Жаңбыр суының ағыны мен жер асты суының модельдеуі (SWMM)

Кіріспе

Жаңбыр ағыны, жер асты ағыны симуляциялау моделі

Америка Құрама Штаттарының Қоршаған ортаны қорғау агенттігінің (EPA) Дауыл суларын басқару моделі (SWMM) – жаңбырдың динамикалық ағыны мен жер асты ағынын симуляциялайтын модель, ол жекелеген оқиғалардан бастап ұзақ мерзімді (үзділіссіз) симуляцияға дейін қолданылады. Бұл модель жаңбырдың ағып кетуін, булануын, сіңуін, жер асты суларының тамырлар, көшелер, шөптесін жерлер, жаңбыр бақтары, арықтар мен құбырларға қосылуын симуляциялай алады. SWMM-нің гидрологиялық бөлігі әрбір су жиналатын алаптан жауын-шашын, булану және сіңу арқылы болатын шығындардан ағып кету және ластаушы заттардың мөлшерін болжау үшін су өткізбейтін және су өткізетін аймақтарға бөлінген су жиналатын алаптар жиынтығында жұмыс істейді. Сонымен қатар, су жиналатын алаптардағы судың ағып кетуін азайту үшін төмен әсер ететін даму (LID) және суды басқарудың ең жақсы тәжірибелерін модельдеуге болады. SWMM-нің гидравликалық бөлімі осы суды және онымен байланысты су сапасының компоненттерін жабық құбырлар, ашық арналар, сақтау/тазарту құрылғылары, тоғандар, қоймалар, сорғылар, тесіктер, бөгеттер, шығыстар және басқа да реттегіштер жүйесі арқылы тасымалдайды. SWMM әрбір су жиналатын алапта пайда болған су ағынының мөлшері мен сапасын, әрбір құбыр мен арнадағы су ағынының жылдамдығын, тереңдігін және сапасын бірнеше тұрақты немесе өзгермелі уақыт кезеңдерінен тұратын симуляция кезеңінде қадағалайды. Су сапасының компоненттері, мысалы, судың сапасының компоненттері, су жиналатын алаптарда жинақталудан бастап, жуу арқылы гидравликалық желіге дейін, бірінші реттік ыдырау және байланысты ластаушы заттарды жою, суды басқарудың ең жақсы тәжірибесі және төмен әсер ететін даму (LID) арқылы тазарту және өңдеуді симуляциялауға болады. SWMM – EPA және басқа агенттіктер Солтүстік Америкада және консалтингтік фирмалар мен университеттер арқылы бүкіл әлемде кеңінен қолданған гидрологиялық көлік модельдерінің бірі. Соңғы жаңартулар мен жаңа мүмкіндіктерді EPA веб-сайтының жүктеу бөлімінен табуға болады. Жақында, 2015 жылдың қарашасында EPA SWMM 5.1 Гидрологиялық нұсқаулығы (I том) және 2016 жылы EPA SWMM 5.1 Гидравликалық нұсқаулығы (II том) және EPA SWMM 5.1 Су сапасы (LID модульдері қоса алғанда) (III том) + Errata қосылды.

The United States Environmental Protection Agency (EPA) Storm Water Management Model (SWMM) is a dynamic rainfall–runoff–subsurface runoff simulation model used for single event to long term (continuous) simulation of the surface/subsurface hydrology quantity and quality from primarily urban/suburban areas. It can simulate the rainfall runoff, runoff, evaporation, infiltration and groundwater connection for roots, streets, grassed areas, rain gardens and ditches and pipes, for example. The hydrology component of SWMM operates on a collection of subcatchment areas divided into impervious and pervious areas with and without depression storage to predict runoff and pollutant loads from precipitation, evaporation and infiltration losses from each of the subcatchment. Besides, low impact development (LID) and best management practice areas on the subcatchment can be modeled to reduce the impervious and pervious runoff. The routing or hydraulics section of SWMM transports this water and possible associated water quality constituents through a system of closed pipes, open channels, storage/treatment devices, ponds, storages, pumps, orifices, weirs, outlets, outfalls and other regulators. SWMM tracks the quantity and quality of the flow generated within each subcatchment, and the flow rate, flow depth, and quality of water in each pipe and channel during a simulation period composed of multiple fixed or variable time steps. The water quality constituents such as water quality constituents can be simulated from buildup on the subcatchments through washoff to a hydraulic network with optional first order decay and linked pollutant removal, best management practice and low impact development (LID) removal and treatment can be simulated at selected storage nodes. SWMM is one of the hydrology transport models which the EPA and other agencies have applied widely throughout North America and through consultants and universities throughout the world. The latest update notes and new features can be found on the EPA website in the download section. Recently added in November 2015 were the EPA SWMM 5.1 Hydrology Manual (Volume I) and in 2016 the EPA SWMM 5.1 Hydraulic Manual (Volume II) and EPA SWMM 5.1 Water Quality (including LID Modules) Volume (III) + Errata.

