SWMM 模型在城市防澇與流域防洪中的應用與研究

王洋洋

（蘇交科集團股份有限公司，江蘇 南京 210000）

0 引言

在全球氣候不斷變暖的氣候背景下，全球降雨極端天氣的出現頻率也逐漸增加，并且伴隨著城市化進程不斷加快，城市下墊面屬性中的非透水鋪裝面積不斷增加，降雨量的增加且雨水下滲量的減少導致城市內澇和區域洪災頻發[1]。2021 年河南鄭州發生了嚴重的城市內澇并造成人員死亡和財產損失[2]。

1 SWMM 模型介紹

SWMM（Storm Water Management Model）是 美國環保署（EPA）于1971 年開發的動態降雨徑流模型[3]，截至目前SWMM 已更新至5.1.015 版。SWMM模型免費且代碼開源，在國內外被廣泛應用[4-6]，且基于SWMM 與其他研究工具耦合開發出了許多衍生模型，模型介紹見表1。SWMM 不僅能模擬地表產流及地表與管網匯流的過程，還能模擬匯水范圍內的非點源污染物質的產生、聚集、沖刷與轉輸的過程[7]。SWMM 具有方便簡單易學的特點，能在已建構的模型基礎上直接進行改造模擬，對比出不同改造措施下的改造效果。

表1 S WMM 及其主要衍生模型對照表[8]

2 國內研究現狀

國內外學者在無特殊說明情況下使用的SWMM模型一般為EPA-SWMM，本文僅針對EPA-SWMM模型的研究進展進行介紹。目前國內關于SWMM 的研究主要集中在：構建SWMM 模型評估海綿城市改造對城市小區、公園、工業園等小區場地尺度的影響；與GIS 耦合構建城鎮、流域等大范圍尺度的SWMM 模型評估區域范圍內的水文和水質系統。最新研究則更注重與算法等人工智能方向的耦合優化SWMM 模型。

潘峰[9]以河北農業大學西校區為研究對象構建了SWMM 模型，研究LID 改造前后校園的水文和水力方便的變化。研究表明：SWMM 具有較好的應用前景，通過使用綠色屋頂和透水鋪裝兩項LID 措施，在不同暴雨重現期下，徑流總量控制率提高了30%～32%。楊金文[10]以萍鄉市金典城小區為例，構建了小區的SWMM 模型，從水文和水質兩方面對比評估了傳統開發模式與低影響（Low Impact Development，LID）開發模式下，不同暴雨重現期下的LID 控制措施對區域徑流和污染物的控制效果，研究結論與潘峰[9]類似，隨著暴雨重現期增加，傳統開發模式的徑流總量、污染物負荷等參數都會有明顯增加，LID 開發模式對不同重現期下的徑流總量、污染物負荷等參數都會有一定的控制效果，LID 開發模式對減輕雨水系統排放壓力，降低內澇風險，雨水凈化及資源化利用都有一定效果。

劉康安[11]利用GIS 耦合SWMM 技術，建立泔河流域面源污染模型系統，模擬分析不同面源污染防控措施對流域面源污染負荷的影響。結果表明：與建筑小區的模擬結果類似，在無外部干預的情況下，降雨重現期越大，泔河流域的洪峰流量出現得越早，且在降雨過程中產生的地表徑流總量呈現西南部地區高于東北部地區的特征，綜合防控措施對流域面源污染物負荷削減效果最優，TN、TP 和COD 負荷及徑流的削減率最大值分別為25.33%、15.85%、6.26%、5.98%。

鄒澄昊[12]以嘉興市新城區某建筑小區為研究對象，選用復合加權的多目標粒子群算法（Particle Swarm Optimization,PSO）優化構建的SWMM 模型（見圖1），結果表明：PSO 方案在規劃效率、經濟性和水質水量削減率等方面均優于常規設計方案，使用PSO 優化構建的SWMM 模型可以針對建設區域內的主要矛盾，綜合考慮項目成本、徑流控制效果、雨水凈化等多方因素，因地制宜且科學的選擇海綿城市建設思路。劉鵬霄[13]構建了大范圍尺度的SWMM模型，聯動使用Morris 篩選法和Sobol 法對區域內徑流總量及徑流峰值的敏感參數進行分析，確定：不透水區曼寧系數（N-Imperv）、透水區曼寧系數（N-Perv）、不透水區洼蓄量（Des-Imperv）、透水區洼蓄量（Des-Perv）、最小入滲速率（Min.Infil.Rate）和最小入滲速率（Decay constant）為區域SWMM 的敏感參數；利用BP 神經網絡對樣本進行訓練，對徑流總量和峰值流量兩項目標進行優化，結果表明多目標混合粒子群算法優化的SWMM 模型參數更為準確。

