基于SWMM的暴雨徑流過程模擬

張可 章禹琦 都怡辰 張浩 曹一

摘 要：當今社會發展迅速城市化進程也在逐步加快，同時隨著氣候的變化和熱島效應的明顯加劇，城市的暴雨事件頻頻發生并造成嚴重的財產損失和人員傷亡，所以內澇災害的預警要求也隨之提高。文章通過介紹并利用SWMM模型的原理和方法，借助其中的各模塊對鄭州大學新校區的各種重現期設計暴雨條件來進行產匯流的模擬分析，確定各級預報預警的閾值，最終形成預警預報系統。

關鍵詞：城市內澇;SWMM模型;子匯水區;預警系統

隨著社會經濟的不斷發展，國家各地的城市化進程都不斷地加快，城區面積也隨之不斷的擴張。城市化的過程當中城市下墊面狀態發生改變，不透水面積越來越大，雨水下滲受阻，降水成流更加迅速且徑流系數大幅度提高，易造成洪澇災害[1]。同時隨著全球氣候變暖，城市熱島效應的進一步加劇，極端降水頻頻出現，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。而且與農村相比，城市的人口和資產高度集中，災害損失更加嚴重，如7.12北京市特大暴雨、7.23武漢市特大暴雨等，都造成了巨大的經濟損失和一定的人員傷亡。合理的預警預報可以對市政排水設施的建設、城市暴雨災害防治和城市雨洪資源化起到有效的指導作用，所以內澇災害預警以及相應的水情預報一直是城市內澇災害研究的重點。

1.SWMM模型簡介

SWMM全稱為暴雨洪水管理模型，1971年由美國環境保護署和佛羅里達大學首次開發出來，是一個用來模擬城市某一單一降水事件或長期的水量和水質模擬。經過好幾代的更新，目前SWMM已經在的版本上進行了全新的升級，目前已更新至SWMM5.1版本功能已經非常強大，有良好穩定的運行環境，并且具有模擬精度較高、計算操作方便且模擬結果值得信賴等突出的優點。該模型主要包括降雨模塊、地表產流模塊、地表匯流模塊和管網匯流模塊等，可以用來模擬城市內徑流的水文過程、模擬徑流以及水流在管道中的流動以及選擇適當的水質模擬指標和項目對產匯流等過程中的水污染負荷量進行模擬，可以通過相應的數據對任意時間中劃分的子流域或每個管網及河道中的水質、水量等情況進行適當的模擬和分析。

2.SWMM模型原理簡介

SWMM模型是一個綜合性的數學模型，可以通過對下墊面以及管網等數據信息的綜合分析，將待分析的目標區域劃分為若干個子流域即子匯水區，然后分別進行模擬計算來模擬城市降水產匯流的各個過程，最后將各子匯水區的計算結果疊加得到最終的出流過程。

前面提到該模型主要由降雨、地表產流、地表匯流和管道匯流等模塊組成的。降雨模塊可以用實測或預報得到的降水數據資料來推求，也可以使用設計典型暴雨、通過對峰前峰后不同的暴雨強度過程進行計算得到相應的數據。

地表產流要將子流域的下墊面分別劃分為透水地面、有蓄水的不透水地面和無蓄水的不透水地面三個部分，透水地面的產流是根據霍頓模型中的霍頓下滲公式計算得到下滲率，并與雨強對比并計算得到透水地面的地表產流量;有蓄水的不透水地面的地表產流量為降雨量減去地表滯蓄在地表的水量;無蓄水的不透水地面的地表產流量即為降水量。將根據下墊面情況劃分得到的三部分得到的三部分的地表產流量進行相加匯總即為單個子流域的總地表產流量。

匯流過程主要分為地表匯流和管網匯流。地表匯流主要是把研究區域近似的視為非線性水庫模型進行處理，并根據子匯水區的各種常數數據通過非線性水庫中的連續性方程、曼寧公式聯立，并通過有限差分法和迭代法等數學方法進行對應的求解。管網匯流主要是通過對圣維南方程組進行匯流演算，從而得到子匯水區出口的流量過程。

