雨虹管理模型SWMM模型的原理分析綜述目錄TOC\o"1-3"\h\u7643雨虹管理模型SWMM模型的原理分析綜述 166541.1模型概述 1164531.2模型原理 1163971.2.1地表產(chǎn)流模型 2247821.2.2下滲模型 4303211.2.3地表及管網(wǎng)匯流模型 4模型概述SWMM即雨洪管理模型，是由美國環(huán)境保護(hù)署于1971年研發(fā)出的一種分布式水文模型ADDINNE.Ref.{59BD60B0-5CC0-4F55-96E7-F3FCCF8EB6B8}[23]。其主要被應(yīng)用于城市降雨徑流及水質(zhì)模擬，經(jīng)過近40年的發(fā)展，該模型最新版本為5.1版，目前該模型已經(jīng)實(shí)現(xiàn)高度可視化，操作相對便捷，還能與ArcGIS等其他強(qiáng)大的分析工具進(jìn)行耦合運(yùn)用，模擬城市的雨水井、排水管網(wǎng)、子匯水區(qū)域的分布狀況，并鏈接EXCEL進(jìn)行降雨序列的輸入。其模擬結(jié)果包括：對管段剖面水流狀況的動態(tài)過程、雨水檢查井溢流狀況、子匯水區(qū)匯流過程、水質(zhì)變化過程等，由于該模型開源且功能較為完善，在世界范圍內(nèi)被廣泛應(yīng)用。模型原理水文、水力過程模擬和水質(zhì)模擬是SWMM的主要功能。如REF_Ref24853\h圖STYLEREF1\s3.1所示，首先對子匯水面積進(jìn)行處理，將其分為透水區(qū)和不透水區(qū)，在此基礎(chǔ)上開始產(chǎn)流計算，這是徑流模擬過程的第一步。第二步是匯流計算，在模型中的雨量計模塊選擇降雨序列，使地表水產(chǎn)流，產(chǎn)流量輸入?yún)R流模塊即開始匯流計算。水力過程模擬主要指對排水管中水流運(yùn)動的模擬。SMWW模型中，管網(wǎng)匯流是基于恒定流、運(yùn)動波和動力波方程計算匯流量。水質(zhì)模擬是針對地表產(chǎn)匯流過程中的污染負(fù)荷進(jìn)行計算與評估。圖STYLEREF1\s3.SEQ圖\*ARABIC\s11SWMM模擬過程概化ADDINNE.Ref.{BE032F0D-6138-4115-A271-1A7C9B538D73}[23]地表產(chǎn)流模型凈雨形成過程即地表產(chǎn)流過程，作為分布式水文模型，SWMM模型在完成降雨序列輸入后，根據(jù)研究區(qū)域的下墊面性質(zhì)，將其進(jìn)行離散化。對于離散化后的各個子匯水區(qū)，SWMM采用非線性水庫模型完成產(chǎn)流模擬。對于整個研究區(qū)，總降雨量即總輸入水量；對某個子匯水區(qū)而言，其他子匯水區(qū)的出流量可充當(dāng)該子匯水區(qū)的部分入流；如REF_Ref23243\h圖STYLEREF1\s3.2所示，ds表示子匯水區(qū)單位面積的最大洼蓄量，其主要來自地形積水及植被截流。非線性水庫出流量主要有地表徑流、地表水蒸發(fā)和土壤下滲，當(dāng)且僅當(dāng)水深d超過ds時，才會出現(xiàn)地表徑流。圖STYLEREF1\s3.SEQ圖\*ARABIC\s12地表徑流概念示意圖ADDINNE.Ref.{1EC507C7-59EA-4BEE-A9CB-614DA52710F9}[23]非線性水庫模型要求各子匯水區(qū)下墊面類型一致，即洼蓄量和下滲形式固定，但在實(shí)際情況中，各子匯水區(qū)下墊面條件存在差異，導(dǎo)致不同位置的下滲情況不同。為保證模擬結(jié)果的合理性，SWMM根據(jù)子匯水區(qū)的下墊面類型，對其進(jìn)行進(jìn)一步劃分，將不透水區(qū)劃分為有洼蓄不透水區(qū)和無洼蓄不透水區(qū)，如REF_Ref19245\h圖STYLEREF1\s3.3所示。