Моделирование дождевого стока и поверхностного стока с использованием SWMM.

Введение

Модель моделирования поверхностного и подповерхностного стока дождевых осадков

Программный комплекс управления штормовыми водами (SWMM) Агентства по охране окружающей среды США (EPA) – это динамическая модель, предназначенная для моделирования поверхностного и подповерхностного стока, используемая для однократного и долгосрочного (непрерывного) моделирования количества и качества воды в преимущественно городских и пригородных районах. Она позволяет моделировать сток дождевых вод, испарение, инфильтрацию и связь с грунтовыми водами для таких элементов ландшафта, как корни растений, улицы, газоны, дождевые сады, канавы, трубы и другие. Гидрологический компонент SWMM работает с набором водосборных площадей, разделенных на водонепроницаемые и водопроницаемые участки с и без депрессионного хранения, для прогнозирования стока и поступления загрязняющих веществ в результате осадков, испарения и инфильтрации с каждой водосборной площади. Кроме того, в модели можно учитывать мероприятия по управлению ливневыми стоками с минимальным воздействием (LID) и лучшие практики управления для снижения стока с водонепроницаемых и водопроницаемых поверхностей. Гидравлический модуль SWMM транспортирует воду и связанные с ней компоненты качества воды по системе закрытых труб, открытых каналов, сооружений для хранения/очистки, прудов, резервуаров, насосов, отверстий, плотин, выпусков, водовыпусков и других регулирующих устройств. SWMM отслеживает количество и качество потока, генерируемого на каждой водосборной площади, а также скорость потока, глубину потока и качество воды в каждой трубе и каждом канале в течение периода моделирования, состоящего из нескольких фиксированных или переменных временных шагов. Моделирование качества воды, включая накопление загрязняющих веществ на водосборных площадях и их вынос в гидрологическую сеть, может включать экспоненциальное снижение концентраций и удаление загрязняющих веществ с использованием лучших практик управления и мероприятий LID в выбранных узлах хранения. SWMM является одной из гидрологических транспортных моделей, широко применяемых EPA и другими агентствами в Северной Америке, а также консультантами и университетами по всему миру. Информацию о последних обновлениях и новых функциях можно найти на веб-сайте EPA в разделе загрузок. В ноябре 2015 года были добавлены Руководство по гидрологии EPA SWMM 5.1 (том I), а в 2016 году – Руководство по гидравлике EPA SWMM 5.1 (том II) и Руководство по качеству воды EPA SWMM 5.1 (включая модули LID) (том III) + Errata.

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.

