暴雨管理模型SWMM的应用现状

ＪＯＵＲＮＡＬＯＦＪＩＬＩＮＩＮＳＴＩＴＵＴＥＯＦＣＨＥＭＩＣＡＬＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ

吉　林　化　工　学　院　学　报

Ｖｏｌ.３５Ｎｏ.９Ｓｅｐ.　２０１８

　　文章编号:１００７￣２８５３(２０１８)０９￣００８４￣０４

暴雨管理模型ＳＷＭＭ的应用现状

１３００００)

(１.吉林建筑大学市政与环境工程学院ꎬ吉林长春１３０１１８ꎻ２.吉林省中盛设计咨询股份有限公司市政分院ꎬ吉林长春

王建辉１ꎬ辛思雨１ꎬ林　爽２ꎬ孙　凤１ꎬ张咪娜１ꎬ赵　鑫１

摘要:在海绵城市建设中ꎬ软件模拟发挥着重要作用.本文概述了ＳＷＭＭ软件的发展组成、对象参数以及在雨洪模拟和低影响开发两部分的应用现状.通过模拟预测暴雨径流对所研究区域的影响ꎬ仿真分析加入ＬＩＤ设施后水量、水质等问题ꎬ为海绵城市的发展建设提供了前期模拟具有重要的指导意义.关

键

词:ＳＷＭＭꎻ雨洪模拟ꎻ低影响开发

文献标志码:Ａ

ＤＯＩ:１０.１６０３９/ｊ.ｃｎｋｉ.ｃｎ２２－１２４９.２０１８.０９.０１９

中图分类号:Ｘ３２

　　国务院办公厅发布了«关于推进海绵城市的指导意见»国办发[２０１５]７５号文件ꎬ凸显了建设海绵城市的迫切性ꎬ为了更好的改善环境、调节气候、防灾防旱和维持水体循环[１].同时去年我国新凸显了城镇内涝这一问题的严峻性.因而暴雨径流的模拟显得尤为重要.ＳＷＭＭ作为一个分布式模型ꎬ即可连续且完整地模拟降雨径流的产生和运移过程ꎬ也可对合流和分流制排水管网以及自然排放的水量进行模拟[２].本文总结此软件在雨洪模拟和低影响开发方面的应用现状ꎬ以期更好的模拟分析内涝ꎬ进而提供合理的解决方案.颁布了«城镇内涝防治技术规范»ＧＢ５１２２￣２０１７ꎬ

及的对象及参数进行简述.１.１　ＳＷＭＭ模型的发展及组成

ＥＰＡ(ＵｎｉｔｅｄＳｔａｔｅｓＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌＰｒｏｔｅｃｔｉｏｎＡｇｅｎｃｙ)

ＳＷＭＭ(ＳｔｏｒｍＷａｔｅｒＭａｎａｇｅｍｅｎｔＭｏｄｅｌ)是由

在１９７１年初始开发的第一个综合性城市径流分析模型软件ꎬ多年来经过不断的升级和完善ꎬ目前已经开发到ＳＷＭＭ５.１[３].此版本具有较为优秀的操作界面和更为优化的处理功能[４].ＳＷＭＭ５.１软件模型结构有４个计算模块分别为:贮存处理模块、拓展输送模块、输送模块以及径流模块组成.软件可根据输入的土壤性状、降雨量以及土地利用等资料对城市雨水径流过程进行模拟ꎬ同时可输出任意断面的流量过程线及污染过程线[５].模型结构和模型流程[６]见图１、图２.

１　ＳＷＭＭ模型简介

主要对ＳＷＭＭ模型的发展组成、软件中所涉

图１　ＳＷＭＭ模型结构

１.２　ＳＷＭＭ模型对象

ＳＷＭＭ数学模型大致分为:降雨模型、产流

模型、汇流模型、管网水动力模型[７].可将ＳＷＭＭ

模型对象大致分为:水文、水力、水质、处理、数据

收稿日期:２０１８￣０３￣２９

基金项目:吉林省教育厅“十三五”科技项目(ＪＪＫＨ２０１７０２５０ＫＪ)

作者简介:王建辉(１９８０￣)ꎬ男ꎬ吉林长春人ꎬ吉林建筑大学副教授ꎬ博士ꎬ主要从事污水处理及资源化利用技术方面

的研究.

