雨洪管理模型SWMM原理解析及應(yīng)用進展

張士官，呂謀，焦春蛟，宋杰

(青島理工大學(xué) 環(huán)境與市政工程學(xué)院，山東青島266033)

21世紀以來，隨著城市化進程的突飛猛進，不透水性建筑與道路覆蓋面越來越廣，導(dǎo)致城市內(nèi)澇與非點源污染問題愈來嚴重。其中國內(nèi)外眾多城市水體受污的根本緣故之一就是非點源污染導(dǎo)致的雨水徑流[1]，而中國非點源污染引起的水體環(huán)境質(zhì)量問題甚至已持比于點源污染[2]，以致其污染模型的研究已引起國內(nèi)外大量學(xué)者的重視[3]。從20世紀60年代起發(fā)展至今，城市非點源污染模型已耦合應(yīng)用到3S(GIS、RS、GPS)技術(shù)階段[4]，目前已陸續(xù)開發(fā)出 SWMM(Storm Water Management Model)、STORM、HSPF、InfoWorks CS、PCSWMM、MOUSE、HydroWorks 等模型[5]，其中SWMM因其良好通用性，在國內(nèi)外應(yīng)用最為廣泛(表1)。SWMM不僅可模擬某單場次或長期連續(xù)性降雨事件，還可模擬LID(低影響開發(fā))布設(shè)下對徑流水量削減及水質(zhì)調(diào)控效果[5]，并且可對不同氣象條件下的雨水徑流污染特性進行分析[6]。因此，SWMM已成為當(dāng)今城市非點源污染研究的典型模型[3]。圖1顯示了SWMM相關(guān)文獻計量分析結(jié)果——以“SWMM”為關(guān)鍵詞在數(shù)據(jù)庫中檢索得到的1983—2018年間CNKI和Elsevier收錄文獻篇數(shù)。

表1 部分雨洪管理模型對比

1 SWMM模型原理

SWMM開發(fā)于20世紀70年代，由美國環(huán)保署推出，歷經(jīng)40余年完善發(fā)展，目前最新版本已更新至SWMM5.1.013。此版本新增了LID去除污染物模擬，可設(shè)置去除污染物比例，使水質(zhì)模擬更符合實際工況。除水質(zhì)模塊外，SWMM更加側(cè)重于水文水力的模擬。

1.1 水文模擬

水文模塊主要模擬地表徑流的產(chǎn)生及轉(zhuǎn)輸，即產(chǎn)流和匯流。其中地表產(chǎn)流過程即凈雨形成過程；地表匯流過程是凈雨流經(jīng)子匯水區(qū)向出水口斷面或管網(wǎng)匯集過程。

產(chǎn)流計算前期根據(jù)每個集水區(qū)域中下墊面地表的透水性劃分子匯水區(qū)，將之分為透水區(qū)和不透水區(qū)(有洼蓄不透水區(qū)和無洼蓄不透水區(qū))。產(chǎn)流量根據(jù)下滲曲線扣損法得出，其值為降雨量減去總下滲量、蒸發(fā)量、洼地蓄水量；通過SWMM中土壤下滲模型(Horton下滲、Green-Ampt下滲及SCCS-CN下滲)確定下滲量。3種下滲模型對比見表2[7-10]。

表2 SWMM中3種下滲模型對比

匯流計算是將各子匯水區(qū)的雨水徑流量轉(zhuǎn)化為經(jīng)3個子流域(透水區(qū)、有洼蓄透水區(qū)、無洼蓄透水區(qū))產(chǎn)流演算后的出流量，利用非線性水庫模型模擬并求解圣維南方程[11]。SWMM模型中提供了Outlet、Impervious、Pervious 3種演算匯流方式；Huber通過對3種模式下徑流模擬結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)，Outlet與Impervious模式下區(qū)域地表徑流模擬結(jié)果相似，同比Pervious模式模擬結(jié)果偏大[12]；趙冬泉通過分析匯水區(qū)域尺度劃分與坡度高低倆因素對匯流模式與模擬結(jié)果影響發(fā)現(xiàn)，匯水區(qū)劃分越小，地表徑流模擬結(jié)果越大，坡度越大，3種匯流模式下的模擬結(jié)果差異性越小[13]。模型建立時，Outlet演算匯流模式被默認設(shè)置往往導(dǎo)致地表徑流與洪峰流量值的偏高[14]。因此，運用SWMM模型模擬城市降雨徑流分析時，應(yīng)根據(jù)匯水區(qū)不同土地利用格局設(shè)置合適的匯流演算模式。