История

SWMM был впервые разработан в период с 1969 по 1971 год и с тех пор претерпел четыре основных обновления. Основными обновлениями были: (1) Версия 2 в 1973–1975 годах, (2) Версия 3 в 1979–1981 годах, (3) Версия 4 в 1985–1988 годах и (4) Версия 5 в 2001–2004 годах. Перечень основных изменений и изменений, внесенных после 2004 года, приведен в Таблице 1. Текущая версия SWMM, 5.2.3, представляет собой полную переработку предыдущих версий, написанных на Fortran, на языке программирования C, и может работать в операционных системах Windows XP, Windows Vista, Windows 7, Windows 8, Windows 10, а также, после перекомпиляции, в Unix. Исходный код SWMM5 является открытым и общедоступным, его можно загрузить с веб-сайта EPA. EPA SWMM 5 предоставляет интегрированную графическую среду для редактирования входных данных о водосборном бассейне, выполнения гидрологических, гидравлических, симуляций управления в реальном времени и качества воды, а также для просмотра результатов в различных графических форматах, включая тематические карты дренажных зон с цветовой кодировкой, графики и таблицы временных рядов, профильные графики, диаграммы рассеяния и статистический частотный анализ. Последняя переработка EPA SWMM была выполнена Отделом водоснабжения и водных ресурсов Национальной лаборатории исследований управления рисками Агентства по охране окружающей среды США (U.S. Environmental Protection Agency) при содействии консалтинговой фирмы CDM Inc. в рамках Соглашения о совместных исследованиях и разработках (CRADA). SWMM 5 используется в качестве вычислительного ядра для многих программных пакетов моделирования, а компоненты SWMM5 включены в другие пакеты моделирования. Основные пакеты моделирования, использующие все или некоторые компоненты SWMM5, перечислены в разделе "Поставщики". История обновлений SWMM 5, начиная с первоначальной версии 5.0.001 и заканчивая текущей версией 5.2.3, доступна на веб-сайте EPA. SWMM 5 был одобрен FEMA (Федеральное агентство по управлению в чрезвычайных ситуациях) в мае 2005 года, с указанием одобренных версий на странице одобрения FEMA SWMM 5, версия 5.0.005 (май 2005 года) и более поздние, для моделирования NFIP (Национальная программа страхования от наводнений). SWMM 5 используется в качестве вычислительного ядра для многих программных пакетов моделирования (см. раздел "Платформа SWMM 5" в данной статье), а некоторые компоненты SWMM5 включены в другие пакеты моделирования (см. раздел "Поставщики SWMM 5" в данной статье). + Таблица 1. История выпусков EPASWMM Дата выпуска Версии Разработчики Одобрение FEMA Контроль за ЛИД Основной выпуск 07.08.2023 SWMM 5.2.4 EPA Да Да 03.03.2023 SWMM 5.2.3 EPA Да Да 01.12.2022 SWMM 5.2.2 EPA Да Да 11.08.2022 SWMM 5.2.1 EPA Да Да 01.02.2022 SWMM 5.2 EPA Да Да Да 20.07.2020 SWMM 5.1.015 EPA Да Да 18.02.2020 SWMM 5.1.014 EPA Да Да Да 09.08.2018 SWMM 5.1.013 EPA Да Да Да 14.03.2017 SWMM 5.1.012 EPA Да Да Да 22.08.2016 SWMM 5.1.011 EPA Да Да Да 20.08.2015 SWMM 5.1.010 EPA Да Да Да 30.04.2015 SWMM 5.1.009 EPA Да Да Да 17.04.2015 SWMM 5.1.008 EPA Да Да 09.10.2014 SWMM 5.1.007 EPA Да Да 02.06.2014 SWMM 5.1.006 EPA Да Да 27.03.2014 SWMM 5.1.001 EPA Да Да 21.04.2011 SWMM 5.0.022 EPA Да Да 20.08.2010 SWMM 5.0.019 EPA Да Да 19.03.2008 SWMM 5.0.013 EPA Да Да 17.08.2005 SWMM 5.0.005 EPA, CDM Да Нет 30.11.2004 SWMM 5.0.004 EPA, CDM Нет Нет 25.11.2004 SWMM 5.0.003 EPA, CDM Нет Нет 26.10.2004 SWMM 5.0.001 EPA, CDM Нет Нет 2001–2004 SWMM5 EPA, CDM Нет Нет 1988–2004 SWMM4 UF, OSU, CDM Нет Нет 1981–1988 SWMM3 UF, CDM Нет Нет 1975–1981 SWMM2 UF Нет Нет 1969–1971 SWMM1 UF, CDM, M&E Нет Нет

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

Концептуальная модель SWMM

SWMM концептуализирует дренажную систему как серию потоков воды и веществ между несколькими основными средовыми компонентами. Эти компоненты и объекты SWMM, которые они содержат, включают: атмосферный компонент, из которого выпадают осадки и загрязняющие вещества осаждаются на компонент земной поверхности. SWMM использует объекты «Дождемер» (Rain Gage) для представления входных данных об осадках в систему. Объекты «Дождемер» могут использовать временные ряды, внешние текстовые файлы или файлы данных об осадках NOAA. Объекты «Дождемер» могут использовать данные об осадках за тысячи лет. Используя дополнение SWMM CAT для SWMM5, изменение климата теперь можно моделировать с использованием модифицированной температуры, испарения или осадков. Компонент «Земная поверхность», представленный одним или несколькими объектами «Подбассейн» (Subcatchment). Он получает осадки из атмосферного компонента в виде дождя или снега; он направляет отток в виде инфильтрации в компонент подземных вод, а также в виде поверхностного стока и поступления загрязняющих веществ в транспортный компонент. Средства регулирования ливневого стока с малым воздействием на окружающую среду (LID) являются частью подбассейнов и накапливают, инфильтрируют или испаряют сток. Компонент подземных вод получает инфильтрацию из компонента земной поверхности и передает часть этого притока в транспортный компонент. Этот компонент моделируется с использованием объектов «Водоносный горизонт» (Aquifer). Соединение с транспортным компонентом может быть либо статической границей, либо динамической глубиной в каналах. В транспортном компоненте теперь также учитываются просачивание и испарение. Транспортный компонент содержит сеть элементов транспортировки (каналы, трубы, насосы и регулирующие сооружения) и накопительные/очистные сооружения, которые транспортируют воду к выпуску или очистным сооружениям. Притоки в этот компонент могут поступать из поверхностного стока, межпластового потока грунтовых вод, хозяйственно-бытового стока в сухую погоду или из гидрографов, заданных пользователем. Компоненты транспортного компонента моделируются с помощью объектов «Узел» (Node) и «Связь» (Link). Не все компоненты должны присутствовать в конкретной модели SWMM. Например, можно моделировать только транспортный компонент, используя предварительно определенные гидрографы в качестве входных данных. Если используется кинематическая маршрутизация волны, то узлы не обязательно должны содержать выпуск.