Тарих

SWMM алғаш рет 1969–1971 жылдар аралығында жасалды және сол жылдардан бері төрт маңызды жаңартутан өтті. Маңызды жаңартулар: (1) 1973–1975 жылдардағы 2-ші нұсқасы, (2) 1979–1981 жылдардағы 3-ші нұсқасы, (3) 1985–1988 жылдардағы 4-ші нұсқасы және (4) 2001–2004 жылдардағы 5-ші нұсқасы. Негізгі өзгерістер мен 2004 жылдан кейінгі өзгерістердің тізімі 1-кестеде көрсетілген. SWMM-нің қазіргі нұсқасы, 5.2.3 нұсқасы, C бағдарламалау тілінде бұрынғы Fortran нұсқаларының толық қайта жазылуы болып табылады және оны Windows XP, Windows Vista, Windows 7, Windows 8, Windows 10 және Unix жүйесінде қайта компиляция жасау арқылы іске қосуға болады. SWMM5 коды ашық және EPA веб-сайтынан жүктеуге болатын, жалпы қолданысқа арналған код болып табылады. EPA SWMM 5 су алабының кіріс деректерін өңдеуге, гидрологиялық, гидравликалық, нақты уақытты бақылау және су сапасын модельдеуге, сондай-ақ нәтижелерді әртүрлі графикалық форматтарда қарастыруға арналған біріктірілген графикалық ортаны ұсынады. Оларға түсті кодталған тақырыптық суару аймақтарының карталары, уақытқа қатысты графиктері мен кестелері, профильдік сызбалар, диаграммалар және статистикалық жиілік талдаулары кіреді. EPA SWMM-нің соңғы қайта жазылуын АҚШ Қоршаған ортаны қорғау агенттігінің Ұлттық тәуекелдерді басқару зерттеу зертханасының Сумен жабдықтау және су ресурстары бөлімі, Ынтымақтастық зерттеу және даму келісімі (CRADA) аясында CDM Inc консалтингтік фирмасының көмегімен жасады. SWMM 5 көптеген модельдеу пакеттері үшін есептеу қозғалтқышы ретінде қолданылады, сонымен қатар SWMM5 компоненттері басқа модельдеу пакеттерінде де бар. SWMM5 компоненттерінің барлығын немесе бір бөлігін пайдаланатын негізгі модельдеу пакеттері Өндірушілер бөлімінде көрсетілген. SWMM 5-тің бастапқы SWMM 5.0.001 нұсқасынан SWMM 5.2.3 нұсқасына дейінгі жаңарту тарихын EPA веб-сайтынан табуға болады. SWMM 5 2005 жылдың мамыр айында FEMA Model Approval Page сайтында мақұлданды, FEMA Approval Page SWMM 5 Version 5.0.005 (мамыр 2005) нұсқасы және NFIP модельдеуі үшін мақұлданған нұсқалар туралы ескертулер бар. SWMM 5 көптеген модельдеу пакеттері үшін есептеу қозғалтқышы ретінде қолданылады (осы мақалада SWMM 5 платформасы бөлімін қараңыз) және SWMM5-тің кейбір компоненттері басқа модельдеу пакеттерінде бар (осы мақалада SWMM 5 жеткізуші бөлімін қараңыз). + 1-кесте. EPASWMM тарихы Шығарылған күні Нұсқалары Дамытушылар FEMA мақұлдауы LID бақылауы Басты шығарылым 08/07/2023 SWMM 5.2.4 EPA Иә Иә 03/03/2023 SWMM 5.2.3 EPA Иә Иә 12/01/2022 SWMM 5.2.2 EPA Иә Иә 08/11/2022 SWMM 5.2.1 EPA Иә Иә 02/01/2022 SWMM 5.2 EPA Иә Иә Иә 07/20/2020 SWMM 5.1.015 EPA Иә Иә 02/18/2020 SWMM 5.1.014 EPA Иә Иә Иә 08/09/2018 SWMM 5.1.013 EPA Иә Иә Иә 03/14/2017 SWMM 5.1.012 EPA Иә Иә Иә 08/22/2016 SWMM 5.1.011 EPA Иә Иә Иә 08/20/2015 SWMM 5.1.010 EPA Иә Иә Иә 04/30/2015 SWMM 5.1.009 EPA Иә Иә Иә 04/17/2015 SWMM 5.1.008 EPA Иә Иә 10/09/2014 SWMM 5.1.007 EPA Иә Иә 06/02/2014 SWMM 5.1.006 EPA Иә Иә 03/27/2014 SWMM 5.1.001 EPA Иә Иә 04/21/2011 SWMM 5.0.022 EPA Иә Иә 08/20/2010 SWMM 5.0.019 EPA Иә Иә 03/19/2008 SWMM 5.0.013 EPA Иә Иә 08/17/2005 SWMM 5.0.005 EPA, CDM Иә Жоқ 11/30/2004 SWMM 5.0.004 EPA, CDM Жоқ Жоқ 11/25/2004 SWMM 5.0.003 EPA, CDM Жоқ Жоқ 10/26/2004 SWMM 5.0.001 EPA, CDM Жоқ Жоқ 2001–2004 SWMM5 EPA, CDM Жоқ Жоқ 1988–2004 SWMM4 UF, OSU, CDM Жоқ Жоқ 1981–1988 SWMM3 UF, CDM Жоқ Жоқ 1975–1981 SWMM2 UF Жоқ Жоқ 1969–1971 SWMM1 UF, CDM, M&E Жоқ Жоқ

