基于SWMM技术的雨水系统仿真模型研究

基于 SWMM技术的雨水系统仿真模型研究

戚瑷娜 杨雪

商丘工学院 河南 商丘 476000

摘要：近年來，由于气候变化，城市暴雨及连续性强降雨频率增加，同时由于城市下垫面条件改变等原因，导致因城市降雨强度及地表径流量超出雨水管网排水能力引起的城市道路积水现象严重且频繁发生，对道路交通、行人安全造成了很大危害。城市道路积水深度过大，容易造成车辆熄火、引发交通拥堵和通行困难，存在造成人员伤亡及经济损失的隐患。因此，加强对城市道路积水点分析及监测，对新建、改建道路进行洪水影响分析，合理有效地安排潜在积水点应急排水设施及抢险措施，缓解因道路积水造成的交通压力及消除不安全因素是非常必要的。 

关键词：SWMM;路面积水;内涝分析 

1引言

采用SWMM模型对新建道路进行内涝分析，确定新建道路潜在积水点，适时调整管网及道路设计方案确保方案经济合理，并具可实施性;根据分析结果，对潜在积水点进行实时监测，并制定预警方案，一旦发生超标准洪水致使路面积水发生内涝，可迅速做出应急抢险反应，降低危害发生，减小经济损失。同时，在分析结果的基础上，道路设计方案要综合考虑透水铺装、绿化隔离带、雨水调蓄水池、初雨设施等措施，使降雨尽可能就地消纳或蓄存起来加以利用，减小项目区外排水量，减轻项目建设对周边环境的影响，降低内涝风险。项目实施前对建设方案进行洪水影响分析，避免外水对本项目的威胁，降低项目建设对周边环境影响，避免经济损失。

2 ＳＷＭＭ的原理

ＳＷＭＭ主要由径流模块、输送模块、扩展输送模块和贮存处理模块等４个计算模块以及用于统计分析和绘图的一个服务组成，可以根据输入的降雨量、土壤条件、土地利用等资料模拟完整的城市降雨径流过程，输出任何断面的流量过程线和污染过程线ＳＷＭＭ的核心模拟过程包括：地表产流过程、地表汇流过程、管网汇流过程、水质模拟过程。

其中地表产汇流模块综合处理各子流域所产生的降水、径流和污染负荷；管网汇流模块则通过管网、渠道、蓄水和处理设施、水泵、调节闸等进行传输。该模型可以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。

2.1 地表产流过程

ＳＷＭＭ一般将研究区域划分为若干个子流域，然后各个汇水子流域根据地表渗透性，按有洼蓄量的不透水区Ｓ１、无洼蓄量的不透水区Ｓ２和透水区Ｓ３分别进行径流演算，然后将这３种不同地表类型的径流流量相加即得该汇水子流域的径流流量过程线。其中，Ｓ１的产流量为降雨量与洼蓄量的差值，Ｓ２的产流量为降雨量与蒸发量的差值，Ｓ３的产流量为降雨量与入渗量的差值，入渗量由入渗模型求得。ＳＷＭＭ入渗模型有Ｈｏｒｔｏｎ模型、Ｇｒｅｅｎ－Ａｍｐｔ模型以及ＳＣＳ－ＣＮ模型。

2.2 地表汇流过程

地表径流的汇流过程是指将各排水子流域的净雨汇集到出水口控制断面或直接排入河道，可采用非线性水库模型模拟该过程，它将子流域视为一个水深很浅的水库，降雨是该水库的入流，土壤入渗和地表径流是水库的出流。在汇流过程中，ＳＷＭＭ利用一维圣维南变流量方程式求解地表径流。雨水降落地面形成漫流经侧沟汇集入检查井，导入干线中，按变流量非均匀自由流模拟管渠中水的流动。

2.3 管网的汇流过程

ＳＷＭＭ中，管网的汇流过程釆用圣维南方程组求解，即用连续方程和动量方程联立求解来模拟渐变非恒定流，可简化为运动波法和动力波法。

运动波法仅采用连续的动量守恒方程计算管道的水流运动，其中假定管道坡度与水流表面坡度一致，由满管的曼宁公式求解管道可输送的最大流量。它可模拟管道内的面积和水流随时空的变化，能削弱和延缓管道中的水流流量。它在采用较大时间步长（１～５ｍｉｎ）时，能得到较稳定的模拟效果，所以常被用于长期的模拟分析。

