七步搭建水环境模型--以 SWMM 模型搭建为例

引言

最近在学习水环境数学模型，结合一些讲座和文献资料，总结了模型搭建的大体步骤，以小流域非点源污染模型为例，依次梳理具体步骤的大体工作。以后有机会再对关键步骤进行记录。
模型搭建分为三个阶段：准备阶段、构建阶段、应用阶段。
主要步骤共七步。

1. 问题识别及目标设置
2. 模型选择->模型原理
3. 基础资料获取
4. 模型网格划分->模型概化
5. 边界条件初始条件设置
6. 敏感性分析及参数率定
7. 模型应用及部署

详细流程图如下，灰色填充为核心步骤。

问题识别及目标设置

区域概况

模型评价区域为 D 流域源头区域，出境断面 W 为两省交界处，属于国控断面。流域面积 22 万平方公里，为农业区域，无工业及较大城镇。主河道总长约 9.2 km，河道比降 2.45‰，平均径流深 463.3 mm，平均径流深 463.3 mm，径流量约 1010 万方/年。

问题识别

流域及国控断面主要问题包括：

1. 流域面积小，水资源少，水环境容量小。
2. 堰坝多，枯水期几乎禁止，雨季流水不畅通
3. 农业面源广，降雨时空不均。
4. 国控断面水质达标压力大，主要污染指标 COD、高锰酸盐指数、氨氮。

模型目标

搭建流域非点源模型主要实现以下两个目标：
一是精准识别面源污染时空分布特征，便于决策者实施针对性的干预措施，减少污染物入河量，减缓季节性、异常天气及农业面源引起的水质恶化幅度。
二是实现闸坝开闭、调蓄水、人工湿地等 LID 措施的预测预演，为决策者制定管理措施提供依据。

模型选型及模型原理

实现上述模型目标有非常多的模型可以选择，比如 SWMM、SWAT、HSPF。这里不展开叙述，本文以 SWMM 模型为例进行阐述。
SWMM（Storm Water Management Model，暴雨洪水管理模型）是由美国环境保护署（U.S.EPA）于 1971 年开发并推广使用的一个动态降水-径流模拟模型， SWMM 模型可以跟踪模拟不同时间步长任意时刻每个子汇水区所产生径流的水质和水量。
SWMM 模型体积小、速度快、开源免费，且国内二次开发的人很多，学习成本相对较低。
目前城市排水管网设计、城市雨洪与污染模拟以及低影响开发等方面研究与应用中使用最为广泛的一款模型。
SWMM 模型功能模块及原理涉及内容较多，篇幅限制，本文不展开描述。

基础资料获取

在启动 SWMM 模型构建之前，首要任务是构建一个全面且精细的数据基础架构，以确保模型输入的准确性和可靠性。这一过程不仅涵盖数据的采集与预处理，还包括构建一个高效的数据管理系统，以为模型运行提供坚实的数据支撑。所需数据囊括了多个维度，具体包括但不限于：

子汇区划信息：明确流域内部的水文响应单元，为径流模拟奠定空间基础。

地形坡度与地貌数据：基于数字高程模型 (DEM) 获取，用以分析地形对水流方向和速度的影响。

土地利用分类：详细的土地利用地图，区分不同活动区域（如农业、住宅、工业、自然保护区等），对理解污染物来源至关重要。

河道与水系结构：流域内河流、沟渠、湖泊等水体的分布与连通性，直接影响水流路径。

气象参数：长期的降雨、温度、湿度等气象记录，用以模拟不同气候条件下的水文响应。

水文与水质监测数据：历史水位、流量、水质参数记录，用于模型校准与验证。

静态信息

1. 闸坝堰口（经纬度、坝低高程、坝高、坝宽、类型、出水孔径）
2. 人工湿地（几何中心经纬度，长度）
3. 净化塘（几何中心经纬度，有效容积，可用容积，所在河流）
4. 前置库（经纬度、面积、汇水量、状态、备注，所在河流）
5. 水库（经纬度、设计库容、当前库容、死库容、平均库容、水质）
6. 典型农田入河口（经纬度、面积、深度）