SWMM was first developed between 1969–1971 and has undergone four major upgrades since those years. The major upgrades were: (1) Version 2 in 1973 1975, (2) Version 3 in 1979 1981, (3) Version 4 in 1985 1988 and (4) Version 5 in 2001 2004. A list of the major changes and post 2004 changes are shown in Table 1. The current SWMM edition, Version 5.2.3, is a complete re write of the previous Fortran releases in the programming language C, and it can be run under Windows XP, Windows Vista, Windows 7, Windows 8, Windows 10 and also with a recompilation under Unix. The code for SWMM5 is open source and public domain code that can be downloaded from the EPA website. EPA SWMM 5 provides an integrated graphical environment for editing watershed input data, running hydrologic, hydraulic, real time control and water quality simulations, and viewing the results in a variety of graphical formats. These include color coded thematic drainage area maps, time series graphs and tables, profile plots, scatter plots and statistical frequency analyses. The last rewrite of EPA SWMM was produced by the Water Supply and Water Resources Division of the U. S. Environmental Protection Agency's National Risk Management Research Laboratory with assistance from the consulting firm of CDM Inc under a Cooperative Research and Development Agreement (CRADA). SWMM 5 is used as the computational engine for many modeling packages plus components of SWMM5 are in other modeling packages. The major modeling packages that use all or some of the SWMM5 components are shown in the Vendor section. The update history of SWMM 5 from the original SWMM 5.0.001 to the current version SWMM 5.2.3 can be found at the EPA website. SWMM 5 was approved FEMA Model Approval Page in May 2005, with a note about the versions that are approved on the FEMA Approval Page SWMM 5 Version 5.0.005 (May 2005) and up for NFIP modeling. SWMM 5 is used as the computational engine for many modeling packages (see the SWMM 5 Platform Section of this article) and some components of SWMM5 are in other modeling packages (see the SWMM 5 Vendor Section of this article). + Table 1. EPASWMM History Release Date Versions Developers FEMA Approval LID Controls Major Release 08/07/2023 SWMM 5.2.4 EPA Yes Yes 03/03/2023 SWMM 5.2.3 EPA Yes Yes 12/01/2022 SWMM 5.2.2 EPA Yes Yes 08/11/2022 SWMM 5.2.1 EPA Yes Yes 02/01/2022 SWMM 5.2 EPA Yes Yes Yes 07/20/2020 SWMM 5.1.015 EPA Yes Yes 02/18/2020 SWMM 5.1.014 EPA Yes Yes Yes 08/09/2018 SWMM 5.1.013 EPA Yes Yes Yes 03/14/2017 SWMM 5.1.012 EPA Yes Yes Yes 08/22/2016 SWMM 5.1.011 EPA Yes Yes Yes 08/20/2015 SWMM 5.1.010 EPA Yes Yes Yes 04/30/2015 SWMM 5.1.009 EPA Yes Yes Yes 04/17/2015 SWMM 5.1.008 EPA Yes Yes 10/09/2014 SWMM 5.1.007 EPA Yes Yes 06/02/2014 SWMM 5.1.006 EPA Yes Yes 03/27/2014 SWMM 5.1.001 EPA Yes Yes 04/21/2011 SWMM 5.0.022 EPA Yes Yes 08/20/2010 SWMM 5.0.019 EPA Yes Yes 03/19/2008 SWMM 5.0.013 EPA Yes Yes 08/17/2005 SWMM 5.0.005 EPA, CDM Yes No 11/30/2004 SWMM 5.0.004 EPA, CDM No No 11/25/2004 SWMM 5.0.003 EPA, CDM No No 10/26/2004 SWMM 5.0.001 EPA, CDM No No 2001–2004 SWMM5 EPA, CDM No No 1988–2004 SWMM4 UF, OSU, CDM No No 1981–1988 SWMM3 UF, CDM No No 1975–1981 SWMM2 UF No No 1969–1971 SWMM1 UF, CDM, M&E No No

SWMM тұжырымдамалық моделі

SWMM су бұру жүйесін бірнеше негізгі экологиялық бөлімдер арасындағы су және материал ағындарының тізбегі ретінде қарастырады. Бұл бөлімдер мен олардағы SWMM нысандары мыналарды қамтиды: Атмосфералық бөлім, одан жауын-шашын түсіп, ластаушылар жер беті бөліміне шөгіп түседі. SWMM жүйеге жауын-шашынның кіріс деректерін көрсету үшін Rain Gage нысандарын пайдаланады. Жаңбыр өлшегіш нысандары уақыт қатарларын, сыртқы мәтіндік файлдарды немесе NOAA жауын-шашын деректері файлдарын қолдана алады. Жаңбыр өлшегіш нысандары мыңдаған жылдар бойы жауын-шашын деректерін пайдалана алады. SWMM CAT Addon-ды SWMM5-ке қосу арқылы климаттың өзгеруін өзгертілген температура, булану немесе жауын-шашын арқылы модельдеуге болады. Жер беті бөлімі, бір немесе бірнеше субұйымдық нысандармен бейнеленеді. Ол атмосфералық бөлімнен жаңбыр немесе қар түрінде жауын алады; ол жер асты сулары бөліміне сіңу арқылы, сондай-ақ жер бетінен ағып кету және ластаушы заттарды тасымалдау бөліміне жіберу арқылы шығыс береді. Тәуелсіз әсер ететін даму (LID) басқарулары субұйымдардың бөлігі болып табылады және ағып кетуді сақтайды, сіңіреді немесе буландырады. Жер асты сулары бөлімі жер беті бөлімінен сіңген су алады және осы ағынның бір бөлігін тасымалдау бөліміне жібереді. Бұл бөлім аквифер нысандарын пайдаланып модельделеді. Тасымалдау бөліміне қосылу арналардағы статикалық шекара немесе динамикалық тереңдік болуы мүмкін. Тасымалдау бөліміндегі сіңу және булану процестері де ескеріледі. Тасымалдау бөлімі суды ағынды жерлерге немесе тазарту қондырғыларына тасымалдайтын тасымалдау элементтерінің (каналдар, құбырлар, сорғылар және реттегіштер) және сақтау/өңдеу құрылғыларынан тұрады. Бұл бөлімге кіретін ағындар жер бетінен ағып кетуден, жер асты суларының аралық ағынынан, санитарлық құрғақ ауа райы ағынынан немесе пайдаланушы анықтаған гидрографтардан болуы мүмкін. Тасымалдау бөлімінің құрауыштар модельдеу үшін Node және Link нысандары қолданылады. Барлық бөлімдер міндетті түрде нақты SWMM моделінде болуы қажет емес. Мысалы, тек тасымалдау бөлімін, алдын ала анықталған гидрографтарды кіріс ретінде пайдаланып модельдеуге болады. Егер кинематикалық толқын маршруты қолданылса, онда түйіндерге шығыс қажет емес.

SWMM conceptualizes a drainage system as a series of water and material flows between several major environmental compartments. These compartments and the SWMM objects they contain include:

The atmosphere compartment, from which precipitation falls and pollutants are deposited onto the land surface compartment. SWMM uses Rain Gage objects to represent rainfall inputs to the system. The rain gage objects can use time series, external text files or NOAA rainfall data files. The Rain Gage objects can use precipitation for thousands of years. Using the SWMM CAT Addon to SWMM5 climate change can now be simulated using modified temperature, evaporation or rainfall. The Land Surface compartment, which is represented by one or more subcatchment objects. It receives precipitation from the Atmospheric compartment in the form of rain or snow; it sends outflow in the form of infiltration to the groundwater compartment and also as surface runoff and pollutant loadings to the Transport compartment. The low impact development (LID) controls are part of the subcatchments and store, infiltrate or evaporate the runoff. The groundwater compartment receives infiltration from the Land Surface compartment and transfers a portion of this inflow to the transport compartment. This compartment is modeled using aquifer objects. The connection to the Transport compartment can be either a static boundary or a dynamic depth in the channels. The links in the Transport compartment now also have seepage and evaporation. The transport compartment contains a network of conveyance elements (channels, pipes, pumps, and regulators) and storage/treatment units that transport water to outfalls or to treatment facilities. Inflows to this compartment can come from surface runoff, groundwater interflow, sanitary dry weather flow, or from user defined hydrographs. The components of the Transport compartment are modeled with Node and Link objects. Not all compartments need to appear in a particular SWMM model. For example, one could model just the transport compartment, using pre defined hydrographs as inputs. If kinematic wave routing is used, then the nodes do not need to contain an outfall.

