浅析SWMM模型运行原理

王浅宁 王惠颖 郭子君 曹楠

摘要：受全球气候变暖和城市化进程加快等因素的影响，城市暴雨内涝灾害日趋严重，大中型城市在防御内涝灾害方面的脆弱性日趋明显，内涝灾害预警是城市内涝灾害研究的重点和难点。本文对SWMM模型的工作原理进行简要介绍，方便读者对SWMM有个初步认识。

关键词：SWMM模型；城市内涝；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 年由美国环境保护署（EPA）资助，由梅特卡夫-埃迪公司、佛罗里达大学、美国水资源公司等联合开发，历经数次更新。SWMM是一个动态的降水-径流模拟模型，主要用于模拟城市某一单一降水事件或长期的水量和水质模拟。SWMM 被广泛应用于城市地区的暴雨洪水、合流式下水道、排污管道以及其它排水系统的规划、分析和设计中，在其它非城市区域也有广泛应用。

SWMM 模型的主要的功能模块主要有径流模块和汇流模块。其径流模块部分综合处理各子流域所发生的降水，径流和污染负荷。其汇流模块部分则通过管网、渠道、蓄水和处理设施、水粟、调节闹等进行水量传输。该模型可以跟踪模拟不同时间步长任意时刻每个子流域所产生径流的水质和水量，以及每个管道和河道中水的流量、水深及水质等情况。

1 模型原理

SWMM与1971年由美国环保署开发，后来又经历了几次重大的完善和升级，现主要包括水文、水力和水质模块。

1.1 水文模块

SWMM的水文模块主要模拟地表径流的产流和汇流过程。其中，产流过程包括时变降雨、地表水蒸发、积雪及其融化、洼地存储等；汇流过程包括降雨入渗到非饱和土层、径流水渗透到地下水层、地下水与排水管道的水流交换、坡面汇流，以及降水和径流量减少或延缓的各种微影响过程。

1.2 水力模块

水力模块主要模拟径流和外部水流在管道、渠道、蓄水和处理单元、分水建筑物等中的流动，包括各种形状的封闭式管道中的水流，一些特殊部分的水流，外部水流和水质的输入，汇流，以及各种形式的水流（如回水、逆流和溢流等）。

1.3 水质模块

根据功能区或土地植被类型可见同一排水区划分为不同的水文单元，并据此定义各种地表污染物的累积模型和冲刷模型，以模拟地表径流中污染物的增长、冲刷、运输和处理过程。

2 SWMM模型的应用

SWMM 模型被广泛应用于对单场暴雨或者连续降雨而产生的暴雨径流进行动态模拟，进而解决与城市排水系统相关的水量与水质问题，为城市排水系统设计规划和运行提供依据。从以下的应用案例中可以看出 SWMM 的主要用途和重要作用。

2.1 排水管网系统分析

该研究以镇江市中心城区解放南路雨水排放子系统为例，排水管网系统建模仿真软件选 用 SWMM，排水管网系统入渗模型采用Horton模型，管网模拟采用动力波法，以充分模拟下 游回水情况。通过水文模型参数灵敏度分析，选用不透水区粗糙系数、（透水区）初始入渗率 作为模型校准的调整参数。针对镇江市排水管道流量监测资料欠缺的现实，模型校准采用了 基于排水管网宏观水文特征（径流系数和积水事件）的模型预校准方案。

2.2 城区非点源污染源的控制

该研究运用SWMM和 QUAL2E模型，通过对城市地区的模拟和对河中水质随溢流和水力负荷而变化的估算，为 NP的适当处理计算了设计降雨量。在合流制管道中，由于降雨而超过管道截流能力的流量被设定为直接排放入排放系统，暴雨雨水也是设计为通过一根单独的管道或是暴雨管道而直接排放。污染物浓度较高的未预料到的入流有时会在降雨早期阶段发生，尤其是在不透水地区。这种不经适当处理的高污染负荷的溢流排放会导致水质下降。另外，这是众所周知的导致排放系统污染的重要因素。该研究运用SWMM模型，试图通过对检查点的排放性质进行估计，估算出原水水质随截流流量的变化而变化的情况。根据运用SWMM 模型对不同设计降雨量下的暴雨管道排放和污染负荷的研究结果得知，暴雨管道排放量隨降雨量和降雨强度的变化而增减。考虑到溢流的特性，运用SWMM模型对管道溢流的截流速率进行运算，由运算结果得知，检查点的截流速率表现出很大不同，表现在检查点处CSO的截流速率高于SSD的截流速率。通过对溢流的截流水量的计算，其中考虑到降雨时水流排放的特性，对水质进行研究，研究结果表明，与不作任何处理的溢流排放相比，混合着部分溢流的截流排放中BOD浓度下降82.9%-94.0%。

3 结语

SWMM 模型自开发至今以来，已经被广泛地应用于城市暴雨径流的管理，同时在非城市地区也有应用。经过多年的研究和发展，SWMM 模型在多个城市暴雨径流管理和排水系统规划中充分发挥了作用。同时，在其他技术的的辅助下，如 GIS 技术，SWMM 模型表现出了更强大的功能。随着技术的不断进步与发展，多种技术的联合使用将成为一个必然的趋势。

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基金项目：郑州大学大学生创新创业训练计划资助项目