雨水管理模型研究进展★

周 维 张 凯 张丽娟

(成都华兴众智工程项目管理咨询有限公司，四川 成都 610047)

雨水管理模型研究进展★

周 维 张 凯 张丽娟

(成都华兴众智工程项目管理咨询有限公司，四川 成都 610047)

介绍了雨水管理模型(SWMM)的基本原理、发展状况以及计算方法，阐述了建立SWMM模型的主要参数及参数来源，并基于模型的二次开发，说明了其与计算机技术、空间技术、遥感技术等新方法的有机结合技术，最后给出了SWMM模型的研究方向。

雨水管理模型，计算方法，参数，地表径流

近年来，随着经济的快速发展，城市发展越来越快速，城市范围不断扩张，地面交通以及建筑的修建严重改变了城市下垫面状况，使得城市内涝频发。而许多城市依然沿用城市规划设计之初的排水系统，这显然满足不了城市排水的需要，因此，加强城市雨水管理，精确模拟城市雨水管网运行状况，精准预测城市内涝灾害，促进城市防涝排涝工程建设已刻不容缓。雨水管理模型(SWMM)是美国环保局为研究和管理城市雨水而提出的动态降水—径流模拟模型，已在世界范围内取得了广泛应用。本文通过剖析SWMM模型的基本原理，以便让使用者能更准确利用模型进行模拟和预测。

1 模型概述

1.1 模型发展

SWMM由Metcalf和Eddy公司、佛罗里达大学和美国水资源有限公司于1971年共同开发而成一套管理模型[1]。已被世界各国或组织广泛认可，在城市雨水径流计算、管道设计和排水系统设计中起到重要作用。SWMM自推出以来经历了几次重要升级，现已升到SWMM5版本，新版本可以直接输入研究区相关数据，并进行水文、水力和水质的模拟，且最终可以满足各种形式的结果查询需要[2]。

20世纪90年代，国内开展了对SWMM模型的研究，在应用范围上也逐渐加大。刘俊、任伯帜、丛翔宇、黄卡、董欣等学者在深入分析我国城市地区雨洪规律的前提下分别对SWMM模型原理、参数等进行了充分的研究和校正，使之更适合我国气候降雨特点，在此基础上，也分别在西南山前平原、霞凝港区、典型小区等各个地形各种下垫面状况下进行了大量的实地应用研究，利用模型设计模拟区域降水径流以及排水状况，以验证SWMM模型在我国的实用性，取得了良好的效果[3-7]。随着科学技术的发展，赵冬泉等学者又在模型原有基础上进行了与地理信息系统的结合，构建并设计了城市排水系统，并在澳门进行了实地验证和研究[8]。

1.2 模型模拟能力

该模型包括城市区域产生径流的各种水文过程[9]。在具体的研究过程中将研究区划分为多个面积均匀的子汇水面积，再分别计算每一子汇水面积内可渗透和不可渗透区域所占百分比，便可获得区域径流水文过程的时空演变过程。此外，为了准确计算整个排水系统中每个管道、渠道、蓄水设施中的径流和外部径流变化，该模型还具备了相应的水力模拟能力。除此之外，该模型还可以对径流的污染物进行评价[9-11]。

2 模型计算方法

模型充分利用质量和动能守恒的原理[10]，主要通过以下物理过程模拟雨水径流量和水质：地表径流、渗入、地下水、流量演算、地表积水。

2.1 地表径流

在地表径流的计算中，SWMM模型默认每一个子汇水区域为非线性水库，其水流主要源于降水和上游的子汇水区域，流出方式包括蒸发、下渗和地表径流。该子汇水区域通过积水、植被截留以及积水等方式提供最大地表蓄水，成为最大洼地蓄水。SWMM使用的地表径流概念示意图如图1所示，Q表示单位面积的地表径流，dp表示洼地的最大蓄水能力，d表示子汇水区域的水深，只有当d>dp时才会有地表径流，其流量计算通过曼宁公式计算。

2.2 下渗

下渗是雨水透过地表进入未饱和土壤的过程。为了模拟渗入，模型提供了Horton方程、Green-Ampt方法与曲线数方法三种计算方法。其中，Horton方程为经验观测方法，因为在整个降雨过程中，土壤的下渗率是逐渐下降的，开始时下渗率最大，因此，在使用该方法时需要输入最大和最小下渗率，还需填写下渗率衰减系数和土壤水分由饱和到排除所需时间；Green-Ampt方法则需要输入土壤的刚开始时其中含湿量的亏损量，土壤在单位时间通过的水量，以及湿润锋的吸入水头；曲线数方法来自估计径流的SCS曲线数方法，需输入曲线数以及土壤由饱和状态到彻底排干状态所需要的时间[10,11]。

2.3 地下水

SWMM使用的是上层为非饱和区域下层完全饱和区域的双区地下水模型(见图2)。上层区域为非饱和区域，其含湿量(θ)是可变的；下层区域为完全饱和区域，其含湿量是固定的，与其土壤孔隙率(φ)保持一致[10]。图2中dU表示上层非饱和区域深度；dL表示下层完全饱和区域深度；fI表示地表下渗水量；fEU表示上层非饱和区域的蒸发蒸腾作用；fU表示从上层穿透到下层的水量，受θ和dU控制；fEL表示下层完全饱和区域的蒸发蒸腾作用；fL表示下渗到深层地下水中的水量损失，受φ和dL控制；fG表示排水管网与侧方位地下水之间的相互流动，受dL和管道或者节点的深度控制[10,11]。

