許 迪

（云南師范大學(xué)，云南昆明650092）

SWMM模型綜述

許 迪

（云南師范大學(xué)，云南昆明650092）

綜述了非點源污染模型的體系，對SWMM模型的原理進(jìn)行了闡述，如匯水單元產(chǎn)生徑流的模擬過程及其原理、污染物累積及沖刷過程的原理、輸移模塊的模擬原理等。概括了SWMM模型在國內(nèi)外的研究進(jìn)展和應(yīng)用。

SWMM模型；非點源污染；模型；綜述

水作為生活與生產(chǎn)的必需資源、公共衛(wèi)生的自然載體及生態(tài)環(huán)境的核心要素，對昆明市的可持續(xù)發(fā)展具有非常重要的意義。SWMM模型具有較高的精度，在防洪排澇、雨水排除系統(tǒng)維護(hù)、非點源污染控制等方面，通過建立降雨徑流模型來模擬流域降雨徑流和非點源污染物的輸移過程，可以提高相關(guān)工作的有效性和科學(xué)性。

1 非點源污染模型體系

1.1 非點源污染模型體系

非點源污染模型體系通常由4個子模塊組成：降雨徑流模擬模塊、輸移模擬模塊、污染物轉(zhuǎn)化模擬模塊以及水質(zhì)模擬模塊。自第一個將水文、侵蝕過程和非點源污染過程結(jié)合在一起的GREAMS模型發(fā)布以來，非點源污染負(fù)荷的模擬模型就歷經(jīng)了由簡單到復(fù)雜的發(fā)展過程，由較簡單的經(jīng)驗估計平均污染負(fù)荷發(fā)展到較復(fù)雜的機(jī)理分析。地理信息系統(tǒng)GIS也在不斷被開發(fā)，并廣泛應(yīng)用在非點源模型的早期數(shù)據(jù)準(zhǔn)備與處理之中，大大地提高了模型錄入數(shù)據(jù)的精度，同時縮短了數(shù)據(jù)分析的時間與成本，相對減少了人力物力的投入。根據(jù)研究深度來區(qū)分，可分為功能性模型與機(jī)理性模型兩種類型。

功能性模型主要是不考慮污染負(fù)荷的具體過程和內(nèi)在機(jī)理，只根據(jù)數(shù)據(jù)進(jìn)行輸入與輸出來構(gòu)建模型，可將其應(yīng)用在流域內(nèi)非點源污染負(fù)荷量的計算。在水質(zhì)、水文數(shù)據(jù)方面，需要提供例如降雨數(shù)據(jù)、坡度、坡率、植被覆蓋情況、土地利用類型、徑流數(shù)據(jù)以及土壤性質(zhì)等，進(jìn)而建立關(guān)系式。

機(jī)理性模型較復(fù)雜，是以具體過程、內(nèi)在機(jī)理數(shù)學(xué)模擬為基礎(chǔ)，根據(jù)研究區(qū)域建立非點源模型。以非點源污染負(fù)荷產(chǎn)生與變化的具體過程為主要框架，其中包含參數(shù)較多，包括產(chǎn)匯流、污染物輸移與轉(zhuǎn)化以及水質(zhì)等子模塊內(nèi)所需的各項參數(shù)。其特點是涉及中間過程及內(nèi)在機(jī)制，模型的處理與分析方法較為復(fù)雜，對于參數(shù)的量和數(shù)據(jù)的精度要求都相對較高，模型推廣使用時制約相對較少［1］。

1.2 國際上較為成熟的非點源模型

國際上較為成熟的非點源模型主要有：SWMM模擬模型、HSPF模擬模型、ANSWERS模擬模型、SWAT模擬模型、GWLF模擬模型、AGNPS模擬模型、CREAMS模擬模型。其中SWMM模型可詳細(xì)模擬水流在地表和管道中運動；HSPF模型可詳細(xì)模擬降雨產(chǎn)流的水流過程及水質(zhì)情況；ANSWERS模型可模擬徑流過程與泥沙的遷移過程；SWAT模型可模擬匯流與泥沙的輸移過程；GWLF模型結(jié)構(gòu)較為簡單，不能對次洪水過程進(jìn)行模擬；AGNPS模型可模擬土壤侵蝕過程以及侵蝕對水質(zhì)的影響；CREAMS模型可預(yù)報降雨及降雨均值。

1.3 SWMM模型的適用性分析

SWMM模型在模擬方面有比較強(qiáng)的適用性，可模擬流域內(nèi)非點源污染負(fù)荷的產(chǎn)生、累積、沖刷和輸移過程，以及在降雨條件下，地表的產(chǎn)流與匯流過程和管網(wǎng)溝渠中的輸送過程，主要體現(xiàn)在以下方面：

