雨洪管理模型SWMM原理解析及應用進展

張士官，呂謀，焦春蛟，宋杰

(青島理工大學 環境與市政工程學院，山東青島266033)

21世紀以來，隨著城市化進程的突飛猛進，不透水性建筑與道路覆蓋面越來越廣，導致城市內澇與非點源污染問題愈來嚴重。其中國內外眾多城市水體受污的根本緣故之一就是非點源污染導致的雨水徑流[1]，而中國非點源污染引起的水體環境質量問題甚至已持比于點源污染[2]，以致其污染模型的研究已引起國內外大量學者的重視[3]。從20世紀60年代起發展至今，城市非點源污染模型已耦合應用到3S(GIS、RS、GPS)技術階段[4]，目前已陸續開發出 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，在國內外應用最為廣泛(表1)。SWMM不僅可模擬某單場次或長期連續性降雨事件，還可模擬LID(低影響開發)布設下對徑流水量削減及水質調控效果[5]，并且可對不同氣象條件下的雨水徑流污染特性進行分析[6]。因此，SWMM已成為當今城市非點源污染研究的典型模型[3]。圖1顯示了SWMM相關文獻計量分析結果——以“SWMM”為關鍵詞在數據庫中檢索得到的1983—2018年間CNKI和Elsevier收錄文獻篇數。

表1 部分雨洪管理模型對比

1 SWMM模型原理

SWMM開發于20世紀70年代，由美國環保署推出，歷經40余年完善發展，目前最新版本已更新至SWMM5.1.013。此版本新增了LID去除污染物模擬，可設置去除污染物比例，使水質模擬更符合實際工況。除水質模塊外，SWMM更加側重于水文水力的模擬。

1.1 水文模擬

水文模塊主要模擬地表徑流的產生及轉輸，即產流和匯流。其中地表產流過程即凈雨形成過程；地表匯流過程是凈雨流經子匯水區向出水口斷面或管網匯集過程。

產流計算前期根據每個集水區域中下墊面地表的透水性劃分子匯水區，將之分為透水區和不透水區(有洼蓄不透水區和無洼蓄不透水區)。產流量根據下滲曲線扣損法得出，其值為降雨量減去總下滲量、蒸發量、洼地蓄水量；通過SWMM中土壤下滲模型(Horton下滲、Green-Ampt下滲及SCCS-CN下滲)確定下滲量。3種下滲模型對比見表2[7-10]。

表2 SWMM中3種下滲模型對比

匯流計算是將各子匯水區的雨水徑流量轉化為經3個子流域(透水區、有洼蓄透水區、無洼蓄透水區)產流演算后的出流量，利用非線性水庫模型模擬并求解圣維南方程[11]。SWMM模型中提供了Outlet、Impervious、Pervious 3種演算匯流方式；Huber通過對3種模式下徑流模擬結果分析發現，Outlet與Impervious模式下區域地表徑流模擬結果相似，同比Pervious模式模擬結果偏大[12]；趙冬泉通過分析匯水區域尺度劃分與坡度高低倆因素對匯流模式與模擬結果影響發現，匯水區劃分越小，地表徑流模擬結果越大，坡度越大，3種匯流模式下的模擬結果差異性越小[13]。模型建立時，Outlet演算匯流模式被默認設置往往導致地表徑流與洪峰流量值的偏高[14]。因此，運用SWMM模型模擬城市降雨徑流分析時，應根據匯水區不同土地利用格局設置合適的匯流演算模式。

1.2 水力模擬

水力模擬是雨水從檢查井到排放口過程中的管網匯流模擬，其計算主要采用水動力學法離散求解圣維南方程組[15]，SWMM將其簡化分為恒定流、動力波、運動波3種演算方法。恒定流法適用于流量簡單線性相加計算，要求流體是均勻恒定的，是一種假想的理想狀態，實際中很難達到[16]。恒定流計算經歷了推理法、單位線法、等流時線、下滲曲線等各種方法，這些是傳統的雨洪模型計算方法，時至今日，中國普然使用的依然是推理公式法進行管渠設計。該方法雖適用于小型區域水力計算，但由于隱含假定帶來的設計缺陷導致管渠設計精度不高，尤其不適用于大型排水設計[17-18]。動力波法可模擬封閉管渠有壓流及一些復雜多變水流狀態，如管渠的調蓄、回水逆流、超載洪流等，其通過計算管渠的連續和動量方程以及節點的質量守恒方程，可得理論精確解，但數值計算穩定收斂性差，要求設定較小的時間步長[19](≤1min)。運動波法假設管渠中水面坡度即管道坡度，采用連續動量守恒方程模擬各個管渠中的水流量；雖可模擬管渠中水流狀態隨時間變化特性，但對有壓流、回水逆流、滯水等模擬有局限性，其穩定性較好，精度稍差，僅支持模擬樹狀管網。對現有雨水管網系統而言，暴雨內澇導致的管網有壓流，同時涉及到的下游水流的回水頂托作用等，非恒定流水力模擬技術方可為雨水管網服務性能評價提供基礎[18]。