Үлгі параметрлері

Су жиналатын алаптар үшін модельдің параметрлері: беттік тегіршіктік, су жиналатын ойыстар, еңіс, ағын жолының ұзындығы; Инфильтрация үшін: Хортон: максималды және минималды жылдамдықтар, ыдырау тұрақтысы; Грин-Ампт: гидравликалық өткізгіштік, бастапқы ылғал тапшылығы және сору күші; Көгеріс коэффициенті: NRCS (SCS) Көгеріс коэффициенті; Барлығы: толысқан топырақтың толық кебу уақыты; Арналар үшін: Маннингтің тегіршіктік коэффициенті; Су сапасы үшін: жинақтау/шаю функциясының коэффициенттері, бірінші реттік ыдырау коэффициенттері, жою теңдеулері. Зерттеу аймағын кез келген санда жеке су жиналатын алаптарға бөлуге болады, олардың әрқайсысы бір нүктеге ағызылады. Зерттеу аймақтарының көлемі бір жеке учаскенің кішкентай бөлігінен мыңдаған акрға дейін жете алады. SWMM сағаттық немесе одан да жиі жауын-шашын деректерін қолданады және жеке оқиғалар үшін немесе кез келген жылдар саны үшін үздіксіз режимде жұмыс істей алады.

Классикалық инфильтрациялық әдіс

Бұл әдіс инфильтрацияның ұзақ жауын-шашын кезінде бастапқы ең жоғары деңгейден белгілі бір ең төменгі деңгейге дейін экспоненциалды түрде төмендейтінін көрсететін эмпирикалық байқауларға негізделген. Бұл әдіс үшін қажетті кіріс параметрлеріне инфильтрацияның ең жоғары және ең төменгі жылдамдықтары, жылдамдықтың уақыт өте қаншалықты тез төмендейтінін сипаттайтын ыдырау коэффициенті, сондай-ақ толығымен суға қаныққан топырақтың толығымен кебуіне кеткен уақыт (құрғақ кезде инфильтрация жылдамдығының қалпына келуін есептеу үшін қолданылады) жатады.

Модификацияланған Хортон әдісі

Бұл классикалық Хортон әдісінің өңделген нұсқасы, ол ең төменгі деңгейден артық жиынтық инфильтрацияны күй айнымалысы ретінде пайдаланады (Хортон қисығы бойынша уақыттың орнына), нәтижесінде жауын-шашын қарқыны төмен болғанда инфильтрацияны дәлірек бағалауға мүмкіндік береді. Ол дәстүрлі Хортон әдісіндегідей бірдей кіріс параметрлерін қолданады.

GreenAmpt әдісі

Инфильтрацияны модельдеудің бұл әдісі топырақ бағанында анық сулы шекара бар деп есептейді, ол төмендегі бастапқы ылғалдылығы бар топырақты жоғарыдағы қаныққан топырақтан ажыратады. Қажетті кіріс параметрлері – топырақтың бастапқы ылғал тапшылығы, топырақтың гидравликалық өткізгіштігі және сулы шекарадағы сору күші. Құрғақ кездердегі ылғал тапшылығының толықтылу жылдамдығы гидравликалық өткізгіштікпен тәжірибелік байланыста болады.

Бағыттама параметрлері

Тұрақты ағынды маршрутизация мүмкін болатын маршрутизацияның ең қарапайым түрін білдіреді (іс жүзінде маршрутизация жоқ), әрбір есептеулік уақыт кезеңінде ағын біркелкі және тұрақты деп есептейді. Осылайша, ол тек құбырдың бастапқы нүктесіндегі ағыс гидрографтарын соңғы нүктесіне ауыстырады, ешқандай кешігусіз немесе пішінін өзгертпейді. Ағындылық жылдамдығын ағындылық ауданымен (немесе тереңдігімен) байланыстыру үшін қалыпты ағыс теңдеуі қолданылады. Бұл маршрутизация түрі арнадағы сақталуды, судың артта қалуын, кіру/шығу шығындарын, ағынның кері айналуын немесе қысыммен ағынды ескере алмайды. Оны тек тармақты тасымалдау желілерімен ғана пайдалануға болады, онда әр түйінде тек бір шығыс байланысы болады (түйін бөлгіш болмаса, онда екі шығыс байланысы қажет). Бұл маршрутизация түрі қолданылған уақыт қадамына сезімтал емес және ұзақ мерзімді үздіксіз модельдеуді қолдана отырып, тек алдын ала талдау үшін ғана жарамды. Кинематикалық толқын маршрутизациясы әр құбырдағы үздіксіздік теңдеуін және импульс теңдеуінің қарапайым түрін шешеді. Соңғысы су бетінің еңістігі құбырдың еңістігіне тең болуын талап етеді. Құбыр арқылы тасымалданатын ең үлкен ағын толық қалыпты ағындылық мәніне тең. Кіру түйініне кіретін осыдан артық ағын жүйеден жоғалады немесе кіру түйінінің үстінде жиналып, сыйымдылық пайда болған кезде құбырға қайта енгізілуі мүмкін. Кинематикалық толқын маршрутизациясы ағын мен аумақтың құбыр ішінде кеңістікте және уақытта өзгеруіне мүмкіндік береді. Бұл ағын су арнасы арқылы маршрутизацияланған кезде, ағынның әлсіреуіне және кешігуіне әкелуі мүмкін. Алайда, маршрутизацияның бұл түрі судың артта қалуын, кіру/шығу шығындарын, ағынның кері айналуын немесе қысыммен ағынды ескермейді және тармақты желілердің орналасуымен шектеледі. Әдетте ол 1-5 минут аралығындағы орташа үлкен уақыт қадамдарымен сандық тұрақтылықты сақтай алады. Егер жоғарыда аталған әсерлер маңызды болмаса, онда бұл балама дәл және тиімді маршрутизация әдісі болуы мүмкін, әсіресе ұзақ мерзімді модельдеу үшін. Динамикалық толқын маршрутизациясы толық бір өлшемді Сен-Венан ағыны теңдеулерін шешеді, сондықтан теориялық тұрғыдан ең дәл нәтижелерді береді. Бұл теңдеулер құбырлар үшін үздіксіздік және импульс теңдеулерінен және түйіндердегі көлемдік үздіксіздік теңдеуінен тұрады. Бұл маршрутизация түрінде жабық құбыр толған кезде қысыммен ағынды бейнелеуге болады, сондықтан ағын толық қалыпты ағынды мәнінен асып түсуі мүмкін. Су тасқыны түйіндегі су тереңдігі ең үлкен тереңдіктен асып кеткенде пайда болады және артық ағын жүйеден жоғалады немесе түйіннің үстіндегі тоғанға түсіп, су бұру жүйесіне қайта кіреді. Динамикалық толқын маршрутизациясы арнадағы сақталуды, судың артта қалуын, кіру/шығу шығындарын, ағынның кері айналуын және қысыммен ағынды ескере алады. Бұл жүйе түйіндердегі су деңгейі мен құбырлардағы ағынды біріктіретіндіктен, оны кез келген жалпы желілік орналасуға, тіпті бірнеше төменгі ағыстағы бұрылыстар мен циклдерді қамтитын желілерге қолдануға болады. Бұл - ағын төменгі ағыны шектеліп, бөгеттер мен тесіктер арқылы ағынын реттеу арқылы маңызды судың артқа кетуіне ұшырайтын жүйелер үшін таңдалған әдіс. Бұл жалпылау бір минут немесе одан аз уақыт аралығында әлдеқайда кіші уақыт қадамдарын қолданудың бағасына келеді (SWMM сандық тұрақтылықты сақтау үшін қажеттілік бойынша пайдаланушы анықтаған ең жоғары уақыт қадамын автоматты түрде азайта алады).

