SWMM模型综述

许 迪

（云南师范大学，云南昆明650092）

SWMM模型综述

许 迪

（云南师范大学，云南昆明650092）

综述了非点源污染模型的体系，对SWMM模型的原理进行了阐述，如汇水单元产生径流的模拟过程及其原理、污染物累积及冲刷过程的原理、输移模块的模拟原理等。概括了SWMM模型在国内外的研究进展和应用。

SWMM模型；非点源污染；模型；综述

水作为生活与生产的必需资源、公共卫生的自然载体及生态环境的核心要素，对昆明市的可持续发展具有非常重要的意义。SWMM模型具有较高的精度，在防洪排涝、雨水排除系统维护、非点源污染控制等方面，通过建立降雨径流模型来模拟流域降雨径流和非点源污染物的输移过程，可以提高相关工作的有效性和科学性。

1 非点源污染模型体系

1.1 非点源污染模型体系

非点源污染模型体系通常由4个子模块组成：降雨径流模拟模块、输移模拟模块、污染物转化模拟模块以及水质模拟模块。自第一个将水文、侵蚀过程和非点源污染过程结合在一起的GREAMS模型发布以来，非点源污染负荷的模拟模型就历经了由简单到复杂的发展过程，由较简单的经验估计平均污染负荷发展到较复杂的机理分析。地理信息系统GIS也在不断被开发，并广泛应用在非点源模型的早期数据准备与处理之中，大大地提高了模型录入数据的精度，同时缩短了数据分析的时间与成本，相对减少了人力物力的投入。根据研究深度来区分，可分为功能性模型与机理性模型两种类型。

功能性模型主要是不考虑污染负荷的具体过程和内在机理，只根据数据进行输入与输出来构建模型，可将其应用在流域内非点源污染负荷量的计算。在水质、水文数据方面，需要提供例如降雨数据、坡度、坡率、植被覆盖情况、土地利用类型、径流数据以及土壤性质等，进而建立关系式。

机理性模型较复杂，是以具体过程、内在机理数学模拟为基础，根据研究区域建立非点源模型。以非点源污染负荷产生与变化的具体过程为主要框架，其中包含参数较多，包括产汇流、污染物输移与转化以及水质等子模块内所需的各项参数。其特点是涉及中间过程及内在机制，模型的处理与分析方法较为复杂，对于参数的量和数据的精度要求都相对较高，模型推广使用时制约相对较少［1］。

1.2 国际上较为成熟的非点源模型

国际上较为成熟的非点源模型主要有：SWMM模拟模型、HSPF模拟模型、ANSWERS模拟模型、SWAT模拟模型、GWLF模拟模型、AGNPS模拟模型、CREAMS模拟模型。其中SWMM模型可详细模拟水流在地表和管道中运动；HSPF模型可详细模拟降雨产流的水流过程及水质情况；ANSWERS模型可模拟径流过程与泥沙的迁移过程；SWAT模型可模拟汇流与泥沙的输移过程；GWLF模型结构较为简单，不能对次洪水过程进行模拟；AGNPS模型可模拟土壤侵蚀过程以及侵蚀对水质的影响；CREAMS模型可预报降雨及降雨均值。

1.3 SWMM模型的适用性分析

SWMM模型在模拟方面有比较强的适用性，可模拟流域内非点源污染负荷的产生、累积、冲刷和输移过程，以及在降雨条件下，地表的产流与汇流过程和管网沟渠中的输送过程，主要体现在以下方面：

（1）SWMM模型的要求相对较低，录入的数据与其他非点源污染负荷的模拟模型相比较，资料比较容易收集。

（2）SWMM是一款通用性能较好的模型，数据录入的时间间隔可以是任意的，输出的结果也可以是任意整数步长的，而对于区域面积来说是没有限制的。

（3）SWMM模型在应用方面相对灵活，可针对自然排放系统、合流制与分流制排水管网，进行水质水量的相关模拟与分析。

（4）SWMM模型具有完整性。可完整地模拟分析非点源污染负荷的产生过程。在径流子模块中，不但可以模拟地表洼蓄的过程，还可以模拟下渗以及旱季的下渗能力恢复的过程，对研究区域的多种土地利用类型也有不同的模拟参数要求；在水质子模块中，不但可以模拟地表污染物的累积过程，还可以根据不同的土地利用类型模拟不同的污染物累积过程；在输移子模块中，不但可以模拟管网及沟渠中水流的运动过程，还可以模拟节点处水流的情况，简单地模拟水流在管网及沟渠中的输移过程。