3.SWMM模型模擬研究區徑流過程

3.1研究區概況

選擇鄭州大學新校區為模型模擬的研究區。鄭州大學新校區位于鄭州市西部，氣候特征即為鄭州市的氣候特征，屬于比較典型的北溫帶大陸性季風氣候。冬季寒冷氣候干燥;夏季高溫多雨且降水較為集中，易發生極端降水，洪澇災害頻發，氣候特征明顯，四季分明。校內包括教學、住宿、綠化等多種不同職能的區域，不透水地面面積約為校區總面積的50.2%，透水面積約占47.4%，其余為水體。

3.2地表模型的構建

良好地表模型的構建是進行后續合理分析的基礎工作，直接影響著最后分析的結果和得到的結論。

下載鄭州市DEM數字模擬地形圖，在GIS中將鄭州大學新校區所在區域裁剪出。利用鄭州大學新校區DEM數字模擬地形圖，根據實際勘察地下管網資料構建鄭州大學新校區整體地形及地下管網網絡。由于建筑物均為不積水，所以建筑物的高程均可以提升到一定高度[2]。另外在保證真實準確和科學性的情況下對系統中的管網進行適當的概化，保留所有排水口以及主干給排水管道、去除末端小尺寸管線，將地下管網網絡簡化。并根據實際的地形和管網等劃分若干子流域，并根據地形坡度來確定匯流的方向。

3.2產匯流計算與淹沒分析

利用暴雨強度公式設計重現期為0.5年、2年、5年、10年的180分鐘暴雨過程作為主要輸入數據。根據實際的數據資料并查閱的相關文獻以及SWMM模型的用戶手冊確定SWMM模型計算運行中的各區域的曼寧系數、管道及透水區和不透水區的粗糙系數、透水不透水區的滯蓄量、最大最小入滲率和衰減系數等各種參數，并利用實測降水的數據來對系數進行校準和驗證。利用地表產流模塊通過霍爾頓公式進行地表產流分析及計算，并通過地表匯流模塊和管網匯流模塊利用非線性微分方程曼寧公式并求解圣維南方程組來進行匯流演算。借助SWMM中的適當函數對各個節點的溢流總量進行計算統計分析，并將研究區的DEM柵格將集水區劃分為若干個小的網格，分別計算每個小的網格中的積水體積最后相加獲得總積水的體積，并根據水位庫容曲線的原理進行分析，最終可以得到所需要的淹沒深度和淹沒范圍等結果。

3.4設立預警閾值

各閾值級別分別設置為一級預警雨洪流量達到管道溢流量校園內開始出現內澇點;二級預警內澇點的積深超過3厘米、有對人們正常生活影響不大的微量積水;三級預警內澇點的積深超過0.1米，會使人們的出行感覺不便，但造成的影響并不明顯;四級預警內澇點積深超過0.25米，會對交通、生活、生產等各個方面均產生一定的不良影響，屬于重度內澇水平。根據所有降雨資料中的降雨情況下的產匯流情況，及通過算法求得的內澇積深，確定不同降雨條件下的雨洪預警閾值，最終形成預警預報系統。

4.總結

利用DEM數據構建地表模型，對不同重現期的設計暴雨利用SWMM模型中的各部分模塊進行產流計算和匯流演算，并計算集水區的淹沒深度和淹沒范圍，可以得出鄭州大學新校區的管網設計標準偏低，隨著極端降水量級的不斷增加逐漸不能滿足排泄要求。設立各級預警預報的閾值，得到不同重現期的預警結果。

參考文獻：

[1]董欣，杜鵬飛，李志一等.SWMM模型在城市不透水區地表徑流模擬中的參數識別與驗證[J].環境科學，2008，29（6）：1495-1501.

[2]王慧亮，吳澤寧，胡彩虹.基于GIS與SWMM耦合的城市暴雨洪水淹沒分析[J].人民黃河，2017，39（8）：31-43.