SWMM暴雨模型軟件在城市排水防澇工程設計中的應用研究

劉 錚 黃文獻(華藍設計（集團）有限公司，廣西 南寧市 530011)

SWMM暴雨模型軟件在城市排水防澇工程設計中的應用研究

劉 錚 黃文獻
(華藍設計（集團）有限公司，廣西 南寧市 530011)

隨著現(xiàn)代城市的快速發(fā)展，導致城市排水防澇等問題變得越來越重要，引起了相關政府職能部門以及研究學者們的高度關注。本文針對SWMM暴雨模型軟件在城市排水防澇工程設計中的應用展開研究，介紹了排水防澇工程實施的重要現(xiàn)實意義，給出了SWMM暴雨模型軟件的基本構架以及其在現(xiàn)實應用中的注意事項，論證了其在城市排水防澇工程中的實用性。

SWMM暴雨模型；排水防澇工程；排水管網(wǎng)

現(xiàn)代城市是地方區(qū)域政治、人文、經(jīng)濟等的重要載體，具備人口基數(shù)大、財富集中的重要特征，具有很強的輻射力和聚集力。隨著城市的快速發(fā)展，城市的規(guī)模、人口、經(jīng)濟等不斷壯大，城市在經(jīng)濟社會發(fā)展中發(fā)揮了重要的主體作用。與此同時，受極端天氣影響，城市內(nèi)澇問題也成為社會關注的焦點，如何做好城市內(nèi)的排水防澇工作具有至關重要的意義[1]。近年來，由于全球氣候變化、城市發(fā)展快速化、防澇系統(tǒng)簡陋化等各方面原因，使得我國各大城市頻現(xiàn)內(nèi)澇現(xiàn)象，造成了人員和財力的大量損失，為經(jīng)濟社會帶來極大破壞性。長期以來，我國在市政雨水系統(tǒng)規(guī)劃方面主要采用前蘇聯(lián)的體系方法，其主要是應用推理公式對雨水系統(tǒng)進行詳細規(guī)劃與設計。但是，隨著城市的擴張發(fā)展，造成了天然產(chǎn)匯流方式發(fā)生了變化，傳統(tǒng)的方法已無法有效描述暴雨水澇特點。因此，應通過采用先進的信息和計算機科學技術作為手段，對城市內(nèi)部的暴雨水澇實施模擬分析，從而構建更為合理且防御功能更強的排水系統(tǒng)。經(jīng)大量研究表明[2-4]，城市暴雨管理模型（SWMM）能夠有效進行徑流水量水質(zhì)模擬，其在城市排水防澇工程中具有效果好、適應性強的特點，得到了業(yè)界的廣泛應用。因此，本文將對SWMM模型在城市排水防澇工程中的應用展開研究，從而為相關業(yè)界同行開展工作提供參考。

1.SWMM暴雨模型軟件概述

SWMM暴雨模型軟件主要用于模擬動態(tài)降雨-徑流，其能夠?qū)Τ鞘袇^(qū)域中的單一或者連續(xù)降雨的水質(zhì)和水量進行有效模擬。該模型主要包括三個核心模塊，分別為水文模塊、水力模塊和水質(zhì)模塊。SWMM模型不僅能夠有效模擬河道排澇，還可以用于排水系統(tǒng)中的管道布置及校驗，從而實現(xiàn)對城市排澇系統(tǒng)的全方位、高精度模擬。SWMM模型計算過程主要分為地表產(chǎn)流計算、地表匯流計算以及排水管道流量演算等三個部分。

（1）地表產(chǎn)流計算

在地表產(chǎn)流計算過程當中，需要根據(jù)所在區(qū)域內(nèi)的管道實際排水情況劃分若干子集，即子流域集合。根據(jù)不同的下墊面類型，其對地表產(chǎn)流能夠產(chǎn)生不同影響，從而又可以將子流域集合劃分成三個主要部分，即透水區(qū)、有洼蓄的不透水區(qū)和無洼蓄的不透水區(qū)。整個子流域的出流量即為這三個部分所產(chǎn)生的出流量總和。其中，對于無洼蓄的不透水區(qū)，構成產(chǎn)流量的主要要素是降雨量；對于有洼蓄的不透水區(qū)，產(chǎn)流量的計算主要是通過無洼蓄產(chǎn)流量減去填洼量而獲得。對于透水區(qū)，SWMM模型提出了一種基于下滲機制的有效模擬方法。下滲機制是由研究人員Horton提出的，其主要思想是基于土壤的下滲能力會隨土壤濕度改變而發(fā)生相應變化，即：當降水量小于或等于地表下滲能力時，所有的降雨將全部被吸收，并不產(chǎn)生徑流；反之，則會出現(xiàn)地面徑流現(xiàn)象。基于Horton下滲模式，能推導出地面徑流公式如式（1）：