1.3 水質模擬

SWMM水質模擬中主要包含污染物累積、沖刷、街道清掃及管網遷移衰減等過程，其中累積和沖刷兩過程確定雨水徑流中污染物濃度。污染物累積過程通過冪增長、指數增長、飽和增長以及外部時間序列四種不同積累函數模擬，都是以不同累積形式到達最大累積量，其值與降雨前干旱天數、污染物累積速率、下墊面性質、街道清掃有關。污染物沖刷是降雨將晴天時積累污染物隨地表徑流進入管網的過程，通過指數函數、性能曲線函數和事件平均濃度來模擬，其中指數函數和性能曲線函數表示的沖刷量正比于徑流速率的C2次冪(C2即沖刷指數)，事件平均濃度是C2為1時性能曲線函數的一種特殊形式[20]。街道清掃主要定期減少各個土地使用區域的特定污染物的積累。

SWMM模型中污染物的去除主要依靠LID模塊的調控。LID(低影響開發)模塊是一種城市雨水管理理念，通過收集雨水，合理利用景觀空間，并采取相應措施控制雨水徑流，以期減少城鎮非點源污染。常用的LID措施包括透水鋪裝、雨水花園、生物滯留設施、綠色屋頂、滲渠、植草溝等[21-24]。不同LID設施具體作用不同，適用于不同土地利用類型，部分LID設施功效比對信息見表3。

2 SWMM的應用進展

鑒于SWMM強大的管網流量模擬能力及LID和水質模擬功能，并且由于其軟件界面友好易于操作，SWMM現已在世界許多國家得到推廣和應用，現在以下5個方面應用最為廣泛。

a) 低影響開發(LID)的雨水控制效果和水質調控模擬。Zahmatkesh等[25]對紐約市布朗克斯河流域城市雨水徑流的研究表明雖然氣候變化影響下歷史年徑流量的平均增長率約為48%，但LID布設下可使年徑流量平均減少41%并還能將峰值流速平均降低了8%～13%。Li等[26]通過對西安某地區設置不同比例(1%、2%、4%)雨水花園發現不同面積比下雨水花園大致表現出與降雨徑流及其污染的調控功能相同的趨勢，并發現在相同的降雨和面積比條件下，無排水設施的雨水花園(底部可滲透)的控制效果優于具有排水設施的雨水花園(底部是不可滲透的)。王文亮等[27]通過運用SWMM對研究區域進行單次及連續降雨模擬表明LID設施可降低峰值流量及年徑流量，并可有效削減污染物。李霞等[28]運用SWMM對天津薊縣某區域進行LID組合鋪設(綠色屋頂、下凹式綠地和滲透路面 )，通過優化前后雙模擬手段證實了LID技術對改善節點積水及管段滿流狀況的有效性。王雯雯等[29]對深圳光明新區開發前后進行了SWMM模擬，并增加了LID 設施 (下凹式綠地和透水鋪裝)，結果表明LID組合工況下可更好發揮雨水控流作用。

表3 LID設施功效比對

注：●——強;◎——較強;○——弱或很小。

b) 城市暴雨洪水模擬中的參數敏感性分析與識別。Janet等[30]運用SWMM于南加州某大型城市集水區，經某復雜的優化程序估計徑流參數并用十次降雨事件進行校準和驗證，結果表明不透水率和洼地蓄水深度是影響總徑流和峰值流量的最敏感參數，峰值流量的時間僅受曼寧系數的影響且影響很小。Muleta等[31]證實了UA(不確定性分析量化模型)對SWMM的靈敏度分析、校準、參數不確定性和總預測不確定性分析具有前景。董欣等[32]分別以最小二乘法偏差和污染物負荷及峰值濃度作為水文水利和水質參數識別的目標函數，應用HSY 算法和蒙特卡羅采樣方法識別驗證模型參數，指出了不透水地表徑流模型中 6個最敏感參數、水文水利擬合效果優于水質模擬。張靜等[33]運用SWMM結合城市不同功能區污染物累計和徑流樣本，分析得出適于地表徑流SWMM模型水質模擬參數取值范圍，其結果與實測數據基本吻合。

