SWMM 模型的高校地表徑流模擬及驗證

趙曉青

（紹興文理學院土木工程學院，浙江紹興 312000）

針對目前基于SWMM 高校海綿改造可靠性驗證研究和效果評價的不足，以S 高校為例，提出了構建SWMM 高校模型，通過實測現場降雨數據、地表徑流量、積水數據，對SWMM 模型的利用人工試錯法進行參數率定，驗證了模型的可靠性。計算出20190619 號和201908029 號降雨的Nash-sutcliffe 系數（ENS）分別為0.79 和0.98。模擬評價認為ENS值在0.75 以上的模擬結果為非常好[7]。因此，通過兩場不同降雨強度等級降雨事件的驗證，表明S 高校現狀SWMM 模擬結果是可靠的。

結果表明實測分析與數值模擬結果相似，模型具有可靠性。對S 高校進行海綿方案改造。

1 SWMM 中的模擬原理

SWMM 雨洪管理模型是通過降雨資料、排水系統資料、下墊面數據以及邊界數據作為基礎數據，可利用實際降雨歷時曲線或采用經驗公式即暴雨公式與芝加哥雨型生成降雨過程線[1]。

SWMM 的演算包括地表徑流和管網匯流，其中地表徑流演算包括地表產流演算和地表匯流演算，是將一個研究區域劃分為不同的子匯水區域，子匯水區域又可分別三類回水面積：滲透性區域、有洼地蓄水的不滲透性區域和無洼地蓄水的不滲透性區域。模擬時對各個子匯水面積進行徑流演算，將結果疊加進而計算總徑流量[2]。

管網匯流依據流速和水深，采用圣維南（Sanint-Venant）方程組來模擬，因水流在管渠中為漸變非恒定流，所以在模擬過程中以運動波和動態波兩種演算方法為主[3]。

2 模型構建

據氣象局資料，本文研究區域位于紹興市，屬于亞熱帶季風氣候，降雨量相對充沛，氣候相對濕潤，因受西風帶和東風帶雙重天氣系統的影響，受暴雨、內澇積水、洪澇等氣象次生衍生災害頻發。因為芝加哥雨型是一種以當地暴雨強度公式為基礎的強降雨設計雨型，因此本研究設計暴雨雨型選取芝加哥雨型[3]。SWMM 模型構建步驟：子匯水區劃分、模型參數屬性數據提取、初步調整、參數率定[4]。針對率定誤差，采用Nash-sutcliffe 系數（ENS）[5]來鑒別模擬值與實測值的吻合程度。

SWMM 模型中子匯水區的地表徑流只能有一個出口，根據項目區域的概況，劃分子匯水區241 個，241 個節點，19 個排放口，241 條管渠。

SWMM 模型構建最重要的步驟是模型參數的校核和驗證[6]。其參數主要分為兩類：可確定性參數和不確定性參數。不確定性參數主要包括曼寧系數、衰減常數、下滲速率、洼蓄兩等。結合SWMM 模型應用手冊，采用20190619 號和20190829 號兩場降雨進行參數校準驗證，參數的校準與驗證采用實測流量過程地表徑流量，積水深度，積水范圍和模擬流量過程進行對比分析。根據我國《水文水情預報規范》（GBT 22482-2008）要求，本研究采用Nash 效率系數作為指標評估精度[6]。

實測采用H9 號，H19 和H91 子匯水區作為監測點。每個監測點分別測3 次，取平均值作為實測數據。研究區域兩場降雨的實測積水個數見圖1，圖2。

主要敏感性參數率定確定值見表1。

計算出20190619 號和201908029 號降雨的Nash-sutcliffe系數（ENS）分別為0.79 和0.98。模擬評價認為ENS值在0.75 以上的模擬結果為非常好[7]。因此，通過兩場不同降雨強度等級降雨事件的驗證，表明S 高校現狀SWMM 模擬結果是可靠的。

3 規劃方案

本文根據S 高校校園綠地面積較大、灌溉需求較大和道路透水鋪裝需求較大等特點和實際的地形地貌情況，規劃方案：采用透水鋪裝、下沉式綠地、生物滯留池、雨水桶、滲透溝等多組合措施。通過模擬計算徑流削減率分別為70%、64%、62%、58%、57%，徑流系數分別為0.848、0.844、0.771、0.717、0.697。

在不同降雨重現期下，改造方案的峰值流量比改造前大為降低，分別為0.5m3/s、0.96m3/s、1.25m3/s、1.68m3/s、2.14m3/s；徑流峰值出現時間為64min，徑流峰現時間較改造前延遲4min。

圖1 20190619 號降雨事件積水節點的實測值和模擬值對比

圖2 20190829 號降雨事件積水節點的實測值和模擬值對比

表1 主要敏感性參數率定值

4 結論

本文應用了SWMM 模擬了校園現狀及改造后的水文狀況。通過兩場降雨的實測檢測點對不確定參數進行校核驗證。由于文中只對水文情況進行研究，在今后的研究中可以對考慮增加對雨水的水質方面提供優化方案。