（1）SWMM模型的要求相對較低，錄入的數(shù)據(jù)與其他非點源污染負(fù)荷的模擬模型相比較，資料比較容易收集。

（2）SWMM是一款通用性能較好的模型，數(shù)據(jù)錄入的時間間隔可以是任意的，輸出的結(jié)果也可以是任意整數(shù)步長的，而對于區(qū)域面積來說是沒有限制的。

（3）SWMM模型在應(yīng)用方面相對靈活，可針對自然排放系統(tǒng)、合流制與分流制排水管網(wǎng)，進(jìn)行水質(zhì)水量的相關(guān)模擬與分析。

（4）SWMM模型具有完整性?？赏暾啬M分析非點源污染負(fù)荷的產(chǎn)生過程。在徑流子模塊中，不但可以模擬地表洼蓄的過程，還可以模擬下滲以及旱季的下滲能力恢復(fù)的過程，對研究區(qū)域的多種土地利用類型也有不同的模擬參數(shù)要求；在水質(zhì)子模塊中，不但可以模擬地表污染物的累積過程，還可以根據(jù)不同的土地利用類型模擬不同的污染物累積過程；在輸移子模塊中，不但可以模擬管網(wǎng)及溝渠中水流的運動過程，還可以模擬節(jié)點處水流的情況，簡單地模擬水流在管網(wǎng)及溝渠中的輸移過程。

（5）SWMM模型可計算分析徑流中的各個污染物的負(fù)荷量，主要包括：

①降雨條件下，沖刷地表的污染負(fù)荷量；

②在不同土地利用類型的地表條件下，旱季污染負(fù)荷的聚集量；

③降雨帶來的污染物；

④街道清掃去除的污染物；⑤旱季時地下水的入滲與節(jié)點處水流的匯入過程；⑥水流在排水管網(wǎng)與溝渠中的輸移過程模擬。

2 SWMM模型原理

2.1 SWMM模型簡介

美國環(huán)保局為了設(shè)計和管理城市暴雨研制了SWMM模擬模型，這是一種綜合性的數(shù)學(xué)模型，可以完整地模擬城市降雨徑流過程和污染物輸移過程。該模型可以根據(jù)輸入的數(shù)據(jù)與相關(guān)資料進(jìn)行歸納總結(jié)和分析，輸出各個斷面的流量與各污染物變化的過程線，可以用于規(guī)劃設(shè)計及實際操作等，是一款運用非常廣泛的暴雨徑流模擬與預(yù)報的應(yīng)用型模型。

2.2 匯水單元徑流模擬原理

2.2.1 地面產(chǎn)流模型原理

地面產(chǎn)流模型模擬的過程指經(jīng)過損失到積水的降雨過程，是根據(jù)不同土地利用類型及地面表層的產(chǎn)流情況，將研究區(qū)域劃分為各個匯水單元，根據(jù)各匯水單元的屬性計算各個匯水單元的徑流過程，并通過流量演算方法將各個匯水單元的出流過程結(jié)合起來。

滲透是從降雨到目前匯水單元非飽和土壤區(qū)域的過程，SWMM模型針對模擬滲透過程提供了以下三種選擇：

（1）Horton模型

Horton模型不反映土壤飽和與未飽和的下墊面情況，主要描述入滲率隨降雨時間變化的關(guān)系?；诮?jīng)驗觀察，這種方法是在長期降雨條件下，滲透率以指數(shù)的形式描述積水從最高值減少至最低值的滲透過程，需要先對研究區(qū)域的最大入滲率、最小入滲率、入滲衰減系數(shù)進(jìn)行確定，即描述下降速度隨著時間推移變化的程度，使完全飽和土壤完全恢復(fù)到干燥狀態(tài)的時間和最大入滲量的過程。

（2）Green－Ampt模型

該模型原理是假設(shè)土壤層中存在明顯變化的土壤界面，即不飽和的土壤地帶與飽和的地帶分離，雨水降到不飽和地帶表面開始入滲。需要輸入的參數(shù)主要包含土壤的初始濕度虧損值、土壤的水力傳輸速率、將前鋒濕潤的毛細(xì)水頭等。

（3）Curve Number模型

假設(shè)土壤的總滲透能力可以從土壤的列表曲線值中找到，在降雨情況中，該能力就作為累積降雨量和剩余容量間消耗過程的函數(shù)。對于這種方式輸入?yún)?shù)就是描述數(shù)量與時間，即土壤完全飽和到土壤完全干燥之間關(guān)系的曲線。這種方法選自于NRCS（SCS）曲線值法，此方式用于估算徑流。