（5）SWMM模型可计算分析径流中的各个污染物的负荷量，主要包括：

①降雨条件下，冲刷地表的污染负荷量；

②在不同土地利用类型的地表条件下，旱季污染负荷的聚集量；

③降雨带来的污染物；

④街道清扫去除的污染物；⑤旱季时地下水的入渗与节点处水流的汇入过程；⑥水流在排水管网与沟渠中的输移过程模拟。

2 SWMM模型原理

2.1 SWMM模型简介

美国环保局为了设计和管理城市暴雨研制了SWMM模拟模型，这是一种综合性的数学模型，可以完整地模拟城市降雨径流过程和污染物输移过程。该模型可以根据输入的数据与相关资料进行归纳总结和分析，输出各个断面的流量与各污染物变化的过程线，可以用于规划设计及实际操作等，是一款运用非常广泛的暴雨径流模拟与预报的应用型模型。

2.2 汇水单元径流模拟原理

2.2.1 地面产流模型原理

地面产流模型模拟的过程指经过损失到积水的降雨过程，是根据不同土地利用类型及地面表层的产流情况，将研究区域划分为各个汇水单元，根据各汇水单元的属性计算各个汇水单元的径流过程，并通过流量演算方法将各个汇水单元的出流过程结合起来。

渗透是从降雨到目前汇水单元非饱和土壤区域的过程，SWMM模型针对模拟渗透过程提供了以下三种选择：

（1）Horton模型

Horton模型不反映土壤饱和与未饱和的下垫面情况，主要描述入渗率随降雨时间变化的关系。基于经验观察，这种方法是在长期降雨条件下，渗透率以指数的形式描述积水从最高值减少至最低值的渗透过程，需要先对研究区域的最大入渗率、最小入渗率、入渗衰减系数进行确定，即描述下降速度随着时间推移变化的程度，使完全饱和土壤完全恢复到干燥状态的时间和最大入渗量的过程。

（2）Green－Ampt模型

该模型原理是假设土壤层中存在明显变化的土壤界面，即不饱和的土壤地带与饱和的地带分离，雨水降到不饱和地带表面开始入渗。需要输入的参数主要包含土壤的初始湿度亏损值、土壤的水力传输速率、将前锋湿润的毛细水头等。

（3）Curve Number模型

假设土壤的总渗透能力可以从土壤的列表曲线值中找到，在降雨情况中，该能力就作为累积降雨量和剩余容量间消耗过程的函数。对于这种方式输入参数就是描述数量与时间，即土壤完全饱和到土壤完全干燥之间关系的曲线。这种方法选自于NRCS（SCS）曲线值法，此方式用于估算径流。

2.2.2 地面汇流模型原理

汇流过程指的是降雨后各个汇水单元的积雨汇流到相应节点的控制断面或直接排入沟渠、河道的过程，公式如下：

式中：Q为出流率，m3／s；W为子汇水单元宽度，m；n为曼宁糙率系数；d为水深，m；dp为滞蓄的深度，m；S为子汇水单元坡度，m／m。

2.3 污染物累积与冲刷模拟原理

SWMM模型可以将同一个汇水单元区分为不同土地利用类型，如屋面、庭院、大棚、绿地、道路、农田、池塘等，还可以划分为不同的功能类型，如工业区、商业区、居民区等，根据不同的土地利用类型或不同的功能区定义地表污染物的累积模型和各个污染物的冲刷模型。

