基于SWMM的城市排水系統虛擬仿真實驗教學設計

鄭劍鋒

摘? 要：為了提高城市排水管網課程教學效果，運用SWMM排水模型軟件，構建城市排水管網虛擬仿真實驗教學系統。在教學中，應用虛擬仿真實驗系統模擬不同降水條件下的城市地表產匯流過程，再現城市排水系統各單元的運行流程，達到了與真實實驗相同的教學效果。通過虛擬仿真實驗，學生掌握了SWMM模型原理和軟件基本操作，加深了對復雜的排水管網設計、計算、運行的理解，很大程度上激發了學生的學習興趣，而且提高了學生的工程實踐能力。

關鍵詞：城市排水管網系統? 虛擬仿真? 實驗教學? SWMM模型

中圖分類號：G642;TP242.2 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2021）07（b）-0167-04

Design of Virtual Simulation Experiment Teaching for Urban Drainage System Based on SWMM

ZHENG Jianfeng

（School of Environmental and Municipal Engineering， Tianjin Chengjian University， Tianjin， 300384 China）

Abstract： In order to improve the teaching effect of urban drainage network course， a virtual simulation experiment teaching system of urban drainage network is constructed by using SWMM drainage model software. In teaching， the virtual simulation experiment system is used to simulate the process of urban surface runoff and concentration under different precipitation conditions， reproduce the operation process of each unit of urban drainage system， and achieve the same teaching effect as the real experiment. Through the virtual simulation experiment， students master the principle of SWMM model and the basic operation of software， deepen their understanding of the design， calculation and operation of complex drainage pipe network， stimulate students' interest in learning to a great extent， and improve students' engineering practice ability.

Key Words： Urban sewerage system; Virtual simulation; Experiment teaching; SWMM

排水管網系統作為給排水科學與工程專業主干核心課，包括理論教學、實習和課程設計3個主要環節。目前傳統的“快排”城市排水模式，已逐漸轉變為“源頭分散控制”為主的海綿城市模式[1，2]，這拓寬了排水管網課程的內容，加大了課程的教學難度，給該課程的教學提出了新要求。城市排水系統設施眾多、形式多樣、水力計算復雜，傳統的教學方法無法呈現完整排水過程，學生只能看到排水管道、泵站等排水設施的外觀形態，卻對完整的城市排水管網系統及其運行的過程缺乏了解，學生難以將理論聯系到實際。通過虛擬仿真實驗，模擬不具備實驗條件或難以實現的真實實驗，達到與真實實驗相同的教學效果，且具有安全、可靠、經濟、操作靈活等優點[3]，是目前實驗教學的重要組成部分及熱點研究方向。

目前，InfoWorks ICM、Mike Urban等排水模型軟件已廣泛應用于城市排水系統模擬仿真和設計運行，但此類商業軟件因價格昂貴，限制了其在教學方面的應用。SWMM模型是由美國國家環保局開發的城市排水管理模型，該模型能夠實時模擬降雨過程中的產流、匯流、管道輸送、污染物累計和沖刷過程，是目前最常用的城市降雨-徑流-水質模型，廣泛應用于世界各國城市排水系統的規劃、設計與管理[4，5]。因其具有小巧、免費且源代碼公開的優點，非常適合應用于城市排水系統虛擬仿真實驗教學。為此，本文借助SWMM軟件實現城市排水管網系統虛擬仿真實驗，再現排水系統各單元的運行流程，仿真不同降水條件下的城市地表產匯流過程，從而加深學生對城市排水系統工作原理、水力計算、工程設計等知識的理解，提高學生的城市排水系統工程實踐與管理能力。

1? 虛擬仿真實驗平臺構建

1.1? 實驗目的

排水管網系統虛擬仿真實驗的目的在于解決排水管網系統課程理論知識“碎片化”與實踐教學“表面化”兩大難點問題，將課堂教學、傳統實踐教學和虛擬仿真教學有機結合（見圖1），具體如下。

（1）了解城市排水管網系統虛擬仿真建模技術的基本原理與方法。

（2）通過對匯水區域劃分與排水管網系統信息化處理方法的學習與實踐，從直觀上認識城市排水管網系統的整體構成及運行方式。

（3）通過模型參數率定和模型計算，進一步掌握排水管網系統的設計計算理論和方法。

（4）通過虛擬仿真實驗，掌握不同排水體制的特點，了解“海綿城市”的設計理念和雨水綜合利用的方式。

1.2 實驗平臺設計

實驗平臺構建包括4個主要步驟，分別為數據資料整理、模型概化、模型參數選取和模型參數率定與驗證（見圖2）。

1.2.1 數據資料整理

構建模型所需包括水文、下墊面、排水系統和邊界條件四種類型資料，具體見表1。

1.2.2 模型概化

根據建模區排水管網資料及SWMM模型配置要求，結合地形、土地利用狀況及管道走向等情況，對建模區進行子匯水區域劃分;根據建模區域雨水管網CAD圖和土地利用類型分布圖，利用GIS軟件獲取子匯水區數據，包括特征寬度、平均坡度、管長、管徑及節點高程。