　　第９期王建辉ꎬ等:暴雨管理模型ＳＷＭＭ的应用现状　　８５　

对象[８].具体单元见图２、图３.

图２　ＳＷＭＭ数学模型示意图

图３　ＳＷＭＭ模型对象

１.３　ＳＷＭＭ模型参数

类是从城市规划部门、气象部门、现场勘察获得的

ＳＷＭＭ模型参数可以概括的分为两类:第一

实际数据ꎻ第二类是根据相关文献、模型手册、公式模拟获得的模拟优化数据ꎬ如表１所示.合理确定模型参数ꎬ对于运用乃至改进模型十分重要[９].

详细内容

表１　ＳＷＭＭ模型参数

类型实际数据

数据名称降雨数据地形情况下垫面数据管网数据

模拟优化数据

下渗模型数据产流模型数据水质模块数据

降雨强度ꎬ降雨历时ꎬ降雨量等.

地面高程ꎬ子汇水区面积大小ꎬ平均坡度ꎬ特征宽度等.土壤属性等.

各检查井ꎬ堰ꎬ泵站等的顶部高程、底部高程等ꎻ管径ꎬ管长ꎬ埋深ꎬ管底标高ꎬ管

线类型ꎬ出水口形状及尺寸等.

最大下渗率ꎬ衰减系数ꎬ最小下渗率等[１０].

子流域中不透水面积占比ꎬ透水和不透水面积上的粗糙系数以及洼地蓄水值ꎬ无洼地蓄水的不透水面积占比等[１１].

污染物初始浓度ꎬ衰减系数等ꎻ不同土地利用类型的最大积累量ꎬ速率常数ꎬ幂/饱和常数ꎬ冲刷系数ꎬ冲刷指数ꎬ清扫去除率等[１２].

２　ＳＷＭＭ应用现状

２.１　雨洪模拟方面

城市排水规划:何福力等人ꎬ从研究区域暴雨性质、下垫面状况以及排水管网系统建设这三方面ꎬ建立ＳＷＭＭ模型ꎬ对城市化的暴雨洪水变化过程和内涝产生的主要原因进行了全面的分析[１３].符锐等人基于ＳＷＭＭ模型ꎬ结合不同重现期降雨过程对研究区排水防涝系统进行模拟分析ꎬ分析在不同重现期设计暴雨下ꎬ排水管网的承

载能力、积水面积、易积水点、积水深度及积水时间等ꎬ并给出内满易发区缓解措施ꎬ以期对制定防汛抢险预案提供科学依据[１４].胡莎等人得出ꎬ由于水力计算的传统方法已难以应用到复杂河流水力计算中ꎬ故而运用ＳＷＭＭ来模拟计算城市河流的防洪排涝.结果表明ꎬ此方式具有高效率和高准确性[１５].

管网优化改造:陈睿星等人ꎬ针对研究区域排水能力不足这一问题ꎬ建立ＳＷＭＭ模型.通过对地表径流、检查井溢流和管道超载的分析ꎬ并结合研究区域管网现状及设计标准.得出通过模拟改

８６

吉　林　化　工　学　院　学　报　　２０１８年　　

变检查井底高程和增大管径对管网进行改造ꎬ改造后检查井个数与溢流情况得到明显改善.管网优化模拟前后不同降雨重现期检查井溢流模拟结果见表２[１６].

