【《雨虹管理模型SWMM模型的原理分析综述》2100字】

雨虹管理模型SWMM模型的原理分析综述目录TOC\o"1-3"\h\u7643雨虹管理模型SWMM模型的原理分析综述 166541.1模型概述 1164531.2模型原理 1163971.2.1地表产流模型 2247821.2.2下渗模型 4303211.2.3地表及管网汇流模型 4模型概述SWMM即雨洪管理模型，是由美国环境保护署于1971年研发出的一种分布式水文模型ADDINNE.Ref.{59BD60B0-5CC0-4F55-96E7-F3FCCF8EB6B8}[23]。其主要被应用于城市降雨径流及水质模拟，经过近40年的发展，该模型最新版本为5.1版，目前该模型已经实现高度可视化，操作相对便捷，还能与ArcGIS等其他强大的分析工具进行耦合运用，模拟城市的雨水井、排水管网、子汇水区域的分布状况，并链接EXCEL进行降雨序列的输入。其模拟结果包括：对管段剖面水流状况的动态过程、雨水检查井溢流状况、子汇水区汇流过程、水质变化过程等，由于该模型开源且功能较为完善，在世界范围内被广泛应用。模型原理水文、水力过程模拟和水质模拟是SWMM的主要功能。如REF_Ref24853\h图STYLEREF1\s3.1所示，首先对子汇水面积进行处理，将其分为透水区和不透水区，在此基础上开始产流计算，这是径流模拟过程的第一步。第二步是汇流计算，在模型中的雨量计模块选择降雨序列，使地表水产流，产流量输入汇流模块即开始汇流计算。水力过程模拟主要指对排水管中水流运动的模拟。SMWW模型中，管网汇流是基于恒定流、运动波和动力波方程计算汇流量。水质模拟是针对地表产汇流过程中的污染负荷进行计算与评估。图STYLEREF1\s3.SEQ图\*ARABIC\s11SWMM模拟过程概化ADDINNE.Ref.{BE032F0D-6138-4115-A271-1A7C9B538D73}[23]地表产流模型净雨形成过程即地表产流过程，作为分布式水文模型，SWMM模型在完成降雨序列输入后，根据研究区域的下垫面性质，将其进行离散化。对于离散化后的各个子汇水区，SWMM采用非线性水库模型完成产流模拟。对于整个研究区，总降雨量即总输入水量；对某个子汇水区而言，其他子汇水区的出流量可充当该子汇水区的部分入流；如REF_Ref23243\h图STYLEREF1\s3.2所示，ds表示子汇水区单位面积的最大洼蓄量，其主要来自地形积水及植被截流。非线性水库出流量主要有地表径流、地表水蒸发和土壤下渗，当且仅当水深d超过ds时，才会出现地表径流。图STYLEREF1\s3.SEQ图\*ARABIC\s12地表径流概念示意图ADDINNE.Ref.{1EC507C7-59EA-4BEE-A9CB-614DA52710F9}[23]非线性水库模型要求各子汇水区下垫面类型一致，即洼蓄量和下渗形式固定，但在实际情况中，各子汇水区下垫面条件存在差异，导致不同位置的下渗情况不同。为保证模拟结果的合理性，SWMM根据子汇水区的下垫面类型，对其进行进一步划分，将不透水区划分为有洼蓄不透水区和无洼蓄不透水区，如REF_Ref19245\h图STYLEREF1\s3.3所示。子汇水区子汇水区不透水区透水区有洼蓄不透水区无洼蓄不透水区图STYLEREF1\s3.SEQ图\*ARABIC\s13下垫面划分ADDINNE.Ref.{415C99B3-1539-45E2-BE15-BD4B77B17413}[23]完成子汇水区域进一步划分后，对这3种下垫面类型分别计算地表产流，其求解方式是联立曼宁方程和连续性方程，最后对各个类型下垫面的产流量进行求和，得到全区出流量。各类型地表产流量计算公式如下：透水区域产流量透水区域产流量为降水量去除填洼量、土壤渗入量：R1=（i-f）(3.1)式中：R1为透水区域的产流量（mm）；i为降雨强度（mm/h）；f为入渗强度（mm/h）；∆t为时间间隔（h有洼蓄不透水区产流量有洼蓄量不透水区产流量为降水量扣除洼蓄量：R2(3.2)式中，R2为有洼蓄量的不透水区域产流量（mm）；P为降雨量（mm）；D为洼蓄量（mm）无洼蓄量的不透水区域产流量无洼蓄量不透水区产流量为降水量扣除蒸发量：R3(3.3)式中，R3为无洼蓄量的不透水区域产流量（mm）；P为降雨量（mm）；E为蒸发量（mm）总产流量全流域的地表产流为各个子汇水区地表产流之和：R=i=1(3.4)式中，R为整个流域的地表产流（mm）；i为各个子汇水面积编号。下渗模型雨水经地表进入土壤孔隙并渗入地下的过程为下渗，本文选用Horton方法模拟研究区域的下渗过程。该模型基于经验观测，其特征是雨水的下渗速率以指数形式衰减。其参数包括下渗衰减系数、下渗历时、最大和最小下渗速率。计算公式如下：f=ft+（f(3.5)式中，f0为最大下渗速率（mm/h）；ft为最小下渗速率，即土壤饱和时的下渗速率（mm/h）；k为下渗衰减系数，指下渗速率随时间变化的速率（1/h）；t为下渗历时，指土壤从完全饱和状态到完全干燥状态经历的时间（h地表及管网汇流模型净雨经子汇水区汇集于出水口或管网的过程称地表汇流。可通过水文学和水动力学角度进行汇流模拟。水文模型如单位线法，作为“黑箱”模型，模型结构较为简单，但成因机制缺失。水动力模型主要为非线性运动波法，通过求解圣维南方程组所建立的水动力模型。圣维南方程组由连续性方程和动量方程组成，它们基于以下基本假设ADDINNE.Ref.{3AEB4610-9BF9-4DD6-98C0-C817F6BA37E6}[24]：（1）整个过水断面的流速均匀分布，可取其平均值代替；（2）河床坡度小，水压力大致等同静水压力分布；（3）水流为一维，水面曲线近似水平状。圣维南连续性方程为：∂(3.6)圣维南动量方程为：∂(3.7)式中，A为断面面积（㎡）；Q为通过断面的流量（m³）；t为过流时间（s）；x为水流方向；h为管道水深；S0为地表坡度；Sf为水流坡度；g为重力加速度（m2/s雨水经过子汇水区的汇流过程后，将通过雨水检查井进入排水管网。SWMM将管网系统概化为节点和管线，SWMM提供了恒定流演算、运动波演算及动态波演算三种方法计算管道水流运