SWMM暴雨模型软件在城市排水防涝工程设计中的应用研究

刘 铮 黄文献(华蓝设计（集团）有限公司，广西 南宁市 530011)

SWMM暴雨模型软件在城市排水防涝工程设计中的应用研究

刘 铮 黄文献
(华蓝设计（集团）有限公司，广西 南宁市 530011)

随着现代城市的快速发展，导致城市排水防涝等问题变得越来越重要，引起了相关政府职能部门以及研究学者们的高度关注。本文针对SWMM暴雨模型软件在城市排水防涝工程设计中的应用展开研究，介绍了排水防涝工程实施的重要现实意义，给出了SWMM暴雨模型软件的基本构架以及其在现实应用中的注意事项，论证了其在城市排水防涝工程中的实用性。

SWMM暴雨模型；排水防涝工程；排水管网

现代城市是地方区域政治、人文、经济等的重要载体，具备人口基数大、财富集中的重要特征，具有很强的辐射力和聚集力。随着城市的快速发展，城市的规模、人口、经济等不断壮大，城市在经济社会发展中发挥了重要的主体作用。与此同时，受极端天气影响，城市内涝问题也成为社会关注的焦点，如何做好城市内的排水防涝工作具有至关重要的意义[1]。近年来，由于全球气候变化、城市发展快速化、防涝系统简陋化等各方面原因，使得我国各大城市频现内涝现象，造成了人员和财力的大量损失，为经济社会带来极大破坏性。长期以来，我国在市政雨水系统规划方面主要采用前苏联的体系方法，其主要是应用推理公式对雨水系统进行详细规划与设计。但是，随着城市的扩张发展，造成了天然产汇流方式发生了变化，传统的方法已无法有效描述暴雨水涝特点。因此，应通过采用先进的信息和计算机科学技术作为手段，对城市内部的暴雨水涝实施模拟分析，从而构建更为合理且防御功能更强的排水系统。经大量研究表明[2-4]，城市暴雨管理模型（SWMM）能够有效进行径流水量水质模拟，其在城市排水防涝工程中具有效果好、适应性强的特点，得到了业界的广泛应用。因此，本文将对SWMM模型在城市排水防涝工程中的应用展开研究，从而为相关业界同行开展工作提供参考。

1.SWMM暴雨模型软件概述

SWMM暴雨模型软件主要用于模拟动态降雨-径流，其能够对城市区域中的单一或者连续降雨的水质和水量进行有效模拟。该模型主要包括三个核心模块，分别为水文模块、水力模块和水质模块。SWMM模型不仅能够有效模拟河道排涝，还可以用于排水系统中的管道布置及校验，从而实现对城市排涝系统的全方位、高精度模拟。SWMM模型计算过程主要分为地表产流计算、地表汇流计算以及排水管道流量演算等三个部分。

（1）地表产流计算

在地表产流计算过程当中，需要根据所在区域内的管道实际排水情况划分若干子集，即子流域集合。根据不同的下垫面类型，其对地表产流能够产生不同影响，从而又可以将子流域集合划分成三个主要部分，即透水区、有洼蓄的不透水区和无洼蓄的不透水区。整个子流域的出流量即为这三个部分所产生的出流量总和。其中，对于无洼蓄的不透水区，构成产流量的主要要素是降雨量；对于有洼蓄的不透水区，产流量的计算主要是通过无洼蓄产流量减去填洼量而获得。对于透水区，SWMM模型提出了一种基于下渗机制的有效模拟方法。下渗机制是由研究人员Horton提出的，其主要思想是基于土壤的下渗能力会随土壤湿度改变而发生相应变化，即：当降水量小于或等于地表下渗能力时，所有的降雨将全部被吸收，并不产生径流；反之，则会出现地面径流现象。基于Horton下渗模式，能推导出地面径流公式如式（1）：

