基于SWMM的暴雨径流过程模拟

张可 章禹琦 都怡辰 张浩 曹一

摘 要：当今社会发展迅速城市化进程也在逐步加快，同时随着气候的变化和热岛效应的明显加剧，城市的暴雨事件频频发生并造成严重的财产损失和人员伤亡，所以内涝灾害的预警要求也随之提高。文章通过介绍并利用SWMM模型的原理和方法，借助其中的各模块对郑州大学新校区的各种重现期设计暴雨条件来进行产汇流的模拟分析，确定各级预报预警的阈值，最终形成预警预报系统。

关键词：城市内涝;SWMM模型;子汇水区;预警系统

随着社会经济的不断发展，国家各地的城市化进程都不断地加快，城区面积也随之不断的扩张。城市化的过程当中城市下垫面状态发生改变，不透水面积越来越大，雨水下渗受阻，降水成流更加迅速且径流系数大幅度提高，易造成洪涝灾害[1]。同时随着全球气候变暖，城市热岛效应的进一步加剧，极端降水频频出现，城市暴雨内涝灾害日趋严重，大中型城市在防御内涝灾害方面的脆弱性日趋明显。而且与农村相比，城市的人口和资产高度集中，灾害损失更加严重，如7.12北京市特大暴雨、7.23武汉市特大暴雨等，都造成了巨大的经济损失和一定的人员伤亡。合理的预警预报可以对市政排水设施的建设、城市暴雨灾害防治和城市雨洪资源化起到有效的指导作用，所以内涝灾害预警以及相应的水情预报一直是城市内涝灾害研究的重点。

1.SWMM模型简介

SWMM全称为暴雨洪水管理模型，1971年由美国环境保护署和佛罗里达大学首次开发出来，是一个用来模拟城市某一单一降水事件或长期的水量和水质模拟。经过好几代的更新，目前SWMM已经在的版本上进行了全新的升级，目前已更新至SWMM5.1版本功能已经非常强大，有良好稳定的运行环境，并且具有模拟精度较高、计算操作方便且模拟结果值得信赖等突出的优点。该模型主要包括降雨模块、地表产流模块、地表汇流模块和管网汇流模块等，可以用来模拟城市内径流的水文过程、模拟径流以及水流在管道中的流动以及选择适当的水质模拟指标和项目对产汇流等过程中的水污染负荷量进行模拟，可以通过相应的数据对任意时间中划分的子流域或每个管网及河道中的水质、水量等情况进行适当的模拟和分析。

2.SWMM模型原理简介

SWMM模型是一个综合性的数学模型，可以通过对下垫面以及管网等数据信息的综合分析，将待分析的目标区域划分为若干个子流域即子汇水区，然后分别进行模拟计算来模拟城市降水产汇流的各个过程，最后将各子汇水区的计算结果叠加得到最终的出流过程。

前面提到该模型主要由降雨、地表产流、地表汇流和管道汇流等模块组成的。降雨模块可以用实测或预报得到的降水数据资料来推求，也可以使用设计典型暴雨、通过对峰前峰后不同的暴雨强度过程进行计算得到相应的数据。

地表产流要将子流域的下垫面分别划分为透水地面、有蓄水的不透水地面和无蓄水的不透水地面三个部分，透水地面的产流是根据霍顿模型中的霍顿下渗公式计算得到下渗率，并与雨强对比并计算得到透水地面的地表产流量;有蓄水的不透水地面的地表产流量为降雨量减去地表滞蓄在地表的水量;无蓄水的不透水地面的地表产流量即为降水量。将根据下垫面情况划分得到的三部分得到的三部分的地表产流量进行相加汇总即为单个子流域的总地表产流量。

汇流过程主要分为地表汇流和管网汇流。地表汇流主要是把研究区域近似的视为非线性水库模型进行处理，并根据子汇水区的各种常数数据通过非线性水库中的连续性方程、曼宁公式联立，并通过有限差分法和迭代法等数学方法进行对应的求解。管网汇流主要是通过对圣维南方程组进行汇流演算，从而得到子汇水区出口的流量过程。

3.SWMM模型模拟研究区径流过程

3.1研究区概况

选择郑州大学新校区为模型模拟的研究区。郑州大学新校区位于郑州市西部，气候特征即为郑州市的气候特征，属于比较典型的北温带大陆性季风气候。冬季寒冷气候干燥;夏季高温多雨且降水较为集中，易发生极端降水，洪涝灾害频发，气候特征明显，四季分明。校内包括教学、住宿、绿化等多种不同职能的区域，不透水地面面积约为校区总面积的50.2%，透水面积约占47.4%，其余为水体。

3.2地表模型的构建

良好地表模型的构建是进行后续合理分析的基础工作，直接影响着最后分析的结果和得到的结论。

下载郑州市DEM数字模拟地形图，在GIS中将郑州大学新校区所在区域裁剪出。利用郑州大学新校区DEM数字模拟地形图，根据实际勘察地下管网资料构建郑州大学新校区整体地形及地下管网网络。由于建筑物均为不积水，所以建筑物的高程均可以提升到一定高度[2]。另外在保证真实准确和科学性的情况下对系统中的管网进行适当的概化，保留所有排水口以及主干给排水管道、去除末端小尺寸管线，将地下管网网络简化。并根据实际的地形和管网等划分若干子流域，并根据地形坡度来确定汇流的方向。

3.2产汇流计算与淹没分析

利用暴雨强度公式设计重现期为0.5年、2年、5年、10年的180分钟暴雨过程作为主要输入数据。根据实际的数据资料并查阅的相关文献以及SWMM模型的用户手册确定SWMM模型计算运行中的各区域的曼宁系数、管道及透水区和不透水区的粗糙系数、透水不透水区的滞蓄量、最大最小入渗率和衰减系数等各种参数，并利用实测降水的数据来对系数进行校准和验证。利用地表产流模块通过霍尔顿公式进行地表产流分析及计算，并通过地表汇流模块和管网汇流模块利用非线性微分方程曼寧公式并求解圣维南方程组来进行汇流演算。借助SWMM中的适当函数对各个节点的溢流总量进行计算统计分析，并将研究区的DEM栅格将集水区划分为若干个小的网格，分别计算每个小的网格中的积水体积最后相加获得总积水的体积，并根据水位库容曲线的原理进行分析，最终可以得到所需要的淹没深度和淹没范围等结果。

3.4设立预警阈值

各阈值级别分别设置为一级预警雨洪流量达到管道溢流量校园内开始出现内涝点;二级预警内涝点的积深超过3厘米、有对人们正常生活影响不大的微量积水;三级预警内涝点的积深超过0.1米，会使人们的出行感觉不便，但造成的影响并不明显;四级预警内涝点积深超过0.25米，会对交通、生活、生产等各个方面均产生一定的不良影响，属于重度内涝水平。根据所有降雨资料中的降雨情况下的产汇流情况，及通过算法求得的内涝积深，确定不同降雨条件下的雨洪预警阈值，最终形成预警预报系统。

4.总结

利用DEM数据构建地表模型，对不同重现期的设计暴雨利用SWMM模型中的各部分模块进行产流计算和汇流演算，并计算集水区的淹没深度和淹没范围，可以得出郑州大学新校区的管网设计标准偏低，随着极端降水量级的不断增加逐渐不能满足排泄要求。设立各级预警预报的阈值，得到不同重现期的预警结果。

参考文献：

[1]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.

[2]王慧亮，吴泽宁，胡彩虹.基于GIS与SWMM耦合的城市暴雨洪水淹没分析[J].人民黄河，2017，39（8）：31-43.