（2）地表匯流計算

在地表匯流計算中，主要是通過使用非線性流體計算方法求解子流域的三個主要部分。該計算過程采用水量平衡連續(xù)方程及曼寧公式來模擬水流運動波動，其具體的過程如公式（2-3）所示：

（3）排水管道流量演算

SWMM模型軟件主要采用三種排水管道流量計算模式，亦即恒定流、運動波和動力波。其中，前兩種模式主要用于簡化實現(xiàn)現(xiàn)實環(huán)境中的流量計算；動力波則能夠用于有效適應復雜環(huán)境。動力波控制方程主要通過求解St. Vennat方程組實現(xiàn)，具體過程如公式（4-5）所示：）；

2.SWMM暴雨模型軟件的應用

SWMM模型軟件在全世界有較為廣泛的應用，其是在美國環(huán)境保護署資助下而研制出來的城市排水及防澇工程規(guī)劃、設計、管理的雨洪模型軟件，商業(yè)化程度也很高，普通用戶即使不了解其原理也能使用它來規(guī)劃、設計、管理城市排水防澇工程。雖然該模型軟件具有眾多的優(yōu)點，適用性也很強，但在實際使用中，仍有一些注意事項需要引起用戶關注，以便能夠充分用好該軟件。

（1）SWMM模型軟件中，所提出的產(chǎn)匯流分析方法，通常情況下其物理定義及概念是準確界定的，相關的背景理論依據(jù)是符合現(xiàn)實情況的，但是，它們都有其各自的具體適用條件。用戶在操作、使用過程中，當發(fā)現(xiàn)這些分析方法并不適用于解決當前的現(xiàn)實問題時，應及時更換其他更適用的分析方法，或通過相關算法研究，對原模型結構作相應的必要改進。

（2）SWMM模型軟件的有效使用，需要有大量的相關基礎數(shù)據(jù)作為支撐。在美國等發(fā)達國家，其眾多政府職能部門都建立了非常完備的海量數(shù)據(jù)庫，用戶需要時可直接聯(lián)網(wǎng)查詢獲得。但在我國，尤其是廣西等落后地區(qū)，大量的相關數(shù)據(jù)獲取需要用戶、研究人員投入大量的時間、精力以及高額的經(jīng)費支持，才能從政府相關部門購買到各種地圖數(shù)據(jù)，例如雨水管網(wǎng)圖、土壤圖、土地利用圖等。因此，只有規(guī)范、加強全國范圍或地區(qū)性的相關數(shù)據(jù)共享，才能進一步擴大SWMM模型軟件在我國的適用性。

（3）SWMM模型軟件的基本計算單元以排水區(qū)尺度作為基準尺度，其對城市雨洪形成的模擬主要是建立在線性系統(tǒng)基礎之上，因此，它只能適用于模擬符合線性系統(tǒng)特征的雨洪形成問題。但是，在真實情況下，許多雨洪形成問題是非線性作用而導致，SWMM模型軟件在這種情形下的使用效果極不理想。同時，目前現(xiàn)行的用于城市排水工程規(guī)劃管理的合理化公式，通常只能給出雨洪的峰值，并無法有效描述雨洪的過程，因此，基于合理化公式的城市排水工程規(guī)劃管理已難以滿足現(xiàn)實需求，如何研究開發(fā)符合設計標準的雨型，并科學設計相應的雨洪過程，已成為下一步工作的重點和主要研究方向。

3.結論

本文針對SWMM暴雨模型軟件在城市排水防澇工程中的應用展開了系統(tǒng)研究，剖析了其理論支撐基礎，指出該模型是通過將各個流域進行離散化處理，分離成多個小的子流域進行逐個分析以降低問題復雜度，并使得模擬過程目的性、針對性更強；該模型軟件還通過逐一模擬各個子流域的地面性質(zhì)，從而能夠快速解決多特征條件下的城市排水計算過程。軟件的人機交互界面友好，普通用戶只需要輸入實際參數(shù)，便可以求得所需計算結果。結合筆者工作中的實際開發(fā)使用的經(jīng)驗，本文還指出該軟件現(xiàn)存的一些主要問題，例如對于不規(guī)則集水區(qū)寬度不容易確定而導致的非線性問題等，并給出了下一步優(yōu)化使用該軟件的意見建議。

[1]袁長極. 地下水臨界深度的確定[J]. 水利學報, 1964(3):50-53.

[2]陳利群. SWMM在城鎮(zhèn)排水規(guī)劃設計中使用性研究[J]. 給水排水, 2010, 36(5):114-117.

[3]朱靖, 劉俊, 崔韓, 等. SWMM模型在西南地區(qū)山前平原城市防洪計算中的應用[J]. 水電能源科學, 2013, 31(12):38-41.

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1007-6344（2016）04-0077-01