1.2 水力模擬

水力模擬是雨水從檢查井到排放口過程中的管網(wǎng)匯流模擬，其計算主要采用水動力學(xué)法離散求解圣維南方程組[15]，SWMM將其簡化分為恒定流、動力波、運動波3種演算方法。恒定流法適用于流量簡單線性相加計算，要求流體是均勻恒定的，是一種假想的理想狀態(tài)，實際中很難達到[16]。恒定流計算經(jīng)歷了推理法、單位線法、等流時線、下滲曲線等各種方法，這些是傳統(tǒng)的雨洪模型計算方法，時至今日，中國普然使用的依然是推理公式法進行管渠設(shè)計。該方法雖適用于小型區(qū)域水力計算，但由于隱含假定帶來的設(shè)計缺陷導(dǎo)致管渠設(shè)計精度不高，尤其不適用于大型排水設(shè)計[17-18]。動力波法可模擬封閉管渠有壓流及一些復(fù)雜多變水流狀態(tài)，如管渠的調(diào)蓄、回水逆流、超載洪流等，其通過計算管渠的連續(xù)和動量方程以及節(jié)點的質(zhì)量守恒方程，可得理論精確解，但數(shù)值計算穩(wěn)定收斂性差，要求設(shè)定較小的時間步長[19](≤1min)。運動波法假設(shè)管渠中水面坡度即管道坡度，采用連續(xù)動量守恒方程模擬各個管渠中的水流量；雖可模擬管渠中水流狀態(tài)隨時間變化特性，但對有壓流、回水逆流、滯水等模擬有局限性，其穩(wěn)定性較好，精度稍差，僅支持模擬樹狀管網(wǎng)。對現(xiàn)有雨水管網(wǎng)系統(tǒng)而言，暴雨內(nèi)澇導(dǎo)致的管網(wǎng)有壓流，同時涉及到的下游水流的回水頂托作用等，非恒定流水力模擬技術(shù)方可為雨水管網(wǎng)服務(wù)性能評價提供基礎(chǔ)[18]。

1.3 水質(zhì)模擬

SWMM水質(zhì)模擬中主要包含污染物累積、沖刷、街道清掃及管網(wǎng)遷移衰減等過程，其中累積和沖刷兩過程確定雨水徑流中污染物濃度。污染物累積過程通過冪增長、指數(shù)增長、飽和增長以及外部時間序列四種不同積累函數(shù)模擬，都是以不同累積形式到達最大累積量，其值與降雨前干旱天數(shù)、污染物累積速率、下墊面性質(zhì)、街道清掃有關(guān)。污染物沖刷是降雨將晴天時積累污染物隨地表徑流進入管網(wǎng)的過程，通過指數(shù)函數(shù)、性能曲線函數(shù)和事件平均濃度來模擬，其中指數(shù)函數(shù)和性能曲線函數(shù)表示的沖刷量正比于徑流速率的C2次冪(C2即沖刷指數(shù))，事件平均濃度是C2為1時性能曲線函數(shù)的一種特殊形式[20]。街道清掃主要定期減少各個土地使用區(qū)域的特定污染物的積累。

SWMM模型中污染物的去除主要依靠LID模塊的調(diào)控。LID(低影響開發(fā))模塊是一種城市雨水管理理念，通過收集雨水，合理利用景觀空間，并采取相應(yīng)措施控制雨水徑流，以期減少城鎮(zhèn)非點源污染。常用的LID措施包括透水鋪裝、雨水花園、生物滯留設(shè)施、綠色屋頂、滲渠、植草溝等[21-24]。不同LID設(shè)施具體作用不同，適用于不同土地利用類型，部分LID設(shè)施功效比對信息見表3。

2 SWMM的應(yīng)用進展

鑒于SWMM強大的管網(wǎng)流量模擬能力及LID和水質(zhì)模擬功能，并且由于其軟件界面友好易于操作，SWMM現(xiàn)已在世界許多國家得到推廣和應(yīng)用，現(xiàn)在以下5個方面應(yīng)用最為廣泛。