动态信息（时序数据）

1. 闸坝堰口（流量、水位、水质）
2. 人工湿地（水位、水质）
3. 前置库（水位、水质）
4. 水库（当前库容、水位、水质）
5. 典型农田入河口水质。
6. 实时降雨量及预测降雨量
   为了获取动态数据往往需要依靠物联监控设备，包括水质、水位、流量等数据。

模型概化

流域空间概化是将实际流域的地理信息转化为模型输入数据的过程，收集流域的地形图、土地利用图、DEM 等基础地理数据；通过 GIS 软件进行流域边界的确定和地形地貌的分析，识别流域内的高程、坡度、流向、特征宽度，计算径流系数；对土地利用进行分类，识别主要的水系网络，并简化排水系统；提取流域的关键特征参数，如流域面积和高程，并根据模型需求设定合适的空间分辨率；最后，将概化后的空间信息转换为模型输入所需的格式，并进行数据验证和备份，确保模型输入的准确性和一致性。

模型搭建

在 SWMM 模型搭建阶段，我们首先汇总并整理先前收集的流域内详尽数据，包括地形、土地利用、降雨、水文监测记录等，利用 GIS 技术完成流域的空间概化与子流域划分，并将这些数据集成至专为 SWMM 设计的数据库中。随后，基于流域特性和预处理数据，在 SWMM 上构建模型框架，细致设定子流域属性、管道网络、节点及出流条件等模型组件，并依据流域实际情况初步配置模型参数。

边界条件初始条件设置

边界条件

边界条件通常指模型计算区域边缘处的条件，对于 SWMM 模型而言，包括：
入口流量：上游河流或排水系统的流入量。
出口条件：下游边界可以设定为自由出口（允许水流无限制地流出），或者设定为水位控制的出口（如潮汐边界条件）。
降雨边界条件：包括降雨强度和持续时间，这通常是模型的输入数据之一。

初始条件设置

初始条件反映的是模型开始运行时系统状态，包括：
水库、水池水位：各水库或池塘的初始水位。
管道和节点状态：管道中的水量和节点水位等。
污染物浓度：各个部分的初始污染物浓度。

敏感性分析及参数率定

敏感性分析

敏感性分析用于评估模型输出对不同参数变化的反应程度，帮助确定哪些参数对模型结果的影响最大。在 SWMM 中，涉及以下参数：

• 降雨径流系数：影响径流产生和地面渗透。
• 截留曲线：描述雨水被植被和土壤截留的关系。
• 污染物负荷降级系数：影响非点源污染的模拟。

参数率定

SWMM 模型的率定是一个迭代且精细的过程，它涉及将模型在不同降雨事件下的预测输出与实际观测数据进行细致对比，以此来评估并优化模型参数。我们首先选取具有代表性的历史降雨期间的水文与水质观测记录作为校准基准，通过模型敏感性分析识别出对模拟结果影响最大的参数集合，如降雨径流转换参数、渗透系数、管道糙率等。随后，采用逐步逼近策略，可能结合自动化算法如遗传算法、粒子群优化或手动微调，反复调整这些关键参数，直到模型模拟的径流过程、峰值流量、污染物负荷与实测数据之间达到最佳拟合状态，确保模型的预测能力与现实情况高度契合，为流域水文模拟和污染控制策略提供可靠依据。

模型应用及部署

模型应用包括产出预测数据、决策指导、专题图等。

模型部署如果研究用不用考虑太多，随便弄个服务器就行，如果在政府事业单位应用需要考虑国产化方案，包括数据库、服务器、操作系统等等。

结语

以上只是对于 SWMM 水环境建模的一些粗浅思考记录，是一个小结也是一个开始，先了解整体流程，后续会对每个部分认真学习和记录，一起加油💪⛽️。

参考资料

• 第七届水环境模拟与预测学术论坛
• 基于 SWMM 模型肇兰新河哈尔滨段流域非点源污染研究
• 小小小 up 北京工业大学王昊 - ArcGIS 与 swmm 结合对城市管网进行建模

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