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.

Параметры модели

Параметры модели для подводоразделов: шероховатость поверхности, емкость западин, уклон, длина пути стока; для инфильтрации: Хортон: максимальная/минимальная интенсивность и коэффициент затухания; Грин-Амфт: гидравлическая проницаемость, начальный дефицит влаги и напор всасывания; Число Кривой: NRCS (SCS) Число Кривой; для всех: время полного дренирования насыщенной почвы; для водотоков: шероховатость Маннинга; для качества воды: коэффициенты накопления/смыва, коэффициенты затухания первого порядка, уравнения удаления. Площадь исследования может быть разделена на любое количество отдельных подводоразделов, каждый из которых дренируется в одну точку. Площади исследования могут варьироваться от небольшой части одного земельного участка до тысяч акров. SWMM использует почасовые или более частые данные об осадках в качестве входных данных и может быть запущен для отдельных событий или в непрерывном режиме на любое количество лет.

Классический метод инфильтрации

Этот метод основан на эмпирических наблюдениях, демонстрирующих, что инфильтрация экспоненциально снижается от начальной максимальной величины до некоторой минимальной величины в течение продолжительного дождевого события. Параметры, необходимые для этого метода, включают максимальную и минимальную величины инфильтрации, коэффициент затухания, описывающий скорость уменьшения величины с течением времени, и время, требуемое для полного высыхания полностью насыщенной почвы (используется для расчета восстановления величины инфильтрации в периоды без осадков).

Модифицированный метод Хортона

Это модифицированная версия классического метода Хортона, использующая кумулятивную инфильтрацию, превышающую минимальную скорость, в качестве переменной состояния (вместо времени на кривой Хортона), что обеспечивает более точную оценку инфильтрации при низких интенсивностях осадков. Она использует те же входные параметры, что и традиционный метод Хортона.

Метод GreenAmpt

Этот метод моделирования инфильтрации предполагает наличие в почвенном профиле четкого фронта смачивания, отделяющего нижележащий слой с начальной влажностью от насыщенного слоя выше. Для работы метода требуются следующие входные параметры: начальный дефицит влаги в почве, гидравлическая проводимость почвы и потенциал всасывания на фронте увлажнения. Скорость восстановления дефицита влаги в периоды засухи эмпирически связана с гидравлической проводимостью.