a) 低影響開發(fā)(LID)的雨水控制效果和水質(zhì)調(diào)控模擬。Zahmatkesh等[25]對紐約市布朗克斯河流域城市雨水徑流的研究表明雖然氣候變化影響下歷史年徑流量的平均增長率約為48%，但LID布設(shè)下可使年徑流量平均減少41%并還能將峰值流速平均降低了8%～13%。Li等[26]通過對西安某地區(qū)設(shè)置不同比例(1%、2%、4%)雨水花園發(fā)現(xiàn)不同面積比下雨水花園大致表現(xiàn)出與降雨徑流及其污染的調(diào)控功能相同的趨勢，并發(fā)現(xiàn)在相同的降雨和面積比條件下，無排水設(shè)施的雨水花園(底部可滲透)的控制效果優(yōu)于具有排水設(shè)施的雨水花園(底部是不可滲透的)。王文亮等[27]通過運用SWMM對研究區(qū)域進行單次及連續(xù)降雨模擬表明LID設(shè)施可降低峰值流量及年徑流量，并可有效削減污染物。李霞等[28]運用SWMM對天津薊縣某區(qū)域進行LID組合鋪設(shè)(綠色屋頂、下凹式綠地和滲透路面 )，通過優(yōu)化前后雙模擬手段證實了LID技術(shù)對改善節(jié)點積水及管段滿流狀況的有效性。王雯雯等[29]對深圳光明新區(qū)開發(fā)前后進行了SWMM模擬，并增加了LID 設(shè)施 (下凹式綠地和透水鋪裝)，結(jié)果表明LID組合工況下可更好發(fā)揮雨水控流作用。

表3 LID設(shè)施功效比對

注：●——強;◎——較強;○——弱或很小。

b) 城市暴雨洪水模擬中的參數(shù)敏感性分析與識別。Janet等[30]運用SWMM于南加州某大型城市集水區(qū)，經(jīng)某復(fù)雜的優(yōu)化程序估計徑流參數(shù)并用十次降雨事件進行校準和驗證，結(jié)果表明不透水率和洼地蓄水深度是影響總徑流和峰值流量的最敏感參數(shù)，峰值流量的時間僅受曼寧系數(shù)的影響且影響很小。Muleta等[31]證實了UA(不確定性分析量化模型)對SWMM的靈敏度分析、校準、參數(shù)不確定性和總預(yù)測不確定性分析具有前景。董欣等[32]分別以最小二乘法偏差和污染物負荷及峰值濃度作為水文水利和水質(zhì)參數(shù)識別的目標函數(shù)，應(yīng)用HSY 算法和蒙特卡羅采樣方法識別驗證模型參數(shù)，指出了不透水地表徑流模型中 6個最敏感參數(shù)、水文水利擬合效果優(yōu)于水質(zhì)模擬。張靜等[33]運用SWMM結(jié)合城市不同功能區(qū)污染物累計和徑流樣本，分析得出適于地表徑流SWMM模型水質(zhì)模擬參數(shù)取值范圍，其結(jié)果與實測數(shù)據(jù)基本吻合。

c) 城市雨水徑流非點源污染特性分析及負荷估算。Li等[34]建立保定市非點源污染SWMM模型，利用實測數(shù)據(jù)與一維水質(zhì)模型分析了水污染特征及發(fā)展趨勢，結(jié)果表明，Pb，Zn，TN(總氮)和TP(總磷)的污染負荷約占總污染負荷的30%，并提出了降低保定非點源污染的有效手段。Ongley等[35]指出氮和磷是中國非點源污染的主要原因，各占水污染總量的81%和93%。Chang等[36]通過監(jiān)測臺灣兩個工業(yè)園區(qū)五場降雨事件來校準和驗證SWMM模型，確定了初期雨水?dāng)r截量與其相應(yīng)的年度NPS(非點源污染)負荷減少部分之間的關(guān)系。黃國如等[37]基于SWMM建立廣州城區(qū)降雨徑流非點源污染模型，分析3種典型下墊面(居住區(qū)、馬路、草地 )中污染物時空變化規(guī)律和降雨初期沖刷效應(yīng)，得出不同雨情下各下墊面中污染物負荷量。馬曉宇等[38]構(gòu)建溫州市典型居住區(qū)“本地化”SWMM模型，分析不同雨強下污染負荷值及負荷累計變化，結(jié)果表明，各污染物模擬值相對誤差小于10%，高強度降雨對受納水體可造成更大污染。