2.2.2 地面匯流模型原理

匯流過程指的是降雨后各個匯水單元的積雨匯流到相應(yīng)節(jié)點的控制斷面或直接排入溝渠、河道的過程，公式如下：

式中：Q為出流率，m3／s；W為子匯水單元寬度，m；n為曼寧糙率系數(shù)；d為水深，m；dp為滯蓄的深度，m；S為子匯水單元坡度，m／m。

2.3 污染物累積與沖刷模擬原理

SWMM模型可以將同一個匯水單元區(qū)分為不同土地利用類型，如屋面、庭院、大棚、綠地、道路、農(nóng)田、池塘等，還可以劃分為不同的功能類型，如工業(yè)區(qū)、商業(yè)區(qū)、居民區(qū)等，根據(jù)不同的土地利用類型或不同的功能區(qū)定義地表污染物的累積模型和各個污染物的沖刷模型。

2.3.1 污染物累積模擬原理

SWMM模型可以通過線性或非線性的累積方式去模擬地表污染物的增長過程。

（1）Power Function—冪函數(shù)累積公式

污染物累積 （B）與時間成一定的冪函數(shù)關(guān)系，直到累積達(dá)到最大極限。

式中：C1為MAX累積量（單位面積的質(zhì)量）；C2為累積率常數(shù)；C3為時間指數(shù)。累積公式為線性是此公式出現(xiàn)的特殊情況，C3＝1。

（2）Exponential Function—指數(shù)函數(shù)累積公式污染物的累積過程與時間遵循著一定的指數(shù)函數(shù)關(guān)系，直至累積達(dá)到最大限度為止。

式中：C1為MAX累積量（單位面積的質(zhì)量）；C2為累積率常數(shù) （1／d）。

（3）Saturation Function—飽和函數(shù)累積公式

污染物累積與時間成飽和函數(shù)的關(guān)系，直至累積達(dá)到極限值為止。

式中：C1為MAX累積量（單位面積的質(zhì)量）；C2為半飽和常數(shù) （達(dá)到MAX累積量一半時的天數(shù)）。

2.3.2 污染物的沖刷過程模擬原理

沖刷過程指的是在徑流期地面表層被侵蝕及污染物質(zhì)的溶解過程。

（1）指數(shù)沖刷函數(shù)（ExponentialWashoff）

污染物的沖刷量 （W）以每小時的質(zhì)量為單位，與污染物累積量成正比，與徑流量成指數(shù)關(guān)系。

式中：C1是沖刷系數(shù)；C2是沖刷指數(shù)；q是單位面積的徑流速率（mm／h）；B為污染物的累積質(zhì)量，在這里指的是累積的總質(zhì)量 （不是每塊區(qū)域或是一定長度范圍內(nèi)），累積量和沖刷量的質(zhì)量單位與表達(dá)污染物濃度的單位一樣 （mg、μg或數(shù)量）。

（2）比例沖刷函數(shù)（Rating CurveWash off）

沖刷子模型表示的是污染物沖刷量與徑流量成正比，并按一定冪次上升。

式中：C1是沖刷系數(shù)；C2是沖刷指數(shù)；Q為徑流率 （用戶定義的流量單位）。

（3）平均濃度函數(shù)（Event Mean Concentration）

這是一種特殊的水量沖刷曲線，指數(shù)為1，表示每升含多少質(zhì)量的污染物。

式中：M為徑流全過程的某污染物總量，kg；V為相應(yīng)的徑流總體積，L。

要注意的是，每場累積過程中，當(dāng)沒有更多的累積量出現(xiàn)時，連續(xù)的消耗過程作為實際的沖刷量［2］。

2.4 輸移模塊模擬原理

雨水輸移模塊的基本元素包括雨水管道、溝渠、涵洞、蓄水池以及出水口等，輸移模塊將輸水系統(tǒng)概化為各個節(jié)點與管道相接連，而水流從溝渠或是管網(wǎng)的一個節(jié)點流往下一個節(jié)點，溝渠或是管網(wǎng)的特征參數(shù)值，包括高程、坡率、長度及流向等。SWMM模型中有兩種方式模擬不同復(fù)雜程度的非恒定水流運動，分別為運動波與動力波，即Kinematic Wave Routing與Dynamic Wave Routing。

（1）運動波模擬方法

運動波模擬表示的是隨著時間和空間的改變，管道內(nèi)水流和面積的變化過程。水流經(jīng)溝渠或管道的輸送后，流量的過程線 （在出水口處）會出現(xiàn)延遲及不同程度的削弱現(xiàn)象。只限于設(shè)計與計算樹狀管網(wǎng)。因采用的時間步長（5～15min）較大能保證穩(wěn)定的計算數(shù)值，尤其適用于長期的模擬。