Steady flow routing represents the simplest type of routing possible (actually no routing) by assuming that within each computational time step flow is uniform and steady. Thus it simply translates inflow hydrographs at the upstream end of the conduit to the downstream end, with no delay or change in shape. The normal flow equation is used to relate flow rate to flow area (or depth). This type of routing cannot account for channel storage, backwater effects, entrance/exit losses, flow reversal or pressurized flow. It can only be used with dendritic conveyance networks, where each node has only a single outflow link (unless the node is a divider in which case two outflow links are required). This form of routing is insensitive to the time step employed and is really only appropriate for preliminary analysis using long term continuous simulations. Kinematic wave routing solves the continuity equation along with a simplified form of the momentum equation in each conduit. The latter requires that the slope of the water surface equal the slope of the conduit. The maximum flow that can be conveyed through a conduit is the full normal flow value. Any flow in excess of this entering the inlet node is either lost from the system or can pond atop the inlet node and be re introduced into the conduit as capacity becomes available. Kinematic wave routing allows flow and area to vary both spatially and temporally within a conduit. This can result in attenuated and delayed outflow hydrographs as inflow is routed through the channel. However this form of routing cannot account for backwater effects, entrance/exit losses, flow reversal, or pressurized flow, and is also restricted to dendritic network layouts. It can usually maintain numerical stability with moderately large time steps, on the order of 1 to 5 minutes. If the aforementioned effects are not expected to be significant then this alternative can be an accurate and efficient routing method, especially for long term simulations. Dynamic wave routing solves the complete one dimensional Saint Venant flow equations and therefore produces the most theoretically accurate results. These equations consist of the continuity and momentum equations for conduits and a volume continuity equation at nodes. With this form of routing it is possible to represent pressurized flow when a closed conduit becomes full, such that flows can exceed the full normal flow value. Flooding occurs when the water depth at a node exceeds the maximum available depth, and the excess flow is either lost from the system or can pond atop the node and re enter the drainage system. Dynamic wave routing can account for channel storage, backwater, entrance/exit losses, flow reversal, and pressurized flow. Because it couples together the solution for both water levels at nodes and flow in conduits it can be applied to any general network layout, even those containing multiple downstream diversions and loops. It is the method of choice for systems subjected to significant backwater effects due to downstream flow restrictions and with flow regulation via weirs and orifices. This generality comes at a price of having to use much smaller time steps, on the order of a minute or less (SWMM can automatically reduce the user defined maximum time step as needed to maintain numerical stability).