子匯水區(qū)子匯水區(qū)不透水區(qū)透水區(qū)有洼蓄不透水區(qū)無洼蓄不透水區(qū)圖STYLEREF1\s3.SEQ圖\*ARABIC\s13下墊面劃分ADDINNE.Ref.{415C99B3-1539-45E2-BE15-BD4B77B17413}[23]完成子匯水區(qū)域進(jìn)一步劃分后，對這3種下墊面類型分別計算地表產(chǎn)流，其求解方式是聯(lián)立曼寧方程和連續(xù)性方程，最后對各個類型下墊面的產(chǎn)流量進(jìn)行求和，得到全區(qū)出流量。各類型地表產(chǎn)流量計算公式如下：透水區(qū)域產(chǎn)流量透水區(qū)域產(chǎn)流量為降水量去除填洼量、土壤滲入量：R1=（i-f）(3.1)式中：R1為透水區(qū)域的產(chǎn)流量（mm）；i為降雨強(qiáng)度（mm/h）；f為入滲強(qiáng)度（mm/h）；?t為時間間隔（h有洼蓄不透水區(qū)產(chǎn)流量有洼蓄量不透水區(qū)產(chǎn)流量為降水量扣除洼蓄量：R2(3.2)式中，R2為有洼蓄量的不透水區(qū)域產(chǎn)流量（mm）；P為降雨量（mm）；D為洼蓄量（mm）無洼蓄量的不透水區(qū)域產(chǎn)流量無洼蓄量不透水區(qū)產(chǎn)流量為降水量扣除蒸發(fā)量：R3(3.3)式中，R3為無洼蓄量的不透水區(qū)域產(chǎn)流量（mm）；P為降雨量（mm）；E為蒸發(fā)量（mm）總產(chǎn)流量全流域的地表產(chǎn)流為各個子匯水區(qū)地表產(chǎn)流之和：R=i=1(3.4)式中，R為整個流域的地表產(chǎn)流（mm）；i為各個子匯水面積編號。下滲模型雨水經(jīng)地表進(jìn)入土壤孔隙并滲入地下的過程為下滲，本文選用Horton方法模擬研究區(qū)域的下滲過程。該模型基于經(jīng)驗觀測，其特征是雨水的下滲速率以指數(shù)形式衰減。其參數(shù)包括下滲衰減系數(shù)、下滲歷時、最大和最小下滲速率。計算公式如下：f=ft+（f(3.5)式中，f0為最大下滲速率（mm/h）；ft為最小下滲速率，即土壤飽和時的下滲速率（mm/h）；k為下滲衰減系數(shù)，指下滲速率隨時間變化的速率（1/h）；t為下滲歷時，指土壤從完全飽和狀態(tài)到完全干燥狀態(tài)經(jīng)歷的時間（h地表及管網(wǎng)匯流模型凈雨經(jīng)子匯水區(qū)匯集于出水口或管網(wǎng)的過程稱地表匯流。可通過水文學(xué)和水動力學(xué)角度進(jìn)行匯流模擬。水文模型如單位線法，作為“黑箱”模型，模型結(jié)構(gòu)較為簡單，但成因機(jī)制缺失。水動力模型主要為非線性運(yùn)動波法，通過求解圣維南方程組所建立的水動力模型。圣維南方程組由連續(xù)性方程和動量方程組成，它們基于以下基本假設(shè)ADDINNE.Ref.{3AEB4610-9BF9-4DD6-98C0-C817F6BA37E6}[24]：（1）整個過水?dāng)嗝娴牧魉倬鶆蚍植?，可取其平均值代替；?）河床坡度小，水壓力大致等同靜水壓力分布；（3）水流為一維，水面曲線近似水平狀。圣維南連續(xù)性方程為：?(3.6)圣維南動量方程為：?(3.7)式中，A為斷面面積（㎡）；Q為通過斷面的流量（m3）；t為過流時間（s）；x為水流方向；h為管道水深；S0為地表坡度；Sf為水流坡度；g為重力加速度（m2/s雨水經(jīng)過子匯水區(qū)的匯流過程后，將通過雨水檢查井進(jìn)入排水管網(wǎng)。SWMM將管網(wǎng)系統(tǒng)概化為節(jié)點(diǎn)和管線，SWMM提供了恒定流演算、運(yùn)動波演算及動態(tài)波演算三種方法計算管道水流運(yùn)