Варианты маршрутизации

Маршрутизация с устойчивым потоком представляет собой самый простой тип маршрутизации (фактически, отсутствие маршрутизации), основанный на предположении, что в течение каждого вычислительного шага поток является равномерным и устойчивым. Таким образом, она просто переносит входящие гидрографы от верхнего конца водовода к нижнему, без задержки или изменения формы. Уравнение нормального потока используется для определения связи между расходом и площадью (или глубиной) потока. Этот тип маршрутизации не может учитывать накопление в русле, эффекты заторных явлений, потери на входе/выходе, изменение направления потока или напорный режим. Он может использоваться только с древовидными сетями, где каждый узел имеет только одну выходную ветвь (если узел не является разделительным, в этом случае требуются две выходные ветви). Эта форма маршрутизации нечувствительна к выбранному шагу по времени и подходит только для предварительного анализа с использованием долгосрочных непрерывных расчетов. Кинематическая маршрутизация волны решает уравнение неразрывности совместно с упрощенной формой уравнения импульса для каждого водовода. Последнее требует, чтобы уклон поверхности воды был равен уклону водовода. Максимальный расход, который может быть пропущен через водовод, равен нормальному расходу. Любой расход, превышающий это значение, поступающий во входной узел, либо теряется из системы, либо может накапливаться над входным узлом и возвращаться в водовод по мере появления свободной емкости. Кинематическая маршрутизация волны позволяет расходу и площади изменяться как в пространстве, так и во времени внутри водовода. Это может привести к ослаблению и задержке выходных гидрографов при прохождении притока через русло. Однако эта форма маршрутизации не может учитывать эффекты заторных явлений, потери на входе/выходе, изменение направления потока или напорный режим, а также ограничена древовидной структурой сети. Обычно она может поддерживать численную устойчивость при умеренно больших шагах по времени, порядка 1–5 минут. Если вышеупомянутые эффекты не ожидаются значительными, то эта альтернатива может быть точным и эффективным методом маршрутизации, особенно для долгосрочных расчетов. Динамическая маршрутизация волны решает полные одномерные уравнения течения Сен-Венана и, следовательно, обеспечивает наиболее теоретически точные результаты. Эти уравнения состоят из уравнений неразрывности и импульса для водоводов и уравнения неразрывности объема в узлах. При использовании этой формы маршрутизации можно моделировать напорный режим, когда закрытый водовод заполнен, что позволяет расходу превышать нормальный расход. Затопление происходит, когда глубина воды в узле превышает максимально доступную глубину, и избыточный расход либо теряется из системы, либо накапливается над узлом и возвращается в дренажную систему. Динамическая маршрутизация волны может учитывать накопление в русле, эффекты заторных явлений, потери на входе/выходе, изменение направления потока и напорный режим. Поскольку она связывает решение для уровней воды в узлах и расхода в водоводах, она может применяться к любой общей структуре сети, даже к тем, которые содержат несколько отводов и контуров. Это предпочтительный метод для систем, подверженных значительным эффектам заторных явлений из-за ограничений расхода ниже по течению и регулирования расхода с помощью плотин и отверстий. Эта универсальность достигается ценой использования гораздо меньших шагов по времени, порядка минуты или меньше (SWMM может автоматически уменьшать максимальный шаг по времени, заданный пользователем, по мере необходимости для поддержания численной устойчивости).

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).