2.3.1 污染物累积模拟原理

SWMM模型可以通过线性或非线性的累积方式去模拟地表污染物的增长过程。

（1）Power Function—幂函数累积公式

污染物累积 （B）与时间成一定的幂函数关系，直到累积达到最大极限。

式中：C1为MAX累积量（单位面积的质量）；C2为累积率常数；C3为时间指数。累积公式为线性是此公式出现的特殊情况，C3＝1。

（2）Exponential Function—指数函数累积公式污染物的累积过程与时间遵循着一定的指数函数关系，直至累积达到最大限度为止。

式中：C1为MAX累积量（单位面积的质量）；C2为累积率常数 （1／d）。

（3）Saturation Function—饱和函数累积公式

污染物累积与时间成饱和函数的关系，直至累积达到极限值为止。

式中：C1为MAX累积量（单位面积的质量）；C2为半饱和常数 （达到MAX累积量一半时的天数）。

2.3.2 污染物的冲刷过程模拟原理

冲刷过程指的是在径流期地面表层被侵蚀及污染物质的溶解过程。

（1）指数冲刷函数（ExponentialWashoff）

污染物的冲刷量 （W）以每小时的质量为单位，与污染物累积量成正比，与径流量成指数关系。

式中：C1是冲刷系数；C2是冲刷指数；q是单位面积的径流速率（mm／h）；B为污染物的累积质量，在这里指的是累积的总质量 （不是每块区域或是一定长度范围内），累积量和冲刷量的质量单位与表达污染物浓度的单位一样 （mg、μg或数量）。

（2）比例冲刷函数（Rating CurveWash off）

冲刷子模型表示的是污染物冲刷量与径流量成正比，并按一定幂次上升。

式中：C1是冲刷系数；C2是冲刷指数；Q为径流率 （用户定义的流量单位）。

（3）平均浓度函数（Event Mean Concentration）

这是一种特殊的水量冲刷曲线，指数为1，表示每升含多少质量的污染物。

式中：M为径流全过程的某污染物总量，kg；V为相应的径流总体积，L。

要注意的是，每场累积过程中，当没有更多的累积量出现时，连续的消耗过程作为实际的冲刷量［2］。

2.4 输移模块模拟原理

雨水输移模块的基本元素包括雨水管道、沟渠、涵洞、蓄水池以及出水口等，输移模块将输水系统概化为各个节点与管道相接连，而水流从沟渠或是管网的一个节点流往下一个节点，沟渠或是管网的特征参数值，包括高程、坡率、长度及流向等。SWMM模型中有两种方式模拟不同复杂程度的非恒定水流运动，分别为运动波与动力波，即Kinematic Wave Routing与Dynamic Wave Routing。

（1）运动波模拟方法

运动波模拟表示的是随着时间和空间的改变，管道内水流和面积的变化过程。水流经沟渠或管道的输送后，流量的过程线 （在出水口处）会出现延迟及不同程度的削弱现象。只限于设计与计算树状管网。因采用的时间步长（5～15min）较大能保证稳定的计算数值，尤其适用于长期的模拟。

（2）动力波模拟方法

动力波模拟方法描述的是水流受限情况下的回水现象，即管道下游因出水堰或者是出水孔调控所造成的回水现象。需采用较小的时间长度 （如≤1min的时间）来保持稳定的计算数值，尤其适用于短期的模拟。

3 国内外SWMM研究进展及成果

3.1 国外SWMM研究进展

SWMM是由美国环保局于1971年推出的，在世界各地获得了广泛的关注，为降雨径流方面的研究提供了可靠的技术支持，并且应用在面源污染负荷计算、城市防洪、雨洪调蓄、径流计算、雨水利用等方面。1975年Marsalek J等人对美国3个流域内的12场暴雨事件进行研究，结果表明SWMM模型、TRRL模型和UCURM模型在典型小流域模拟中的结果与实测径流较为接近［3］。2001年Zaghloul N A等人运用人工神经网络ANN对SWMM模型的参数敏感性进行模拟分析研究［4］。同年Steven J Burian等运用SWMM模型对西班牙桑坦德市降雨径流水质进行预测研究［5］。2002年Patrick L Brezonik等人对美国明尼苏达州双城大都会区域的暴雨径流量、污染负荷量和污染物浓度进行分析［6］。同年Sands R J等人对1999年8月26日曾发生的洪水淹没纽约事件运用SWMM模型进行了相关模拟分析［7］。

3.2 国内SWMM研究进展

国内对于SWMM模型的研究虽然相对比较晚，但是发展迅速。2001年刘俊和徐向阳等人引进了美国SWMM模型，并且以天津市区某二级河道为研究对象进行了排涝模拟的实验，计算出了市区内相关的控制断面出流的过程［8］。2006年任伯帜等人采用了SWMM模型对长沙市霞凝港区的3场降雨径流过程进行了模拟分析［9］。同年丛翔宇等人以SWMM模型为基础，选取了北京市的典型小区，研究在不同的暴雨条件下，小区的排水情况，积水的问题以及形成道路坡面流等情况［10］。2008年黄卡等人，运用SWMM模型，结合广州新白云机场的实际资料，率定各相关的参数［11］。同年董欣等人以城市不透水的地区为研究对象，运用SWMM模型进行地表径流模拟实验，并对参数进行识别与验证［12］。赵冬泉等人基于地理信息系统利用SWMM模型对城市排水管网进行构建，并在澳门进行应用与案例分析［13］。2009年陈鑫等人运用SWMM模型对郑州市区某区域进行了模拟研究［14］。2010年黄卡应用SWMM模型在南宁心圩江模拟设计洪水［15］。2012年马晓宇等人以城市住宅区产生的非点源污染负荷为研究对象利用SWMM模型进行了模拟计算［16］。

