淺析SWMM模型運行原理

王淺寧 王惠穎 郭子君 曹楠

摘要：受全球氣候變暖和城市化進程加快等因素的影響，城市暴雨內澇災害日趨嚴重，大中型城市在防御內澇災害方面的脆弱性日趨明顯，內澇災害預警是城市內澇災害研究的重點和難點。本文對SWMM模型的工作原理進行簡要介紹，方便讀者對SWMM有個初步認識。

關鍵詞：SWMM模型；城市內澇；分布式水文模型

SWMM （Storm Water Management Model，暴雨洪水管理模型）最早是在 1969-1971 年由美國環境保護署（EPA）資助，由梅特卡夫-埃迪公司、佛羅里達大學、美國水資源公司等聯合開發，歷經數次更新。SWMM是一個動態的降水-徑流模擬模型，主要用于模擬城市某一單一降水事件或長期的水量和水質模擬。SWMM 被廣泛應用于城市地區的暴雨洪水、合流式下水道、排污管道以及其它排水系統的規劃、分析和設計中，在其它非城市區域也有廣泛應用。

SWMM 模型的主要的功能模塊主要有徑流模塊和匯流模塊。其徑流模塊部分綜合處理各子流域所發生的降水，徑流和污染負荷。其匯流模塊部分則通過管網、渠道、蓄水和處理設施、水粟、調節鬧等進行水量傳輸。該模型可以跟蹤模擬不同時間步長任意時刻每個子流域所產生徑流的水質和水量，以及每個管道和河道中水的流量、水深及水質等情況。

1 模型原理

SWMM與1971年由美國環保署開發，后來又經歷了幾次重大的完善和升級，現主要包括水文、水力和水質模塊。

1.1 水文模塊

SWMM的水文模塊主要模擬地表徑流的產流和匯流過程。其中，產流過程包括時變降雨、地表水蒸發、積雪及其融化、洼地存儲等；匯流過程包括降雨入滲到非飽和土層、徑流水滲透到地下水層、地下水與排水管道的水流交換、坡面匯流，以及降水和徑流量減少或延緩的各種微影響過程。

1.2 水力模塊

水力模塊主要模擬徑流和外部水流在管道、渠道、蓄水和處理單元、分水建筑物等中的流動，包括各種形狀的封閉式管道中的水流，一些特殊部分的水流，外部水流和水質的輸入，匯流，以及各種形式的水流（如回水、逆流和溢流等）。

1.3 水質模塊

根據功能區或土地植被類型可見同一排水區劃分為不同的水文單元，并據此定義各種地表污染物的累積模型和沖刷模型，以模擬地表徑流中污染物的增長、沖刷、運輸和處理過程。

2 SWMM模型的應用

SWMM 模型被廣泛應用于對單場暴雨或者連續降雨而產生的暴雨徑流進行動態模擬，進而解決與城市排水系統相關的水量與水質問題，為城市排水系統設計規劃和運行提供依據。從以下的應用案例中可以看出 SWMM 的主要用途和重要作用。

2.1 排水管網系統分析

該研究以鎮江市中心城區解放南路雨水排放子系統為例，排水管網系統建模仿真軟件選 用 SWMM，排水管網系統入滲模型采用Horton模型，管網模擬采用動力波法，以充分模擬下 游回水情況。通過水文模型參數靈敏度分析，選用不透水區粗糙系數、（透水區）初始入滲率 作為模型校準的調整參數。針對鎮江市排水管道流量監測資料欠缺的現實，模型校準采用了 基于排水管網宏觀水文特征（徑流系數和積水事件）的模型預校準方案。

2.2 城區非點源污染源的控制

該研究運用SWMM和 QUAL2E模型，通過對城市地區的模擬和對河中水質隨溢流和水力負荷而變化的估算，為 NP的適當處理計算了設計降雨量。在合流制管道中，由于降雨而超過管道截流能力的流量被設定為直接排放入排放系統，暴雨雨水也是設計為通過一根單獨的管道或是暴雨管道而直接排放。污染物濃度較高的未預料到的入流有時會在降雨早期階段發生，尤其是在不透水地區。這種不經適當處理的高污染負荷的溢流排放會導致水質下降。另外，這是眾所周知的導致排放系統污染的重要因素。該研究運用SWMM模型，試圖通過對檢查點的排放性質進行估計，估算出原水水質隨截流流量的變化而變化的情況。根據運用SWMM 模型對不同設計降雨量下的暴雨管道排放和污染負荷的研究結果得知，暴雨管道排放量隨降雨量和降雨強度的變化而增減。考慮到溢流的特性，運用SWMM模型對管道溢流的截流速率進行運算，由運算結果得知，檢查點的截流速率表現出很大不同，表現在檢查點處CSO的截流速率高于SSD的截流速率。通過對溢流的截流水量的計算，其中考慮到降雨時水流排放的特性，對水質進行研究，研究結果表明，與不作任何處理的溢流排放相比，混合著部分溢流的截流排放中BOD濃度下降82.9%-94.0%。

3 結語

SWMM 模型自開發至今以來，已經被廣泛地應用于城市暴雨徑流的管理，同時在非城市地區也有應用。經過多年的研究和發展，SWMM 模型在多個城市暴雨徑流管理和排水系統規劃中充分發揮了作用。同時，在其他技術的的輔助下，如 GIS 技術，SWMM 模型表現出了更強大的功能。隨著技術的不斷進步與發展，多種技術的聯合使用將成為一個必然的趨勢。

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基金項目：鄭州大學大學生創新創業訓練計劃資助項目