù)靈敏度分析，選用不透水區(qū)粗糙系數(shù)、（透水區(qū)）初始入滲率 作為模型校準的調(diào)整參數(shù)。針對鎮(zhèn)江市排水管道流量監(jiān)測資料欠缺的現(xiàn)實，模型校準采用了 基于排水管網(wǎng)宏觀水文特征（徑流系數(shù)和積水事件）的模型預校準方案。

2.2 城區(qū)非點源污染源的控制

該研究運用SWMM和 QUAL2E模型，通過對城市地區(qū)的模擬和對河中水質(zhì)隨溢流和水力負荷而變化的估算，為 NP的適當處理計算了設計降雨量。在合流制管道中，由于降雨而超過管道截流能力的流量被設定為直接排放入排放系統(tǒng)，暴雨雨水也是設計為通過一根單獨的管道或是暴雨管道而直接排放。污染物濃度較高的未預料到的入流有時會在降雨早期階段發(fā)生，尤其是在不透水地區(qū)。這種不經(jīng)適當處理的高污染負荷的溢流排放會導致水質(zhì)下降。另外，這是眾所周知的導致排放系統(tǒng)污染的重要因素。該研究運用SWMM模型，試圖通過對檢查點的排放性質(zhì)進行估計，估算出原水水質(zhì)隨截流流量的變化而變化的情況。根據(jù)運用SWMM 模型對不同設計降雨量下的暴雨管道排放和污染負荷的研究結(jié)果得知，暴雨管道排放量隨降雨量和降雨強度的變化而增減?？紤]到溢流的特性，運用SWMM模型對管道溢流的截流速率進行運算，由運算結(jié)果得知，檢查點的截流速率表現(xiàn)出很大不同，表現(xiàn)在檢查點處CSO的截流速率高于SSD的截流速率。通過對溢流的截流水量的計算，其中考慮到降雨時水流排放的特性，對水質(zhì)進行研究，研究結(jié)果表明，與不作任何處理的溢流排放相比，混合著部分溢流的截流排放中BOD濃度下降82.9%-94.0%。

3 結(jié)語

SWMM 模型自開發(fā)至今以來，已經(jīng)被廣泛地應用于城市暴雨徑流的管理，同時在非城市地區(qū)也有應用。經(jīng)過多年的研究和發(fā)展，SWMM 模型在多個城市暴雨徑流管理和排水系統(tǒng)規(guī)劃中充分發(fā)揮了作用。同時，在其他技術的的輔助下，如 GIS 技術，SWMM 模型表現(xiàn)出了更強大的功能。隨著技術的不斷進步與發(fā)展，多種技術的聯(lián)合使用將成為一個必然的趨勢。

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基金項目：鄭州大學大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃資助項目