圖1 復合加權的多目標粒子群算法優化構建的S WMM匯水分區與管網概化圖[12]

3 國外研究現狀

國外對于SWMM 模型的研究相較于國內起步較早，關于SWMM 模型的研究較為成熟。國外早期研究與現今國內主要研究方向類似，集中于構建SWMM 模型研究不同LID 設施對海綿城市構建或流域內水文的影響。國外最新的研究方向則在與算法等工具耦合用于平衡建設成本和環境效果，或與其他工具耦合擴大SWMM 模型的應用范圍。

Swarnkar,Anurag 等人[14]以印度賴布爾市某區域為研究對象構建SWMM 模型用于評估區域內雨水管網運行狀況和尋找城市內澇點，研究結果表明：該區域的排水管網無法容納所有降雨徑流，導致內澇頻繁發生，對此情況Swarnkar,Anurag 等人在研究區域內找出兩個合適的地點用于構建雨水調蓄池，為研究區域內海綿城市建設提供幫助。Choo，Yeon-Moon 等人[15]以韓國的Suyeong 河和Oncheon河流域為研究對象構建了流域范圍尺度的SWMM模型用以研究在極端洪水環境下新建或升級大壩和地下水道對韓國釜山的潛在影響，研究表明：通過地下水道將Oncheon 河與Hoedong 大壩相連可以減少洪水的發生的次數，并縮短洪水的持續時間，通過提高現有大壩的高度增加水庫的蓄水量，或安裝閘門調整洪水水量，這些措施均有助于降低洪水發生頻次和周期。

Heydari Mofrad 等人[16]將SWMM 與多目標衍化算法耦合（Multi-Objective Evolutionary Algorithm，MOEA）形成非支配排序增強差分進化模型（Non-Dominated Sorting Enhanced Differential Evolution，NSEDE），用于優化防洪墻、交叉結構和末端蓄水池的大小，從而減小環境修復成本和徑流總量（見圖2）。結果表明：與算法耦合形成的SWMM 模型，在建設成本和暴雨重現期相同的情況下，環境修復成本降低了61.7%，徑流總量降低了37.5%。Raje,Saurabh等人[17]耦合構建SWMM 地表徑流模型和VS2DTI（Variably Saturated 2D Transport Interface）地下徑流模型用以評估道路滲濾系統（Partial Exfiltration Reactor，PER）對水文和水質的影響，研究結果表明：PER 中的水泥基透水路面（Cementitious Permeable Pavement，CPP）與氧化物涂層砂（Oxide-Coated Sand Media，OCS）相較于傳統路面對區域內的水文和水質有所改進，PER 的徑流總量控制率達到了95%，通過CPP 一級吸附過濾與OCS 二級吸附過濾作用，雨水中的溶解鋅降低了99%，且CPP 可通過常規路面清潔設備恢復其透水與吸附過濾性能，對延長PER 的壽命有一定幫助。

圖2 SWMM 與MOEA 耦合形成非支配排序增強差分進化模型概化圖[16]

4 結語

國內外海綿城市、城市防澇及流域防洪的建設工作正如火如荼的展開，相關的模擬技術逐步發展并日趨成熟，SWMM 模型作為最早的一批研究模型，免費開源且模型經過不斷更新迭代能更方便、夠更準確、更全面的模擬城市及流域范圍內的水文和水質的變化，但SWMM 模型在以下幾個方面的研究仍需進一步完善。

（1）目前國內海綿城市建設中LID 設施規模的選擇一般根據住房城鄉建設部頒發的《海綿城市建設技術指南—低影響開發雨水系統構建（試行）》[18]中容積法的計算數據進行選用，此種方法不能準確反應海綿城市建設前后改造區域范圍內的水文和水質的變化情況，在海綿城市建設過程中SWMM 模型的建立是十分必要的。

（2）目前對于SWMM 模型的研究仍處于簡單的建立區域性SWMM 模型研究不同LID 設施對建設成果的影響，不能反映各LID 設施在模型中的作用機制，強化不同LID 設施在SWMM 模型中的作用機理仍是需要深化研究的方向之一。

（3）SWMM 模型作為免費開源、多用途、應用范圍廣的模型，相較于其他付費封閉模型具有較強的優勢，在不同領域與其他專業軟件的耦合研究，仍是熱門的研究方向之一。

（4）存在較多因素影響SWMM 模型的建模準確度，對SWMM 模型參數進行調教研究以提升SWMM模型精確性和準確性，SWMM 建模的精細化研究仍有較大的發展空間。

（5）SWMM 模型已有較多的研究成果，但模型的實際場景應用仍有欠缺，SWMM 模型在城市內澇預警、流域防洪預警、洪澇災害的群眾轉移等社會服務應用方向有教廣闊的應用空間[19]。