Интегралды гидрология/гидравлика

SWMM 5 жобасының маңызды жетістіктерінің бірі – қалалық және қала маңындағы жер асты ағындарын дренаж желісінің гидравликалық есептеулерімен интеграциялау болды. Бұл жетістік SWMM-нің бұрынғы нұсқаларындағы жеке жер асты гидрологиялық және гидравликалық есептеулерге қарағанда зор жетістік болып табылады, себебі ол модельдеушіге нақты ашық арна/жер асты сулы қабат ортасында физикалық түрде болатын өзара әрекеттесулерді тұжырымдамалық түрде модельдеуге мүмкіндік береді. SWMM 5 сандық қозғалтқышы жер бетіндегі ағынды суды, жер асты гидрологиясын есептейді және ылғалды немесе құрғақ гидрологиялық уақыт қадамында ағымдағы климаттық деректерді анықтайды. Желідегі сілтемелер, түйіндер, басқару ережелері және шекаралық шарттарға арналған гидравликалық есептеулер гидрологиялық уақыт қадамында интерполяциялық әдістерді және модельделген гидрологиялық бастапқы және соңғы мәндерді пайдалану арқылы тұрақты немесе өзгермелі уақыт қадамында есептеледі. SWMM 5.1.007 нұсқасынан жоғарырақ SWMM 5 нұсқалары модельдеушіге жауын-шашын, температура және булануды ай сайынғы түзетулер арқылы жаһандық түрде өзгерту арқылы климаттық өзгерістерді модельдеуге мүмкіндік береді. Бұл интеграцияның мысалы – SWMM 4-тегі әртүрлі SWMM 4 сілтеме түрлерін ағып кету, тасымалдау және Extran блоктарынан SWMM 5-тегі жабық құбыр және ашық арна сілтеме түрлерінің біріктірілген тобына және түйіндердің жиынтығына біріктіру (2-сурет). SWMM құбырлар, арналар, сақтау/тазалау құрылғылары және бұру құрылымдарынан тұратын дренаж желісі арқылы ағынды суды және сыртқы ағындыларды бағыттауға арналған гидравликалық модельдеу мүмкіндіктерінің икемді жиынтығын қамтиды. Оларға мыналар кіреді: шексіз көлемдегі дренаж желілерін басқару; стандартты жабық және ашық құбырлардың кең ауқымын, сондай-ақ табиғи арналарды пайдалану; сақтау/тазалау құрылғылары, ағынды бөліктер, сорғылар, бөгеттер және саңылаулар сияқты арнайы элементтерді модельдеу; сыртқы ағындыларды және су сапасының деректерін (жер бетіндегі ағынды су, жер асты суларының аралас ағыны, жаңбырға тәуелді сіңіру/ағын, құрғақ ауа райының санитарлық ағыны және пайдаланушы анықтаған ағындылар) пайдалану; кинематикалық толқын немесе толық динамикалық толқын ағынын бағыттау әдістерін пайдалану; артық су, қосымша зарядтау, кері ағын және беткі тоған сияқты әртүрлі ағын режимдерін модельдеу; сорғылардың, тесіктердің ашылуын және бөгеттердің жоғарғы деңгейін симуляциялау үшін пайдаланушы анықтаған динамикалық басқару ережелерін қолдану; сіңген судың жер асты сулары қабаттарына ағып кетуі; жер асты сулары мен дренаж жүйесі арасындағы аралас ағын; құрлық ағынының сызықтық емес резервуарлық бағыты; LID басқару арқылы ағынды судың азайтылуы. Бұл бағалаулар жергілікті топырақ жағдайларына, жер жамылғысына және тарихи жаңбыр деректеріне негізделген. Калькулятор таңдалған жердің топырағы, топографиясы, жаңбыр мөлшері және булануы туралы мәліметтер бар бірнеше ұлттық деректер базасына қол жеткізеді. Пайдаланушы жердің жер жамылғысы туралы ақпаратты береді және олар жер бетінде қолданатын төмен әсерлі даму (LID) басқару түрлерін таңдайды. SWMM 5.1.013-тегі LID басқару ерекшеліктеріне жасыл инфрақұрылым түрлерінің ішінде келесілер кіреді: StreetPlanter: Биоретенциялық жасушалар – шағылдырғыш дренаж төсегінің үстіне орналастырылған инженерлік топырақ қоспасында өсірілген өсімдіктерді қамтитын депрессиялар. Олар тікелей жаңбырды және қоршаған аумақтардан жиналған суды сақтау, сіңіру және булануды қамтамасыз етеді. Көшелік плантаторлар – өсімдіктердің өсуін қамтамасыз ететін инженерлік топырақпен толтырылған бетон қораптар. Жер астында қосымша орындықтар бар. Өсімдік отырғызудың қабырғалары топырақ төбесінен 3-12 дюймге дейін созылады, бұл бөлменің ішінде тоған жасауға мүмкіндік береді. Топырақ өсіру ортасының қалыңдығы 6 дюймнен 24 дюймге дейін, ал қиыршық тас төсектерінің тереңдігі 6 дюймнен 18 дюймге дейін. Өсімдіктің тұтқындалу қатынасы – оның ауданы мен оның ағып кетуін тұтқындаған өткізбейтін аумақтың арақатынасы. RainGarden: Жаңбыр бақтары – биологиялық ұстап тұру жасушасының бір түрі, ол тек инженерлік топырақ қабатынан тұрады, оның астында қиыршық тас жоқ. Жаңбыр бақтары – өсімдіктердің өсуін қамтамасыз ететін инженерлік топырақ қоспасымен толтырылған жасыл ойықтар. Олар көбінесе жеке үйлердің жаңбыр суын жинау үшін қолданылады. Типик топырақ тереңдігі 6 дюймнен 18 дюймге дейін. Тұтқындалу қатынасы – жаңбыр бағының ауданы мен оған ағып түсетін өткізбейтін аумақтың арақатынасы. GreenRoof: Жасыл шатырлар – биологиялық ұстап тұру жасушасының тағы бір түрі, олар артық сіңген жаңбырды шатырдан шығаратын арнайы дренаж төсемі бар топырақ қабатынан тұрады. Жасыл шатырлар (сондай-ақ өсімдік шатырлар) – шатыр беттеріне орналастырылған биоретенциялық жүйелер, олар жаңбыр суын уақытша сақтайды және өсімдіктердің сіңіруі үшін суды ұстап тұрады, сонымен қатар шатыр бетінде тоғанның пайда болуын болдырмайды. Өсімдік өсіру ортасы үшін қолданылатын қалыңдық әдетте 3-6 дюймді құрайды. InfilTrench: сіңіру траншеялары – жоғары жатқан өткізбейтін аумақтардан ағып түсетін суды ұстап алатын қиыршық таспен толтырылған тар жоталар. Олар жиналған ағынды суды сақтау көлемін және төмендегі жергілікті топыраққа сіңіру үшін қосымша уақытты қамтамасыз етеді. PermPave немесе өткізбейтін төсемдер: Ұзындығы бар өткізбейтін төсем жүйелері қиыршық таспен толтырылған және кеуекті бетон немесе асфальт қоспасымен төселген қазылған аумақтар болып табылады. Ұзындығы бар өткізбейтін төсем жүйелері қиыршық таспен толтырылған және кеуекті бетон немесе асфальт қоспасымен төселген қазылған аумақтар болып табылады. Модульдік блок жүйелері ұқсас, бірақ өткізбейтін блок төсемдер қолданылады. Әдетте, барлық жаңбыр суы дереу төсем арқылы төмендегі қиыршық тас сақтау қабатына өтеді, онда ол жердің жергілікті топырағына табиғи жылдамдықпен сіңе алады. Төсем қабаттарының биіктігі әдетте 4-6 дюймды құрайды, ал қиыршық тас сақтау қабатының биіктігі әдетте 6-18 дюймды құрайды. Тұтқындалу қатынасы – өңделген аумақтың (көше немесе тұрақ) қанша пайызы өткізбейтін төсеммен ауыстырылғаны. Cistern: Жаңбыр жинағыштары (немесе цистерналар) – жаңбырлы оқиғалар кезінде шатырдан ағып түсетін суды жинап, құрғақ кезеңдерде оны босатуға немесе қайта пайдалануға болатын контейнерлер. Жаңбыр жинау жүйелері шатырлардан ағып түсетін суды жинап, оны цистерна резервуарына жеткізеді, онда оны ішуге жарамсыз суды пайдалану және жерде сіңіру үшін пайдалануға болады. Жүйе әрбір 1000 шаршы фут шатыр ауданына белгілі бір мөлшердегі цистерналардан тұрады деп есептеледі. Әрбір цистернадан алынатын су тұрақты жылдамдықпен алынады және толығымен жерде тұтынылады немесе сіңіріледі деп есептеледі. VegSwale: Өсімдіктермен жасылдандырылған жоталар – шөбі және басқа өсімдіктермен жабылған еңісті беттері бар арналар немесе ойыстар. Олар жиналған ағынды судың жылдамдығын баяулатады және оған төмендегі жергілікті топыраққа сіңіру үшін көбірек уақыт береді. Сіңіру бассейндері – жасыл шөп немесе басқа табиғи өсімдіктермен толтырылған және жақын аумақтардан ағып түсетін суды жинап, топыраққа сіңіруге мүмкіндік беретін жасыл ойықтар. Жабық тоғандар көбінесе су сапасын жақсарту, жер асты суларын толықтыру, су тасқынынан қорғау, эстетикалық жақсарту немесе осылардың кез келген комбинациясы үшін қолданылады. Кейде олар орманның немесе басқа табиғи процестің табиғи сіңіруін ауыстырады, ол аумақ дамыған кезде жойылды. Осылайша, бұл құрылымдар аудандармен үйлесімді болу үшін жоспарланған және олар ыңғайлылық ретінде қарастырылады. Құрғақ тоғандар дауылдан кейін суды уақытша сақтайды, бірақ ақырында төмендегі су нысанына бақыланатын жылдамдықпен босатады. Құм сүзгіштері әдетте ағынды су сапасын бақылайды, өте шектеулі ағын жылдамдығын бақылайды. Типик құм сүзгіш жүйесі екі немесе үш камерадан немесе бассейндерден тұрады. Біріншісі – шұбатырларды және ауыр шөгінділерді жоятын шөгінді камерасы. Екіншісі – ағынды суды құм төсегі арқылы сүзіп қосымша ластағыштарды жоятын сүзілу камерасы. Үшіншісі – шығару камерасы. Сіңіру траншеясы – дауылды су ағынын басқаруға, су тасқыны мен төмендегі эрозияны болдырмауға және жақын жердегі өзеннің, ағынның, көлдің немесе шығанақтың су сапасын жақсартуға қолданылатын ең жақсы басқару тәсілінің (BMP) бір түрі. Бұл қиыршық тас немесе ұсақталған таспен толтырылған және суды басқаруға арналған тар қазылған жота.