（2）地表汇流计算

在地表汇流计算中，主要是通过使用非线性流体计算方法求解子流域的三个主要部分。该计算过程采用水量平衡连续方程及曼宁公式来模拟水流运动波动，其具体的过程如公式（2-3）所示：

（3）排水管道流量演算

SWMM模型软件主要采用三种排水管道流量计算模式，亦即恒定流、运动波和动力波。其中，前两种模式主要用于简化实现现实环境中的流量计算；动力波则能够用于有效适应复杂环境。动力波控制方程主要通过求解St. Vennat方程组实现，具体过程如公式（4-5）所示：）；

2.SWMM暴雨模型软件的应用

SWMM模型软件在全世界有较为广泛的应用，其是在美国环境保护署资助下而研制出来的城市排水及防涝工程规划、设计、管理的雨洪模型软件，商业化程度也很高，普通用户即使不了解其原理也能使用它来规划、设计、管理城市排水防涝工程。虽然该模型软件具有众多的优点，适用性也很强，但在实际使用中，仍有一些注意事项需要引起用户关注，以便能够充分用好该软件。

（1）SWMM模型软件中，所提出的产汇流分析方法，通常情况下其物理定义及概念是准确界定的，相关的背景理论依据是符合现实情况的，但是，它们都有其各自的具体适用条件。用户在操作、使用过程中，当发现这些分析方法并不适用于解决当前的现实问题时，应及时更换其他更适用的分析方法，或通过相关算法研究，对原模型结构作相应的必要改进。

（2）SWMM模型软件的有效使用，需要有大量的相关基础数据作为支撑。在美国等发达国家，其众多政府职能部门都建立了非常完备的海量数据库，用户需要时可直接联网查询获得。但在我国，尤其是广西等落后地区，大量的相关数据获取需要用户、研究人员投入大量的时间、精力以及高额的经费支持，才能从政府相关部门购买到各种地图数据，例如雨水管网图、土壤图、土地利用图等。因此，只有规范、加强全国范围或地区性的相关数据共享，才能进一步扩大SWMM模型软件在我国的适用性。

（3）SWMM模型软件的基本计算单元以排水区尺度作为基准尺度，其对城市雨洪形成的模拟主要是建立在线性系统基础之上，因此，它只能适用于模拟符合线性系统特征的雨洪形成问题。但是，在真实情况下，许多雨洪形成问题是非线性作用而导致，SWMM模型软件在这种情形下的使用效果极不理想。同时，目前现行的用于城市排水工程规划管理的合理化公式，通常只能给出雨洪的峰值，并无法有效描述雨洪的过程，因此，基于合理化公式的城市排水工程规划管理已难以满足现实需求，如何研究开发符合设计标准的雨型，并科学设计相应的雨洪过程，已成为下一步工作的重点和主要研究方向。

3.结论

本文针对SWMM暴雨模型软件在城市排水防涝工程中的应用展开了系统研究，剖析了其理论支撑基础，指出该模型是通过将各个流域进行离散化处理，分离成多个小的子流域进行逐个分析以降低问题复杂度，并使得模拟过程目的性、针对性更强；该模型软件还通过逐一模拟各个子流域的地面性质，从而能够快速解决多特征条件下的城市排水计算过程。软件的人机交互界面友好，普通用户只需要输入实际参数，便可以求得所需计算结果。结合笔者工作中的实际开发使用的经验，本文还指出该软件现存的一些主要问题，例如对于不规则集水区宽度不容易确定而导致的非线性问题等，并给出了下一步优化使用该软件的意见建议。

[1]袁长极. 地下水临界深度的确定[J]. 水利学报, 1964(3):50-53.

[2]陈利群. SWMM在城镇排水规划设计中使用性研究[J]. 给水排水, 2010, 36(5):114-117.

[3]朱靖, 刘俊, 崔韩, 等. SWMM模型在西南地区山前平原城市防洪计算中的应用[J]. 水电能源科学, 2013, 31(12):38-41.

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1007-6344（2016）04-0077-01