4 结语

SWMM模型可简便快速地构建流域内较为复杂的管网模型，准确提取排水管网及沟渠的空间结构，提高了该模型预测与分析的准确性。对后续的研究提供了可靠的数据支持，为模型的深入应用与研究奠定了坚实的模拟实验基础。

［1］赵磊.非点源污染负荷核算方法研究 ［J］.环境科学导刊，2008，27（4）：9－13.

［2］祁继英.城市非点源污染负荷定量化研究 ［D］.南京：河海大学，2005.

［3］Marsalek J，Dick TM，Wisner PE，etal.Comparative Evaluation of Three Urban Runof Models［J］.Water Resources Bulletin，AWRA，1975，1 1（2）：306－328.

［4］Zaghloul N A，M A Abu Kiefa.Neural network solution of inverse parameters used in the sensitivity—calibrationanalyses of the SWMM model simulations［J］.Advances in Engineering Software，2001，32（7）：587－595.

［5］Steven J Burian，Gerald E Streit，Timothy N McPherson，et al. Modeling the atmospheric deposition and stormwaterwashoffofnitrogen compounds［J］.Environmental Modelling＆Software，2001，（161）：467－479.

［6］Patrick L Brezonik，Temsa H Stadelmann1.Analysis and predictive models of stoma water runof volumes，loads，and pollu tant concentrations from watersheds in the Twin Citiesmetropoli tan area Minnesota，USA［J］.Water Re—search，2002，（36）：1743－1757.

［7］Sands R J，Chang C C.Storm Water Management Study After Flooding of the South Bronx，NYC，New York［Z］.Urban Drainage，2002：1－9.

［8］刘俊，徐向阳.城市雨洪模型在天津市区排水分析计算中的应用［J］.海河水利，2001，（1）：9－11.

［9］任伯帜，邓仁健，李文健.SWMM模型原理及其在霞凝港区的应用［J］.水运工程，2006，（4）：41－44.

［10］丛翔宇，倪广恒，惠士博，等.基于SWMM的北京市典型城区暴雨洪水模拟分析［J］.水利水电技术，2006，37（4）：64－67.

［11］黄卡，张翔，李鹏.SWMM模型在城市设计洪水中的应用研究［J］.企业科技与发展，2008，（10）：214－216.

［12］董欣，杜鹏飞，李志一，等.SWMM模型在城市不透水区地表径流模拟中的参数识别与验证［J］.环境科学，2008，29（6）：1495－1501.

［13］赵冬泉，陈吉宁，佟庆远，等.基于GIS构建SWMM城市排水管网模型［J］.中国给水排水，2008，27（4）：88－91.

［14］陈鑫，邓慧萍，马细霞.基于SWMM的城市排涝与排水体系重现期衔接关系研究叨［J］.集水排水，2009，35（9）：114－ll7.

［15］黄卡.SWMM模型在南宁心圩江设计洪水中的应用研究［J］.洪水河，2010，10（5）：36－38.

［16］马晓宇，朱元励，梅琨，等.SWMM模型应用于城市住宅区非点源污染负荷模拟计算［J］.环境科学研究，2012，1（1）：96－101.

An Overview of Storm W ater M anagement M odel（SWMM）

XU Di
（Yunnan Normal University，Kunming Yunnan 650092 China）

The structures of some non－point sourcemodels were reviewed.The theories of Storm Water Management Model（SWMM）were presented covering the simulation process of runoff in water collecting unit，the principles of accumulation and washout of pollutants，the simulation module of scour and transport and so on.The advances and practices of SWMM at home and broad were summarized.

storm watermanagementmodel（SWMM）；non－point source pollution；model；overview

X52

A

1673－9655（2014）06－0023－04

2014－05－04