One of the great advances in SWMM 5 was the integration of urban/suburban subsurface flow with the hydraulic computations of the drainage network. This advance is a tremendous improvement over the separate subsurface hydrologic and hydraulic computations of the previous versions of SWMM because it allows the modeler to conceptually model the same interactions that occur physically in the real open channel/shallow aquifer environment. The SWMM 5 numerical engine calculates the surface runoff, subsurface hydrology and assigns the current climate data at either the wet or dry hydrologic time step. The hydraulic calculations for the links, nodes, control rules and boundary conditions of the network are then computed at either a fixed or variable time step within the hydrologic time step by using interpolation routines and the simulated hydrologic starting and ending values. The versions of SWMM 5 greater than SWMM 5.1.007 allow the modeler to simulate climate changes by globally changing the rainfall, temperature, and evaporation using monthly adjustments. An example of this integration was the collection of the different SWMM 4 link types in the runoff, transport and Extran blocks to one unified group of closed conduit and open channel link types in SWMM 5 and a collection of node types (Figure 2). SWMM contains a flexible set of hydraulic modeling capabilities used to route runoff and external inflows through the drainage system network of pipes, channels, storage/treatment units, and diversion structures. These include the ability to do the following:

Handle drainage networks of unlimited size. Use a wide variety of standard closed and open conduit shapes as well as natural channels. Model special elements, such as storage/treatment units, flow dividers, pumps, weirs, and orifices. Apply external flows and water quality inputs from surface runoff, groundwater interflow, rainfall dependent infiltration/inflow, dry weather sanitary flow, and user defined inflows. Utilize either kinematic wave or full dynamic wave flow routing methods. Model various flow regimes, such as backwater, surcharging, reverse flow, and surface ponding. apply user defined dynamic control rules to simulate the operation of pumps, orifice openings, and weir crest levels. Percolation of infiltrated water into groundwater layers. Interflow between groundwater and the drainage system. Nonlinear reservoir routing of overland flow. Runoff reduction via LID controls. Estimates are based on local soil conditions, land cover, and historic rainfall records. The Calculator accesses several national databases that provide soil, topography, rainfall, and evaporation information for the chosen site. The user supplies information about the site's land cover and selects the types of low impact development (LID) controls they would like to use on site. The LID Control features in SWMM 5.1.013 include the following among types of Green infrastructure:

