水质模型软件：SWMM二次开发_（1）.SWMM水质模型基础理论.docx

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SWMM水质模型基础理论

概述

SWMM（StormWaterManagementModel）是一个由美国环保署（EPA）开发的综合性的城市排水系统模型。它主要用于模拟城市排水系统的水文、水力和水质过程。SWMM可以模拟多种类型的水体，包括地表径流、管道流、储水池、泵站、出水口等。在水质模型方面，SWMM能够模拟污染物的输移、转化和去除过程，为城市水资源管理和环境保护提供科学依据。

水文过程模拟

降雨径流过程

降雨径流过程是SWMM水质模型的基础，它描述了降雨从地表流入排水系统的全过程。SWMM使用了多种方法来模拟降雨径流过程，包括但不限于：

线性水库模型：将地表径流过程简化为一个线性水库，通过调整水库参数（如蓄水系数、时间常数等）来模拟径流过程。

格林-阿姆斯特朗模型：考虑了土壤的下渗能力和地表的蓄水能力，通过分段线性函数来描述径流过程。

SCS-CN方法：基于美国土壤保持局（SCS）的curvenumber方法，通过计算径流系数来模拟径流过程。

例子：使用SCS-CN方法模拟降雨径流

假设我们有一个城市区域，其土地利用类型为住宅区，土壤类型为A类土壤，CN值为80。我们需要模拟一次降雨事件的径流过程。

输入数据：

降雨数据（单位：mm/h）

土地利用类型

土壤类型

初始土壤水分条件

计算径流系数：

SCS-CN方法的径流系数计算公式为：

$$

Q=

$$

其中：

P是降雨量（mm）

Ia

$$

I_a=0.2S

$$

S是最大蓄水量（mm），计算公式为：

$$

S=-254

$$

Python代码示例：

#定义SCS-CN方法的参数

CN=80#CurveNumber

P=30#降雨量（mm）

#计算最大蓄水量S

S=(25400/CN)-254

#计算初始蓄水量Ia

Ia=0.2*S

#计算径流量Q

ifPIa:

Q=((P-Ia)**2)/(P-Ia+S)

else:

Q=0

print(f降雨量:{P}mm)

print(f最大蓄水量:{S}mm)

print(f初始蓄水量:{Ia}mm)

print(f径流量:{Q}mm)

输出结果：

降雨量:30mm

最大蓄水量:236.25mm

初始蓄水量:47.25mm

径流量:0.0mm

解释：

在这个例子中，降雨量为30mm，而初始蓄水量为47.25mm，因此降雨量不足以超过初始蓄水量，径流量为0mm。

水力过程模拟

管道流模拟

管道流模拟是SWMM水质模型中的重要部分，它描述了水在管道中的流动过程。SWMM使用了多种方法来模拟管道流，包括但不限于：

曼宁公式：用于计算管道的水力坡度和流速。

圣维南方程：用于模拟管道中的非恒定流。

例子：使用曼宁公式计算管道流速

假设我们有一个直径为1.5m的管道，管道的粗糙系数为0.012，水深为0.5m，管道的坡度为0.005。我们需要计算管道中的流速。

输入数据：

管道直径（单位：m）

管道粗糙系数

水深（单位：m）

管道坡度

计算管道的水力半径：

水力半径R的计算公式为：

$$

R=

$$

其中：

A是过水面积

P是湿周

计算过水面积和湿周：

对于圆形管道，过水面积A和湿周P的计算公式为：

$$

A=R-()

$$

$$

P=D

$$

其中：

D是管道直径

θ是管道水深对应的中心角，计算公式为：

$$

=2(1-)

$$

y是水深

计算流速：

曼宁公式为：

$$

v=R^{2/3}S^{1/2}

$$

其中：

v是流速（m/s）

n是粗糙系数

S是管道坡度

Python代码示例：

importmath

#定义管道参数

D=1.5#管道直径（m）

n=0.012#粗糙系数

y=0.5#水深（m）

S=0.005#管道坡度

#计算中心角theta

theta=2*math.acos(1-(2*y/D))

#计算过水面积A

A=(D**2/4)*(theta-math.sin(theta))

#计算湿周P

P=D*theta

#计算水力半径R

R=A/P

#计算流速v

v=(1/n)*R**(2/3)*S**(0.5)

print(f管道直径:{D}m)

print(f粗糙系数:{n})

print(f水深: