雨洪管理模型SWMM原理解析及应用进展

张士官，吕谋，焦春蛟，宋杰

(青岛理工大学 环境与市政工程学院，山东青岛266033)

21世纪以来，随着城市化进程的突飞猛进，不透水性建筑与道路覆盖面越来越广，导致城市内涝与非点源污染问题愈来严重。其中国内外众多城市水体受污的根本缘故之一就是非点源污染导致的雨水径流[1]，而中国非点源污染引起的水体环境质量问题甚至已持比于点源污染[2]，以致其污染模型的研究已引起国内外大量学者的重视[3]。从20世纪60年代起发展至今，城市非点源污染模型已耦合应用到3S(GIS、RS、GPS)技术阶段[4]，目前已陆续开发出 SWMM(Storm Water Management Model)、STORM、HSPF、InfoWorks CS、PCSWMM、MOUSE、HydroWorks 等模型[5]，其中SWMM因其良好通用性，在国内外应用最为广泛(表1)。SWMM不仅可模拟某单场次或长期连续性降雨事件，还可模拟LID(低影响开发)布设下对径流水量削减及水质调控效果[5]，并且可对不同气象条件下的雨水径流污染特性进行分析[6]。因此，SWMM已成为当今城市非点源污染研究的典型模型[3]。图1显示了SWMM相关文献计量分析结果——以“SWMM”为关键词在数据库中检索得到的1983—2018年间CNKI和Elsevier收录文献篇数。

表1 部分雨洪管理模型对比

1 SWMM模型原理

SWMM开发于20世纪70年代，由美国环保署推出，历经40余年完善发展，目前最新版本已更新至SWMM5.1.013。此版本新增了LID去除污染物模拟，可设置去除污染物比例，使水质模拟更符合实际工况。除水质模块外，SWMM更加侧重于水文水力的模拟。

1.1 水文模拟

水文模块主要模拟地表径流的产生及转输，即产流和汇流。其中地表产流过程即净雨形成过程；地表汇流过程是净雨流经子汇水区向出水口断面或管网汇集过程。

产流计算前期根据每个集水区域中下垫面地表的透水性划分子汇水区，将之分为透水区和不透水区(有洼蓄不透水区和无洼蓄不透水区)。产流量根据下渗曲线扣损法得出，其值为降雨量减去总下渗量、蒸发量、洼地蓄水量；通过SWMM中土壤下渗模型(Horton下渗、Green-Ampt下渗及SCCS-CN下渗)确定下渗量。3种下渗模型对比见表2[7-10]。

表2 SWMM中3种下渗模型对比

汇流计算是将各子汇水区的雨水径流量转化为经3个子流域(透水区、有洼蓄透水区、无洼蓄透水区)产流演算后的出流量，利用非线性水库模型模拟并求解圣维南方程[11]。SWMM模型中提供了Outlet、Impervious、Pervious 3种演算汇流方式；Huber通过对3种模式下径流模拟结果分析发现，Outlet与Impervious模式下区域地表径流模拟结果相似，同比Pervious模式模拟结果偏大[12]；赵冬泉通过分析汇水区域尺度划分与坡度高低俩因素对汇流模式与模拟结果影响发现，汇水区划分越小，地表径流模拟结果越大，坡度越大，3种汇流模式下的模拟结果差异性越小[13]。模型建立时，Outlet演算汇流模式被默认设置往往导致地表径流与洪峰流量值的偏高[14]。因此，运用SWMM模型模拟城市降雨径流分析时，应根据汇水区不同土地利用格局设置合适的汇流演算模式。

1.2 水力模拟

水力模拟是雨水从检查井到排放口过程中的管网汇流模拟，其计算主要采用水动力学法离散求解圣维南方程组[15]，SWMM将其简化分为恒定流、动力波、运动波3种演算方法。恒定流法适用于流量简单线性相加计算，要求流体是均匀恒定的，是一种假想的理想状态，实际中很难达到[16]。恒定流计算经历了推理法、单位线法、等流时线、下渗曲线等各种方法，这些是传统的雨洪模型计算方法，时至今日，中国普然使用的依然是推理公式法进行管渠设计。该方法虽适用于小型区域水力计算，但由于隐含假定带来的设计缺陷导致管渠设计精度不高，尤其不适用于大型排水设计[17-18]。动力波法可模拟封闭管渠有压流及一些复杂多变水流状态，如管渠的调蓄、回水逆流、超载洪流等，其通过计算管渠的连续和动量方程以及节点的质量守恒方程，可得理论精确解，但数值计算稳定收敛性差，要求设定较小的时间步长[19](≤1min)。运动波法假设管渠中水面坡度即管道坡度，采用连续动量守恒方程模拟各个管渠中的水流量；虽可模拟管渠中水流状态随时间变化特性，但对有压流、回水逆流、滞水等模拟有局限性，其稳定性较好，精度稍差，仅支持模拟树状管网。对现有雨水管网系统而言，暴雨内涝导致的管网有压流，同时涉及到的下游水流的回水顶托作用等，非恒定流水力模拟技术方可为雨水管网服务性能评价提供基础[18]。