调蓄池研究:汪明明等人ꎬ从积水深度、范围、

内涝积水削减比例有重要影响[１７].邵泽岩等人采用传统公式法计算与ＳＷＷＭ软件模拟２种方法得到调蓄池有效容积ꎬ对２种方法的结果进行比较分析ꎬ结论为在低重现期下公式法计算值要大于软件模拟值ꎬ而在高重现期下则相反[１８].刘阳利用利用“芝加哥雨型”结合昆明地区的暴雨强度公式合成Ｐ＝０.２５ꎬＰ＝０.５ꎬＰ＝１的降雨序列ꎬ得到在设置调蓄池前后ꎬ排水系统溢流量的情况ꎬ如表３所示[１９].

时间和调蓄池造价、选取节点的重要性等５个方面ꎬ建立了ＳＷＭＭ模型.同时应用层次分析方法ꎬ建立量化评价体系ꎬ探讨了雨水系统调蓄池预选址方案的合理性.研究表明:调蓄池的位置选择对

表２　不同降雨重现期检查井溢流模拟结果

检查井溢流模拟结果溢流检查井总个数占检查并总数百分/％

总溢流量/ＷＬ最大溢流持续时间

０.５年一遇

４９５.９０１８２８.３１.０３

１年一遇优化前７３８.７８４５１１.２１.６１

２年一遇１１１１３.３６８４９９.３１.７４

设计暴雨重现期

０.５年一遇

１０１.２３５２.４０.８５

１年一遇优化后２５３.０１８１４.５１.０６

２年一遇４７５.６６２０３３.１１.１４

表３　设置调蓄池前后排水模拟结果

设置调蓄池前后排水模拟结果溢流污水量ＣＯＤ负荷的削减率

０.２５年一遇０.５年一遇１００％１００％

３３.３８％３５.４９％重现期

１年一遇２１.３２％２３.１％

人建立ＳＷＭＭ模型ꎬ采用三种ＬＩＤ布设方案分别为雨水花园、透水铺装、二者组合.在不同重现期下对现状、常规开发建设和低影响开发建设ꎬ这三种模式进行动态波模拟ꎬ得出低影响开发建设模式较其余两种模式的峰值流量和径流系数都要小ꎬ低影响开发设施对于雨洪控制效果方面ꎬ不同重现期下水文状态的模拟结构见表４[２０].

重现期Ｐ/ａ０.５７９０.６９００.５３３０.４８７０.３６９２.１０２.３４１.８７１.６５１.２３３

２.２　低影响开发方面

低影响开发下对雨洪的控制效果:官奕宏等

表４　不同重现期下水文状态的模拟结构

变量径流系数

模式现状建设模式常规开发模式加入雨水花园开发模式加入透水铺装开发模式加入组合ＬＩＤ开发模式

峰值流量

现状建设模式常规开发模式加入雨水花园开发模式加入透水铺装开发模式加入组合ＬＩＤ开发模式

１.５

２

５

１０

０.５３６０.６４５０.５１６０.４５６０.３４２０.８００.８８０.７１０.６３０.４６

０.５５６０.６７１０.５３８０.４７５０.３５６１.１７１.２８１.０２０.９１０.６７

０.５８４０.６９８０.５７１０.４９９０.３７８２.３９２.６８２.１４１.９０１.４１

０.５９４０.７１１０.５８６０.５０８０.３９１３.３２３.７８３.０２２.６７１.９９

　　影响开发下水质的影响分析:袁溪等人构建ＳＷＭＭ模型ꎬ研究单一ＬＩＤ设施下凹式绿地ꎬ发现其对常规污染物具有明显去除效果ꎬ削减效果[２１]见表５.同时模型结果与试验结果基本一致具有良好适用性ꎬ模型结果与试验结果对比[２１]见图４.