（2）動力波模擬方法

動力波模擬方法描述的是水流受限情況下的回水現(xiàn)象，即管道下游因出水堰或者是出水孔調(diào)控所造成的回水現(xiàn)象。需采用較小的時間長度 （如≤1min的時間）來保持穩(wěn)定的計算數(shù)值，尤其適用于短期的模擬。

3 國內(nèi)外SWMM研究進(jìn)展及成果

3.1 國外SWMM研究進(jìn)展

SWMM是由美國環(huán)保局于1971年推出的，在世界各地獲得了廣泛的關(guān)注，為降雨徑流方面的研究提供了可靠的技術(shù)支持，并且應(yīng)用在面源污染負(fù)荷計算、城市防洪、雨洪調(diào)蓄、徑流計算、雨水利用等方面。1975年Marsalek J等人對美國3個流域內(nèi)的12場暴雨事件進(jìn)行研究，結(jié)果表明SWMM模型、TRRL模型和UCURM模型在典型小流域模擬中的結(jié)果與實測徑流較為接近［3］。2001年Zaghloul N A等人運用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)ANN對SWMM模型的參數(shù)敏感性進(jìn)行模擬分析研究［4］。同年Steven J Burian等運用SWMM模型對西班牙桑坦德市降雨徑流水質(zhì)進(jìn)行預(yù)測研究［5］。2002年P(guān)atrick L Brezonik等人對美國明尼蘇達(dá)州雙城大都會區(qū)域的暴雨徑流量、污染負(fù)荷量和污染物濃度進(jìn)行分析［6］。同年Sands R J等人對1999年8月26日曾發(fā)生的洪水淹沒紐約事件運用SWMM模型進(jìn)行了相關(guān)模擬分析［7］。

3.2 國內(nèi)SWMM研究進(jìn)展

國內(nèi)對于SWMM模型的研究雖然相對比較晚，但是發(fā)展迅速。2001年劉俊和徐向陽等人引進(jìn)了美國SWMM模型，并且以天津市區(qū)某二級河道為研究對象進(jìn)行了排澇模擬的實驗，計算出了市區(qū)內(nèi)相關(guān)的控制斷面出流的過程［8］。2006年任伯幟等人采用了SWMM模型對長沙市霞凝港區(qū)的3場降雨徑流過程進(jìn)行了模擬分析［9］。同年叢翔宇等人以SWMM模型為基礎(chǔ)，選取了北京市的典型小區(qū)，研究在不同的暴雨條件下，小區(qū)的排水情況，積水的問題以及形成道路坡面流等情況［10］。2008年黃卡等人，運用SWMM模型，結(jié)合廣州新白云機(jī)場的實際資料，率定各相關(guān)的參數(shù)［11］。同年董欣等人以城市不透水的地區(qū)為研究對象，運用SWMM模型進(jìn)行地表徑流模擬實驗，并對參數(shù)進(jìn)行識別與驗證［12］。趙冬泉等人基于地理信息系統(tǒng)利用SWMM模型對城市排水管網(wǎng)進(jìn)行構(gòu)建，并在澳門進(jìn)行應(yīng)用與案例分析［13］。2009年陳鑫等人運用SWMM模型對鄭州市區(qū)某區(qū)域進(jìn)行了模擬研究［14］。2010年黃卡應(yīng)用SWMM模型在南寧心圩江模擬設(shè)計洪水［15］。2012年馬曉宇等人以城市住宅區(qū)產(chǎn)生的非點源污染負(fù)荷為研究對象利用SWMM模型進(jìn)行了模擬計算［16］。

4 結(jié)語

SWMM模型可簡便快速地構(gòu)建流域內(nèi)較為復(fù)雜的管網(wǎng)模型，準(zhǔn)確提取排水管網(wǎng)及溝渠的空間結(jié)構(gòu)，提高了該模型預(yù)測與分析的準(zhǔn)確性。對后續(xù)的研究提供了可靠的數(shù)據(jù)支持，為模型的深入應(yīng)用與研究奠定了堅實的模擬實驗基礎(chǔ)。

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An Overview of Storm W ater M anagement M odel（SWMM）

XU Di
（Yunnan Normal University，Kunming Yunnan 650092 China）

The structures of some non－point sourcemodels were reviewed.The theories of Storm Water Management Model（SWMM）were presented covering the simulation process of runoff in water collecting unit，the principles of accumulation and washout of pollutants，the simulation module of scour and transport and so on.The advances and practices of SWMM at home and broad were summarized.

storm watermanagementmodel（SWMM）；non－point source pollution；model；overview

X52

A

1673－9655（2014）06－0023－04

2014－05－04