1.3 水质模拟

SWMM水质模拟中主要包含污染物累积、冲刷、街道清扫及管网迁移衰减等过程，其中累积和冲刷两过程确定雨水径流中污染物浓度。污染物累积过程通过幂增长、指数增长、饱和增长以及外部时间序列四种不同积累函数模拟，都是以不同累积形式到达最大累积量，其值与降雨前干旱天数、污染物累积速率、下垫面性质、街道清扫有关。污染物冲刷是降雨将晴天时积累污染物随地表径流进入管网的过程，通过指数函数、性能曲线函数和事件平均浓度来模拟，其中指数函数和性能曲线函数表示的冲刷量正比于径流速率的C2次幂(C2即冲刷指数)，事件平均浓度是C2为1时性能曲线函数的一种特殊形式[20]。街道清扫主要定期减少各个土地使用区域的特定污染物的积累。

SWMM模型中污染物的去除主要依靠LID模块的调控。LID(低影响开发)模块是一种城市雨水管理理念，通过收集雨水，合理利用景观空间，并采取相应措施控制雨水径流，以期减少城镇非点源污染。常用的LID措施包括透水铺装、雨水花园、生物滞留设施、绿色屋顶、渗渠、植草沟等[21-24]。不同LID设施具体作用不同，适用于不同土地利用类型，部分LID设施功效比对信息见表3。

2 SWMM的应用进展

鉴于SWMM强大的管网流量模拟能力及LID和水质模拟功能，并且由于其软件界面友好易于操作，SWMM现已在世界许多国家得到推广和应用，现在以下5个方面应用最为广泛。

a) 低影响开发(LID)的雨水控制效果和水质调控模拟。Zahmatkesh等[25]对纽约市布朗克斯河流域城市雨水径流的研究表明虽然气候变化影响下历史年径流量的平均增长率约为48%，但LID布设下可使年径流量平均减少41%并还能将峰值流速平均降低了8%～13%。Li等[26]通过对西安某地区设置不同比例(1%、2%、4%)雨水花园发现不同面积比下雨水花园大致表现出与降雨径流及其污染的调控功能相同的趋势，并发现在相同的降雨和面积比条件下，无排水设施的雨水花园(底部可渗透)的控制效果优于具有排水设施的雨水花园(底部是不可渗透的)。王文亮等[27]通过运用SWMM对研究区域进行单次及连续降雨模拟表明LID设施可降低峰值流量及年径流量，并可有效削减污染物。李霞等[28]运用SWMM对天津蓟县某区域进行LID组合铺设(绿色屋顶、下凹式绿地和渗透路面 )，通过优化前后双模拟手段证实了LID技术对改善节点积水及管段满流状况的有效性。王雯雯等[29]对深圳光明新区开发前后进行了SWMM模拟，并增加了LID 设施 (下凹式绿地和透水铺装)，结果表明LID组合工况下可更好发挥雨水控流作用。

表3 LID设施功效比对

注：●——强;◎——较强;○——弱或很小。

b) 城市暴雨洪水模拟中的参数敏感性分析与识别。Janet等[30]运用SWMM于南加州某大型城市集水区，经某复杂的优化程序估计径流参数并用十次降雨事件进行校准和验证，结果表明不透水率和洼地蓄水深度是影响总径流和峰值流量的最敏感参数，峰值流量的时间仅受曼宁系数的影响且影响很小。Muleta等[31]证实了UA(不确定性分析量化模型)对SWMM的灵敏度分析、校准、参数不确定性和总预测不确定性分析具有前景。董欣等[32]分别以最小二乘法偏差和污染物负荷及峰值浓度作为水文水利和水质参数识别的目标函数，应用HSY 算法和蒙特卡罗采样方法识别验证模型参数，指出了不透水地表径流模型中 6个最敏感参数、水文水利拟合效果优于水质模拟。张静等[33]运用SWMM结合城市不同功能区污染物累计和径流样本，分析得出适于地表径流SWMM模型水质模拟参数取值范围，其结果与实测数据基本吻合。