表５　下凹式绿地对污染物削减效果

污染物种类总增长地表径流剩余增长削减量/％

ＣＯＤ１６.３０２６.３４６９.９５６６１.０７

ＳＳ２４.３１７６.７５３１７.５６４７２.２３

ＴＮ４.０６５１.３７８２.６８７６６.１０

ＴＰ０.２４１０.０４１０.２０１８３.４０

　　第９期王建辉ꎬ等:暴雨管理模型ＳＷＭＭ的应用现状　　８７　

污染因子

图４　模型结果与试验结果对比

３　结　　论

ＳＷＭＭ作为一个较为成熟的模型ꎬ在水文、水

力和水质等方面已得到成功的应用.然而模型在应用过程中仍存在诸多问题如:地表产流过程过于简化ꎬ难以实现地表产汇流的精细化模拟ꎬ不能准确地反映不同类型下垫面的产汇流机理、模型构建过程复杂ꎬ步骤繁多、实时数据及基础数据较难获得等.相信在未来的开发设计中这些问题能够更好得到的优化ꎬ充分发挥其实用性、可靠性、灵活性.通过暴雨径流模拟可以预测研究区域潜在的雨水问题ꎬ找出症结所在为管网优化、排水规划提供思路ꎬ广泛运用到缓解城市内涝这一难题上ꎻ同时对拟建设的各类ＬＩＤ设施的功能性(对径流系数的改善、污染因子的削减等方面)进行模拟ꎬ对我国开展的海绵城市工作具有重要的指导意义.

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ＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎＳｔａｔｕｓｏｆＳｔｏｒｍＭａｎａｇｅｍｅｎｔＭｏｄｅｌＳＷＭＭ

ＷＡＮＧＪｉａｎ￣ｈｕｉ１ꎬＸＩＮＳｉ￣ｙｕ１ꎬＬＩＮＳｈｕａｎｇ２ꎬＳＵＮＦｅｎｇ１ꎬＺＨＡＮＧＭｉ￣ｎａ１ꎬＺＨＡＯＸｉｎ１

(１.ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＭｕｎｉｃｉｐａｌａｎｄＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬＪｉｌｉｎＪｉａｎｚｈｕＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙꎬＣｈａｎｇｃｈｕｎＣｉｔｙ１３０１１８ꎬＣｈｉｎａꎻ２.ＭｕｎｉｃｉｐａｌｂｒａｎｃｈꎬＪｉｌｉｎＰｒｏｖｉｎｃｅＺｈｏｎｇｓｈｅｎｇＤｅｓｉｇｎＣｏｎｓｕｌｔｉｎｇＣｏ.ＬＴＤ.ＣｈａｎｇｃｈｕｎＣｉｔｙ１３００００ꎬＣｈｉｎａ)

Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ｓｏｆｔｗａｒｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｐｌａｙｓａｎｉｍｐｏｒｔａｎｔｒｏｌｅｉｎｔｈｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｏｆｓｐｏｎｇｅｃｉｔｉｅｓ.ＴｈｉｓａｒｔｉｃｌｅｏｕｔｌｉｎｅｓｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎꎬｏｂｊｅｃｔｐａｒａｍｅｔｅｒｓａｎｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｔａｔｕｓｏｆＳＷＭＭｓｏｆｔｗａｒｅｉｎｔｈｅｔｗｏｐａｒｔｓｏｆｒａｉｎｆｌｏｏｄｓｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎｄｌｏｗｉｍｐａｃｔｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ.ＴｈｒｏｕｇｈｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｔｏｐｒｅｄｉｃｔｔｈｅｉｍｐａｃｔｏｆｓｔｏｒｍｗａｔｅｒｒｕｎｏｆｆｏｎｔｈｅｓｔｕｄｙａｒｅａꎬｓｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎａｌｙｓｉｓｏｆｔｈｅｗａｔｅｒｑｕａｎｔｉｔｙａｎｄｗａｔｅｒｑｕａｌｉｔｙａｆｔｅｒａｄｄｉｎｇＬＩＤｆａｃｉｌｉｔｉｅｓｈａｓｐｒｏｖｉｄｅｄｉｍｐｏｒｔａｎｔｇｕｉｄｉｎｇｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅｆｏｒｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｓｐｏｎｇｅｃｉｔｙ.Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ＳＷＭＭꎻｒａｉｎ￣ｆｌｏｏｄｓｉｍｕｌａｔｉｏｎꎻｌｏｗ￣ｉｍｐａｃｔｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