StreetPlanter: Bioretention cells are depressions that contain vegetation grown in an engineered soil mixture placed above a gravel drainage bed. They provide storage, infiltration and evaporation of both direct rainfall and runoff captured from surrounding areas. Street planters consist of concrete boxes filled with an engineered soil that supports vegetative growth. Beneath the soil is a gravel bed that provides additional storage. The walls of a planter extend 3 to 12 inches above the soil bed to allow for ponding within the unit. The thickness of the soil growing medium ranges from 6 to 24 inches while gravel beds are 6 to 18 inches in depth. The planter's capture ratio is the ratio of its area to the impervious area whose runoff it captures. Raingarden: Rain gardens are a type of bio retention cell consisting of just the engineered soil layer with no gravel bed below it. Rain Gardens are shallow depressions filled with an engineered soil mix that supports vegetative growth. They are usually used on individual home lots to capture roof runoff. Typical soil depths range from 6 to 18 inches. The capture ratio is the ratio of the rain garden's area to the impervious area that drains onto it. GreenRoof: Green roofs are another variation of a bio retention cell that have a soil layer laying atop a special drainage mat material that conveys excess percolated rainfall off of the roof. Green Roofs (also known as Vegetated Roofs) are bio retention systems placed on roof surfaces that capture and temporarily store rainwater in a soil growing medium. They consist of a layered system of roofing designed to support plant growth and retain water for plant uptake while preventing ponding on the roof surface. The thickness used for the growing medium typically ranges from 3 to 6 inches. InfilTrench: infiltration trenches are narrow ditches filled with gravel that intercept runoff from upslope impervious areas. They provide storage volume and additional time for captured runoff to infiltrate the native soil below. PermPave or permeable pavements: Continuous Permeable Pavement systems are excavated areas filled with gravel and paved over with a porous concrete or asphalt mix. Continuous Permeable Pavement systems are excavated areas filled with gravel and paved over with a porous concrete or asphalt mix. Modular Block systems are similar except that permeable block pavers are used instead. Normally all rainfall will immediately pass through the pavement into the gravel storage layer below it where it can infiltrate at natural rates into the site's native soil. Pavement layers are usually 4 to 6 inches in height while the gravel storage layer is typically 6 to 18 inches high. The Capture Ratio is the percent of the treated area (street or parking lot) that is replaced with permeable pavement. Cistern: Rain barrels (or cisterns) are containers that collect roof runoff during storm events and can either release or re use the rainwater during dry periods. Rain harvesting systems collect runoff from rooftops and convey it to a cistern tank where it can be used for non potable water uses and on site infiltration. The harvesting system is assumed to consist of a given number of fixed sized cisterns per 1000 square feet of rooftop area captured. The water from each cistern is withdrawn at a constant rate and is assumed to be consumed or infiltrated entirely on site. VegSwale: Vegetative swales are channels or depressed areas with sloping sides covered with grass and other vegetation. They slow down the conveyance of collected runoff and allow it more time to infiltrate the native soil beneath it. Infiltration basins are shallow depressions filled with grass or other natural vegetation that capture runoff from adjoining areas and allow it to infiltrate into the soil. Wet ponds are frequently used for water quality improvement, groundwater recharge, flood protection, aesthetic improvement or any combination of these. Sometimes they act as a replacement for the natural absorption of a forest or other natural process that was lost when an area is developed. As such, these structures are designed to blend into neighborhoods and are viewed as an amenity. Dry ponds temporarily store water after a storm, but eventually empties out at a controlled rate to a downstream water body. Sand filters generally control runoff water quality, providing very limited flow rate control. A typical sand filter system consists of two or three chambers or basins. The first is the sedimentation chamber, which removes floatables and heavy sediments. The second is the filtration chamber, which removes additional pollutants by filtering the runoff through a sand bed. The third is the discharge chamber. Infiltration trench, is a type of best management practice (BMP) that is used to manage stormwater runoff, prevent flooding and downstream erosion, and improve water quality in an adjacent river, stream, lake or bay. It is a shallow excavated trench filled with gravel or crushed stone that is designed to infiltrate stormwater though permeable soils into the groundwater aquifer. A Vegatated filter strip is a type of buffer strip that is an area of vegetation, generally narrow and long, that slows the rate of runoff, allowing sediments, organic matter, and other pollutants that are being conveyed by the water to be removed by settling out. Filter strips reduce erosion and the accompanying stream pollution, and can be a best management practice. Other LID like concepts around the world include sustainable drainage system (SUDS). The idea behind SUDS is to try to replicate natural systems that use cost effective solutions with low environmental impact to drain away dirty and surface water run off through collection, storage, and cleaning before allowing it to be released slowly back into the environment, such as into watercourses. In addition the following features can also be simulated using the features of SWMM 5 (storage ponds, seepage, orifices, Weirs, seepage and evaporation from natural channels): constructed wetlands, wet ponds, dry ponds, infiltration basin, non surface sand filters, vegetated filterstrips, vegetated filterstrip and infiltration basin. A WetPark would be a combination of wet and dry ponds and LID features. A WetPark is also considered a constructed wetland.

SWMM 3 және 4 - 5 конвертері

SWMM 3 және SWMM 4 түрлендіргіші SWMM 3 және 4 нұсқаларының екі файлын бір уақытта SWMM 5-ке түрлендіре алады. Көбінесе, ағын және тасымалдау файлы SWMM 5-ке немесе ағын және Extran файлы SWMM 5-ке түрлендіріледі. Егер SWMM 4 ағын, тасымалдау және Extran желілерінің үйлесімі болса, оны бөліктерге бөліп түрлендіру қажет, ал екі дерек жиынтығын көшіріп, біріктіріп, бір SWMM 5 дерек жиынтығын жасау керек. x,y координаттары файлы тек SWMM 4 Extran кіріс деректерінің D1 жолында x,y координаттары болмаған жағдайда ғана қажет. «File=>Define Ini File» командасы ini файлының орналасқан жерін анықтау үшін қолданылады. Ini файлы түрлендіру жобасының кіріс деректері файлдарын және каталогтарын сақтайды. SWMM3 және SWMM 3.5 файлдары белгілі форматта. SWMM 4 файлдары еркін форматта. Түрлендіргіш қолданылып жатқан SWMM нұсқасын анықтайды. Түрлендірілген файлдарды мәтіндік редактор арқылы біріктіріп, жасалған inp файлдарын қосуға болады.