动力波法是通过求解管道中水流的连续方程、动量方程以及节点处的质量守恒方程来进行汇流演算，不仅能得到理论上的精确解，而且还能模拟运动波法无法模拟的复杂水流状况，如：管道的调整蓄、回水和进出流损失、逆流和有压流等，适用于任何管网系统。但为了保证数值计算的稳定性，该法必须采用较小的时间步长（如１ｍｉｎ或更小）进行计算。

2.4 水质模拟过程

水质模拟过程中，累积和冲刷２个过程决定了降雨径流中的污染物浓度，ＳＷＭＭ中的污染物累积方程有幂函数方程、指数函数方程、饱和浸润方程３种，３种累积方程都是以一定的累积速度逼近最大累积量；ＳＷＭＭ中的污染物冲刷方程主要有比例径流曲线方程、场次平均方程和指数函数冲刷方程３种，比例径流曲线方程和场次平均方程均仅考虑了降雨径流量对冲刷过程的影响，指数函数冲刷方程则同时考虑污染物累积量和降雨径流量对冲刷过程的影响。污染物累积量通常由雨前干期长度、交通流量及街道清扫频率来决定，而冲刷方程则由冲刷经验公式及沉积物传输理论建立。在模拟管道中的水质时，假定管道中的水是充分混合的，这样在时段末流出管道的污染物浓度可以由质量平衡方程算出，对可能发生变化的项目取其时段内的平均值。ＳＷＭＭ历经多次版本的更新，操作界面更加简便、快捷，从数据的输入、运行到结果的输出形成了日趋完整的系统。但也存在一些不足，如：

１）ＳＷＭＭ模型的输入格式单一，不能直接导入ＧＩＳ或ＣＡＤ格式的管网图，加强ＳＷＭＭ与ＧＩＳ的耦合应用，从而实现模拟过程和结果的空间化，可有效减小图件输入的工作量；

２）ＳＷＭＭ尚不能模拟特定污染物的迁移过程，应增加多环芳烃、多氯联苯等城市径流中典型有毒有机污染物的模拟模块；

３）可仿照ＳＷＡＴ模型，提供气象模拟模块，以便于无资料或资料缺乏地区的模型应用等。

3 ＳＷＭＭ在城市排水系统规划中的应用

ＳＷＭＭ技术模型通过仿真分析在污水入流、雨水入流、时间峰值三者叠加共同作用下对合流制排水管网的影响，结果表明，出水口的流量模拟结果与监测数据的吻合性较好，为制定改造排水管网系统提供了科学的参考。ＳＷＭＭ在城市排水系统规划中的广泛应用，可为新建、改建和扩建城市排水管网提供科学参考，从而减少暴雨给城市带来的涝灾损失。

4 总结

ＳＷＭＭ经多次更新，功能已有很大的改善，已被国外学者广泛应用于暴雨洪水的地表径流过程及污染负荷量的估算与预测；其在雨水系统中低影响开发及合流式和分流式下水道、排污管道和其他排水系统的规划及分析等方面应用比较成熟。然而目前在中国，ＳＷＭＭ相关数据的获得需要研究人员投入大量的时间和精力，并且要有强大的资金支持，如到相关部门购买ＤＥＭ图、雨水管网图、土壤图、土地利用图等图件，或实地调查收集水文水质监测数据等，因此应加强全国范围或地区性的数据共享。距今为止，中国对ＳＷＭＭ的应用基本是结合实测数据进行率定和检验后直接使用，缺乏结合中国实际情况对模型进行必要修正或改进，如结合区域特点改进产汇流模块，增加模型的关键源区识别功能等，以提高模型的预测精度和应用范围。对于雨水充沛和排水设施水平低的南方地区或水资源匮乏的北方地区，此方面的研究可为有效防洪排涝或利用雨洪资源提供科学依据。

参考文献
　[1] 吴慧英，江凯兵，李天兵，等.基于SWMM的市政排水管道泥沙淤积对溢流积水影响的模拟分析[J].给水排水，2019，55（11）：135-139. 

2. 宋丽华.城市道路积水分析及排水设计研究[J].海峡科技与产业，2018（08）：90-92. 
   [3]费宇婷，沙峥峥，薛嘉兵.城市道路积水成因分析及解决对策[J].工程建设与设计，2016（13）：103-106. 

课题： 2020年度商丘市哲学社会科学规划课题及决策咨询课题_基于BIM+GIS技术在智慧城市建设中关于城市排水问题的研究