c) 城市雨水径流非点源污染特性分析及负荷估算。Li等[34]建立保定市非点源污染SWMM模型，利用实测数据与一维水质模型分析了水污染特征及发展趋势，结果表明，Pb，Zn，TN(总氮)和TP(总磷)的污染负荷约占总污染负荷的30%，并提出了降低保定非点源污染的有效手段。Ongley等[35]指出氮和磷是中国非点源污染的主要原因，各占水污染总量的81%和93%。Chang等[36]通过监测台湾两个工业园区五场降雨事件来校准和验证SWMM模型，确定了初期雨水拦截量与其相应的年度NPS(非点源污染)负荷减少部分之间的关系。黄国如等[37]基于SWMM建立广州城区降雨径流非点源污染模型，分析3种典型下垫面(居住区、马路、草地 )中污染物时空变化规律和降雨初期冲刷效应，得出不同雨情下各下垫面中污染物负荷量。马晓宇等[38]构建温州市典型居住区“本地化”SWMM模型，分析不同雨强下污染负荷值及负荷累计变化，结果表明，各污染物模拟值相对误差小于10%，高强度降雨对受纳水体可造成更大污染。

d) 城市雨水管网优化改造中的应用。Karamouz等[39]以德黑兰都市区排水系统作为案例研究，提出了一种考虑人为和气候变化影响的选择BMP(最佳管理)以提高排水系统性能和处理城市山洪的可靠性的算法来应用于城市地区的实时规划。Pathirana等[40]以巴西案例为研究，通过开发二维排水模型与SWMM实现1-D / 2-D耦合来用于评估城市排水网络优化规划中的洪水灾害成本。马俊花等[41]应用某小区合流制排水管网进行SWMM模拟找出其主要溢流瓶颈节点，对管网优化后二次模拟证实优化改造有效性。陈利群等[42]通过在城市排水规划设计中引入SWMM模型，分析其雨水计算排除原理并对比传统方法找出异同点，提出适于雨水管网规划的SWMM应用步骤及降水方式。赵冬泉等[43]利用Huff方法生成多类降雨应用于SWMM模型得出的差异性结果利于全面分析管网系统水流状态，两者结合的模拟研究方式为城市雨水管网运行评估提供技术支持。

e) SWMM与其他软件模型耦合应用。Barco等[44]将SWMM、GIS和约束优化技术耦合应用到南加州某大型城市区域模拟非点源污染，预测效果良好。罗福亮等[45]运用SWMM和MikeII水动力学模型模拟某区域降雨径流及防洪排涝过程，计算结果合理可靠。胡亭等[46]利用Object ARX对CAD进行二次开发，在地形图上快速拾取关键点坐标，于SWMM软件中快速建模，提高效率。Sang等[47]结合SWMM与TANK模型特点建立SWMM-TANK模型用于大宁河流域水文模拟，组合模型简单满足精度要求。可见将SWMM于其他软件模型耦合应用，拓展了研究范围，促进SWMM良性发展。

3 SWMM在国内应用中存在问题及展望

SWMM软件自开发伊始，经过40余年研究发展，软件自身功能已有很大改善，且相继开发推出众多衍生模型。SWMM因操作界面简便、快捷的灵活性与良好区域通用性而广泛应用，但在国内应用中还存在以下局限性。

a) SWMM模型导入格式受限，只支持inp格式，不能将GIS或CAD的管网图直接导入，增大建模前期区域图件输入工作量。考虑到SWMM建模的复杂与枯燥性，应加强与GIS耦合开发现状和输入模块开源，使模拟过程与结果更加可视空间化。

b) 建模区域实时数据缺乏严重，以致后期模型参数率定与验证结果不理想，国内部分地区SWMM模型所需数据可能需要研究人员花费大量精力、财力去获得，导致模拟难以进行。加强全国或区域数据共享平台建设，探讨无资料情况下区域雨洪地表径流模拟手段势在必行。

c) SWMM应用范围主要集中于平原城市，在国内山地城市喀斯特峰丛洼地等区域应用较少缺乏典例，需加强此方面研究，为山区城市排水系统规划提供有力依据。

d) SWMM模型仅能模拟不同土地下垫面性质的面积比率变化对地表雨水径流的水质、水量影响，缺少土地使用类型改变前后对此影响。需结合用地现状实际情况，对比分析用地详细资料对初期模型进行修改验证，开发关键源区识别功能，提高模拟精度。

4 结语

本文从SWMM结构原理入手，梳理了SWMM的国内外应用现状，包括主要应用领域、优势及存在的局限性等，针对应用局限性对SWMM的改进方向及领域拓展进行了展望。本文为深入了解SWMM运行机理提供了借鉴，为进一步深入开发模型、拓展领域应用提供了新思路。