d) 城市雨水管網(wǎng)優(yōu)化改造中的應(yīng)用。Karamouz等[39]以德黑蘭都市區(qū)排水系統(tǒng)作為案例研究，提出了一種考慮人為和氣候變化影響的選擇BMP(最佳管理)以提高排水系統(tǒng)性能和處理城市山洪的可靠性的算法來應(yīng)用于城市地區(qū)的實時規(guī)劃。Pathirana等[40]以巴西案例為研究，通過開發(fā)二維排水模型與SWMM實現(xiàn)1-D / 2-D耦合來用于評估城市排水網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化規(guī)劃中的洪水災(zāi)害成本。馬俊花等[41]應(yīng)用某小區(qū)合流制排水管網(wǎng)進行SWMM模擬找出其主要溢流瓶頸節(jié)點，對管網(wǎng)優(yōu)化后二次模擬證實優(yōu)化改造有效性。陳利群等[42]通過在城市排水規(guī)劃設(shè)計中引入SWMM模型，分析其雨水計算排除原理并對比傳統(tǒng)方法找出異同點，提出適于雨水管網(wǎng)規(guī)劃的SWMM應(yīng)用步驟及降水方式。趙冬泉等[43]利用Huff方法生成多類降雨應(yīng)用于SWMM模型得出的差異性結(jié)果利于全面分析管網(wǎng)系統(tǒng)水流狀態(tài)，兩者結(jié)合的模擬研究方式為城市雨水管網(wǎng)運行評估提供技術(shù)支持。

e) SWMM與其他軟件模型耦合應(yīng)用。Barco等[44]將SWMM、GIS和約束優(yōu)化技術(shù)耦合應(yīng)用到南加州某大型城市區(qū)域模擬非點源污染，預(yù)測效果良好。羅福亮等[45]運用SWMM和MikeII水動力學(xué)模型模擬某區(qū)域降雨徑流及防洪排澇過程，計算結(jié)果合理可靠。胡亭等[46]利用Object ARX對CAD進行二次開發(fā)，在地形圖上快速拾取關(guān)鍵點坐標，于SWMM軟件中快速建模，提高效率。Sang等[47]結(jié)合SWMM與TANK模型特點建立SWMM-TANK模型用于大寧河流域水文模擬，組合模型簡單滿足精度要求?？梢妼WMM于其他軟件模型耦合應(yīng)用，拓展了研究范圍，促進SWMM良性發(fā)展。

3 SWMM在國內(nèi)應(yīng)用中存在問題及展望

SWMM軟件自開發(fā)伊始，經(jīng)過40余年研究發(fā)展，軟件自身功能已有很大改善，且相繼開發(fā)推出眾多衍生模型。SWMM因操作界面簡便、快捷的靈活性與良好區(qū)域通用性而廣泛應(yīng)用，但在國內(nèi)應(yīng)用中還存在以下局限性。

a) SWMM模型導(dǎo)入格式受限，只支持inp格式，不能將GIS或CAD的管網(wǎng)圖直接導(dǎo)入，增大建模前期區(qū)域圖件輸入工作量?？紤]到SWMM建模的復(fù)雜與枯燥性，應(yīng)加強與GIS耦合開發(fā)現(xiàn)狀和輸入模塊開源，使模擬過程與結(jié)果更加可視空間化。

b) 建模區(qū)域?qū)崟r數(shù)據(jù)缺乏嚴重，以致后期模型參數(shù)率定與驗證結(jié)果不理想，國內(nèi)部分地區(qū)SWMM模型所需數(shù)據(jù)可能需要研究人員花費大量精力、財力去獲得，導(dǎo)致模擬難以進行。加強全國或區(qū)域數(shù)據(jù)共享平臺建設(shè)，探討無資料情況下區(qū)域雨洪地表徑流模擬手段勢在必行。

c) SWMM應(yīng)用范圍主要集中于平原城市，在國內(nèi)山地城市喀斯特峰叢洼地等區(qū)域應(yīng)用較少缺乏典例，需加強此方面研究，為山區(qū)城市排水系統(tǒng)規(guī)劃提供有力依據(jù)。

d) SWMM模型僅能模擬不同土地下墊面性質(zhì)的面積比率變化對地表雨水徑流的水質(zhì)、水量影響，缺少土地使用類型改變前后對此影響。需結(jié)合用地現(xiàn)狀實際情況，對比分析用地詳細資料對初期模型進行修改驗證，開發(fā)關(guān)鍵源區(qū)識別功能，提高模擬精度。

4 結(jié)語

本文從SWMM結(jié)構(gòu)原理入手，梳理了SWMM的國內(nèi)外應(yīng)用現(xiàn)狀，包括主要應(yīng)用領(lǐng)域、優(yōu)勢及存在的局限性等，針對應(yīng)用局限性對SWMM的改進方向及領(lǐng)域拓展進行了展望。本文為深入了解SWMM運行機理提供了借鑒，為進一步深入開發(fā)模型、拓展領(lǐng)域應(yīng)用提供了新思路。