1.2.3 模型參數選取

SWMM模型中參數分為確定參數和不確定參數兩類。確定參數可利用現有基礎數據獲得，如子匯水面積、管長、管徑、節點高程等，在建模中不需要率定;不確定參數是需要通過算法率定，或經過查閱相關資料、研究分析或經驗值法來確定，如入滲模型參數、曼寧粗糙系數等。

1.2.4 模型驗證

將輸入實際降雨數據輸入模型，計算獲得結果，通過與監測點實測數據的對比，驗證模型的可靠性，選用相對誤差作為評判標準。

（1）

式中，為實測洪峰流量;為模型計算得到的洪峰流量。

誤差允許范圍可按城市排水系統水力模擬應用規范[6]規定。若相對誤差在誤差允許范圍內，表明模型計算結果可靠，能用于虛擬仿真實驗;反之，重新調整參數，直至滿足精度要求。

2? 教學過程與考核

教學實驗主要包括實驗準備、虛擬實驗、實驗總結三大環節。根據實驗內容進行學生交互性操作設計，實驗設計環環相扣，若其中一步設計不合理，會對整個流程的操作產生影響。

2.1 實驗準備

實驗前期準備包括熟悉水文、管網、地形地貌等相關資料，閱讀實驗手冊、觀看引導視頻，掌握實驗原理、方法及操作步驟等。實驗預習知識點測試滿分10分，錯一個扣1分，成績低于6分為不合格，需重新學習，直至考核合格后方可進入下一環節。

2.2 實驗過程

選取三種國內最常見的排水模式作為虛擬仿真實驗情景，分別為直排模式（模式1）、直排+調蓄池排水模式（模式2）和海綿城市排水模式（模式3），將學生分為三組，每組學生選取一個排水模式進行虛擬仿真實驗。進一步進行參數的率定，該環節是虛擬仿真實驗的重點。子匯水區面積、節點高程、管長、管徑等參數不需要校準調整，要求學生根據所給資料通過統計計算獲取。入滲模型參數、曼寧粗糙系數等，要求學生通過算法校準，或是需要學生根據所學的理論知識，結合工程實踐經驗進行選取。根據參數選取的準確度計算出實驗操作得分。

2.3 實驗總結

給出實驗準備、實驗過程2個環節成績，實驗總結提交后由任課教師進行評分。三部分成績總和即為實驗課程總成績。考核系統具體考核內容、要求及評分細則見表2。進一步通過對3種模式的模擬結果分析和對比的講解，使學生深入了解實際中常見的3種排水模式的特點，掌握排水管網設計與運行管理的方法。

3? 結語

（1）排水管網系統模擬仿真實驗能夠模擬不同降雨下地表產匯流情況，可視化分析管網系統運行情況，讓學生直觀清楚地了解城市排水系統運行的完整過程;

（2）建立了城市排水系統運行虛擬仿真實驗教學平臺，對于城市給水、熱力等市政管網系統虛擬仿真實驗教學平臺的建設，具有一定參考價值;

（3）應用該實驗教學系統，不僅能使學生掌握SWMM排水模型原理和軟件基本操作，而且有利于深入透徹理解城市排水管網設計計算理論和方法，很大程度上提高了學生的學習興趣和工程實踐能力。

參考文獻

[1] PENG JING， YU LEI， CUI YANYU.Application of SWMM 5.1 in flood simulation of sponge airport facilities[J].Water Science and Technology，2020， 81（6）：1264-1272.

[2] 陳文杰. 城市洪澇水文水動力模型構建與洪澇管理關鍵問題研究[D].廣州：華南理工大學，2019.

[3] 田英，王興波，傅貴武，等.工程教育背景下智能制造虛擬仿真實驗教學平臺建設[J]. 中國設備工程， 2021.04 （上）：214-215.

[4] Yang Y， Chui TFM. Incorporating external green infrastructure models into storm water management model （SWMM） simulations using interface files [J]. Journal of the American Water Resources Association， 2020，56（6）： 1083-1093.

[5] Choo YeonMoon， Sim SangBo， Choe YeonWoong. A Study on Urban Inundation Using SWMM in Busan， Korea， Using Existing Dams and Artificial Underground Waterways [J]. Water， 2021， 13（12）：1708-1708.

[6] 張海行，張偉楊，文輝，等. 基于水力排水模型的寧波海綿試點區內澇風險評估[J]. 中國給水排水， 2020，36（12）： 8-13.