c) 城市雨水徑流非點源污染特性分析及負荷估算。Li等[34]建立保定市非點源污染SWMM模型，利用實測數據與一維水質模型分析了水污染特征及發展趨勢，結果表明，Pb，Zn，TN(總氮)和TP(總磷)的污染負荷約占總污染負荷的30%，并提出了降低保定非點源污染的有效手段。Ongley等[35]指出氮和磷是中國非點源污染的主要原因，各占水污染總量的81%和93%。Chang等[36]通過監測臺灣兩個工業園區五場降雨事件來校準和驗證SWMM模型，確定了初期雨水攔截量與其相應的年度NPS(非點源污染)負荷減少部分之間的關系。黃國如等[37]基于SWMM建立廣州城區降雨徑流非點源污染模型，分析3種典型下墊面(居住區、馬路、草地 )中污染物時空變化規律和降雨初期沖刷效應，得出不同雨情下各下墊面中污染物負荷量。馬曉宇等[38]構建溫州市典型居住區“本地化”SWMM模型，分析不同雨強下污染負荷值及負荷累計變化，結果表明，各污染物模擬值相對誤差小于10%，高強度降雨對受納水體可造成更大污染。

d) 城市雨水管網優化改造中的應用。Karamouz等[39]以德黑蘭都市區排水系統作為案例研究，提出了一種考慮人為和氣候變化影響的選擇BMP(最佳管理)以提高排水系統性能和處理城市山洪的可靠性的算法來應用于城市地區的實時規劃。Pathirana等[40]以巴西案例為研究，通過開發二維排水模型與SWMM實現1-D / 2-D耦合來用于評估城市排水網絡優化規劃中的洪水災害成本。馬俊花等[41]應用某小區合流制排水管網進行SWMM模擬找出其主要溢流瓶頸節點，對管網優化后二次模擬證實優化改造有效性。陳利群等[42]通過在城市排水規劃設計中引入SWMM模型，分析其雨水計算排除原理并對比傳統方法找出異同點，提出適于雨水管網規劃的SWMM應用步驟及降水方式。趙冬泉等[43]利用Huff方法生成多類降雨應用于SWMM模型得出的差異性結果利于全面分析管網系統水流狀態，兩者結合的模擬研究方式為城市雨水管網運行評估提供技術支持。

e) SWMM與其他軟件模型耦合應用。Barco等[44]將SWMM、GIS和約束優化技術耦合應用到南加州某大型城市區域模擬非點源污染，預測效果良好。羅福亮等[45]運用SWMM和MikeII水動力學模型模擬某區域降雨徑流及防洪排澇過程，計算結果合理可靠。胡亭等[46]利用Object ARX對CAD進行二次開發，在地形圖上快速拾取關鍵點坐標，于SWMM軟件中快速建模，提高效率。Sang等[47]結合SWMM與TANK模型特點建立SWMM-TANK模型用于大寧河流域水文模擬，組合模型簡單滿足精度要求。可見將SWMM于其他軟件模型耦合應用，拓展了研究范圍，促進SWMM良性發展。

3 SWMM在國內應用中存在問題及展望

SWMM軟件自開發伊始，經過40余年研究發展，軟件自身功能已有很大改善，且相繼開發推出眾多衍生模型。SWMM因操作界面簡便、快捷的靈活性與良好區域通用性而廣泛應用，但在國內應用中還存在以下局限性。

a) SWMM模型導入格式受限，只支持inp格式，不能將GIS或CAD的管網圖直接導入，增大建模前期區域圖件輸入工作量?？紤]到SWMM建模的復雜與枯燥性，應加強與GIS耦合開發現狀和輸入模塊開源，使模擬過程與結果更加可視空間化。

b) 建模區域實時數據缺乏嚴重，以致后期模型參數率定與驗證結果不理想，國內部分地區SWMM模型所需數據可能需要研究人員花費大量精力、財力去獲得，導致模擬難以進行。加強全國或區域數據共享平臺建設，探討無資料情況下區域雨洪地表徑流模擬手段勢在必行。

c) SWMM應用范圍主要集中于平原城市，在國內山地城市喀斯特峰叢洼地等區域應用較少缺乏典例，需加強此方面研究，為山區城市排水系統規劃提供有力依據。

d) SWMM模型僅能模擬不同土地下墊面性質的面積比率變化對地表雨水徑流的水質、水量影響，缺少土地使用類型改變前后對此影響。需結合用地現狀實際情況，對比分析用地詳細資料對初期模型進行修改驗證，開發關鍵源區識別功能，提高模擬精度。

4 結語

本文從SWMM結構原理入手，梳理了SWMM的國內外應用現狀，包括主要應用領域、優勢及存在的局限性等，針對應用局限性對SWMM的改進方向及領域拓展進行了展望。本文為深入了解SWMM運行機理提供了借鑒，為進一步深入開發模型、拓展領域應用提供了新思路。