2.4 流量演算

SWMM中管渠管段的流量演算，通过渐变非恒定流质量和动量方程的守恒控制(即圣维南流量方程组)，主要包括恒定流、运动波与动态波三种演算方法。其中恒定流演算是最简单的演算，只是在实际降雨过程中将上游端点的水文过程线转化为下游端点，不需要做任何时间上的延误和形状上的改变，由于这类演算太过简单理想化，不能模拟复杂的管网情况和降水过程，只适合用作长期连续模拟的初步分析；运动波演算是恒定流演算的升级，它考虑了水文过程在时间和空间上的变化过程，但是，运动波演算过程考虑到回水、管道压力以及过程损失等因素，因此通过其模拟的结果只是相对精确的；于是为了得到准确的管道水文过程，SWMM提供了动态波演算，它需要求解完整的一维圣维南流量方程组，可满足复杂的管网状况和水文过程的模拟[10,12,13]。

以上每一种演算方法，利用曼宁公式将流量与水深和底部(或者摩擦)坡度相关。一种例外是对于圆形压力干管形状，在有压流下，需要利用Hazen-Williams 或者Darcy-Weisbach 公式。

2.5 地表积水

在实际流量演算中，管道系统的输送能力是有限的，当超过其输送能力时，便有部分溢出。因此，假设将超过的部分存在顶部，等到能力许可时，再重新引入到系统，通过恒定和运动波流量以及动态波演算方法进行计算[10,14]。

3 模型构建及主要参数来源

SWMM模型的构建，需要准备以下几个方面的数据：1)水文资料：如果是准备模拟计算历史降雨径流，毫无疑问需要收集当时当地的降雨数据，至于蒸发数据，有的话更好，没有也影响不大；2)管网资料：管网数据是最基本的数据，如果没有，搭建模型也就无从谈起。这类数据主要包括研究区域内地下排水管道的长度、管径(或长与宽)、管道始末端的高程，还有雨水井或者检查井深度、高程等数据。如果考虑双层排水，即街道也算作排水通道，则需要街道的宽度，高程之类的数据。除了这些，还需要收集当地一些排水设施如泵站、水闸等的基础数据和运行方式；3)下垫面数据：主要包括土地利用类型、地形数据等，用来计算子汇水区不透水率、确定土壤下渗率以及子汇水区坡度等参数。另外，如果有建筑物的分布则更好，可以结合管道流向来划分子汇水区。这些数据如果没有，也可以在谷歌，百度地图上获取遥感图，在配准后，用一些遥感解析软件(如ENVI，新版GIS也可以实现这个功能)来提取不透水率，建筑物的分布等数据；4)边界数据：排水出口的边界，即下游排水末端与河道或者其他水体相连的排水口的边界，可以是潮位或者河道水位等。如果没有这些数据，只能当作自由出流处理，但这未必符合实际。另外，如果研究区域与外部其他排水区有水量交换，而且量级较大不可忽略时，则还需要准备这部分的边界条件。

SWMM模型地表径流模块和传输模块主要参数见表1。

表1 SWMM模型地表径流模块和传输模块主要参数[9]

4 结语

从模型基本原理及计算方法可见，在模型构建过程中，由于受暴雨径流条件、下垫面性质以及地下管网分布条件的影响，模型在实际模拟过程中需要的数据资料较多且较细，因此，在缺乏基础数据的地区其适用性还有待提高[17]。

在划分汇水区时，国内传统方法主要为人工勾画，近年来随着GIS，RS等计算机技术的不断提高，虽在模型构建中的应用也取得了一定的成果，但其应用并不充分，应更加充分利用计算机技术需求多种方法便于模型的构建及精确模拟。

在参数设置方面，模型构建过程中需要输入很多参数，不少专家已经提出了参数的不确定性和适宜性的评定，目的在于使模型模拟结果与实测结果更接近，不同区域，不同下垫面性质的参数设置仍需要更深入细致的分析。

[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] 刘 俊.城市雨洪模型研究[J].河海大学学报,1997,25(6):21-24.

[4] 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.

[5] 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.

[6] 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.

[7] 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.

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

[9] 吴正平.SWMM模型在雨水管网规划设计中的应用[D].天津：天津大学,2013.

[10] 常 勇.基于开源GIS与SWMM模型的集成技术研究[D].昆明：云南师范大学,2013.

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

[12] 侯改娟.绿色建筑与小区低影响开发雨水系统模型研究[D].重庆:重庆大学,2014.

[13] 宋 贞.低影响开发模式下的城市分流制雨水系统设计研究[D].重庆:重庆大学,2014.

[14] 胡 莎,徐向阳,周宏基,等.基于SWMM模型的山前平原城市水系排涝规划[J].水电能源科学,2016,10(34):106-109.

[15] 郭云飞.基于SWMM的城市暴雨内涝研究[D].长沙：湖南工业大学,2014.

[16] 张 川.河道纳污能力与雨水溢流冲击研究[D].青岛:青岛理工大学,2014.

[17] 司 璐,周 鸿,庞家锋.SWMM模型技术研究进展[J].西南给排水,2015,6(37):45-50.

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★：四川省科技支撑计划项目(2014SZ0144-03)

周 维(1980- )，男，高级工程师

TU992.4

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