Интегрированная гидрология/гидравлика

Одним из важнейших достижений SWMM 5 стало объединение городского/пригородного подповерхностного стока с гидравлическими расчетами дренажной сети. Это значительно улучшает отдельные гидрологические и гидравлические расчеты подповерхностного стока, выполнявшиеся в предыдущих версиях SWMM, поскольку позволяет моделировщику концептуально воспроизводить те же взаимодействия, которые физически происходят в реальной среде открытых каналов и неглубоких водоносных горизонтов. Вычислительный модуль SWMM 5 рассчитывает поверхностный сток, подповерхностную гидрологию и присваивает текущие климатические данные на влажном или сухом гидрологическом шаге. Гидравлические расчеты для участков, узлов, правил управления и граничных условий сети затем выполняются на фиксированном или переменном шаге времени в пределах гидрологического шага, используя интерполяционные процедуры и рассчитанные начальные и конечные гидрологические значения. Версии SWMM, более поздние, чем SWMM 5.1.007, позволяют моделировщику моделировать изменения климата, глобально изменяя количество осадков, температуру и испарение с помощью ежемесячных корректировок. Примером такой интеграции является объединение различных типов участков SWMM 4 из блоков стока, транспортировки и Extran в единую группу типов участков закрытых и открытых каналов в SWMM 5, а также объединение типов узлов (Рис. 2). SWMM содержит гибкий набор гидравлических возможностей моделирования, используемых для прослеживания стока и внешних притоков через сеть дренажной системы, состоящую из труб, каналов, накопителей/очистных сооружений и водосбросных сооружений. Эти возможности включают: обработку дренажных сетей неограниченного размера; использование широкого спектра стандартных форм закрытых и открытых каналов, а также естественных русел; моделирование специальных элементов, таких как накопители/очистные сооружения, разделители потока, насосы, водосливы и отверстия; применение внешних потоков и данных о качестве воды от поверхностного стока, межпластового потока грунтовых вод, инфильтрации/притока, зависящих от осадков, бытового стока в сухую погоду и притоков, заданных пользователем; использование методов прослеживания потока кинематической волны или полной динамической волны; моделирование различных режимов потока, таких как затор, переполнение, обратный поток и поверхностное затопление; применение динамических правил управления, заданных пользователем, для моделирования работы насосов, отверстий и уровней гребня водослива; инфильтрацию воды в слои грунтовых вод; межпластовый поток между грунтовыми водами и дренажной системой; нелинейное прослеживание потока поверхностного стока через резервуары; снижение стока с помощью средств управления LID. Оценки основаны на местных почвенных условиях, типе землепокрытия и исторических данных об осадках. Калькулятор получает доступ к нескольким национальным базам данных, которые предоставляют информацию о почве, топографии, осадках и испарении для выбранного участка. Пользователь предоставляет информацию о типе землепокрытия участка и выбирает типы средств управления LID, которые он хотел бы использовать на участке. Функции управления LID в SWMM 5.1.013 включают следующие типы зеленой инфраструктуры: StreetPlanter (Уличный плантатор): Биоретенционные ячейки – это углубления, содержащие растительность, выращенную в искусственной почвенной смеси, расположенной над гравийным дренажным слоем. Они обеспечивают хранение, инфильтрацию и испарение как прямых осадков, так и стока, собранного с окружающих территорий. Уличные плантаторы состоят из бетонных ящиков, заполненных искусственной почвой, поддерживающей рост растительности. Под почвой находится гравийный слой, обеспечивающий дополнительное хранение. Стены плантатора выступают на 3–12 дюймов над почвенным слоем, чтобы обеспечить водоем внутри блока. Толщина почвенного слоя для выращивания варьируется от 6 до 24 дюймов, а толщина гравийного слоя – от 6 до 18 дюймов. Коэффициент улавливания плантатора – это отношение его площади к непроницаемой площади, сток с которой он улавливает. Raingarden (Дождевой сад): Дождевые сады – это тип биоретенционной ячейки, состоящий только из искусственного почвенного слоя без гравийного слоя под ним. Дождевые сады – это мелкие углубления, заполненные искусственной почвенной смесью, поддерживающей рост растительности. Обычно они используются на отдельных земельных участках для сбора дождевой воды с крыш. Типичная глубина почвы варьируется от 6 до 18 дюймов. Коэффициент улавливания – это отношение площади дождевого сада к непроницаемой площади, которая дренируется на него. GreenRoof (Зеленая крыша): Зеленые крыши – это еще одна разновидность биоретенционной ячейки, имеющая почвенный слой, расположенный поверх специального дренажного материала, который отводит избыточную инфильтрированную дождевую воду с крыши. Зеленые крыши (также известные как озелененные крыши) – это биоретенционные системы, размещенные на крышах, которые улавливают и временно хранят дождевую воду в почвенном слое для выращивания растений. Они состоят из многослойной системы кровли, предназначенной для поддержки роста растений и удержания воды для поглощения растениями, предотвращая при этом образование луж на поверхности крыши. Толщина почвенного слоя для выращивания обычно варьируется от 3 до 6 дюймов. InfilTrench (Инфильтрационный ров): Инфильтрационные рвы – это узкие канавы, заполненные гравием, которые перехватывают сток с непроницаемых участков, расположенных выше по склону. Они обеспечивают объем хранения и дополнительное время для инфильтрации собранного стока в нижележащую местную почву. PermPave (Проницаемое покрытие) или проницаемые покрытия: Непрерывные системы проницаемого покрытия – это выкопанные участки, заполненные гравием и покрытые пористым бетоном или асфальтом. Непрерывные системы проницаемого покрытия – это выкопанные участки, заполненные гравием и покрытые пористым бетоном или асфальтом. Модульные блочные системы аналогичны, за исключением того, что используются проницаемые блоки-плитки. Обычно вся дождевая вода немедленно проходит через покрытие в гравийный слой хранения под ним, где она может инфильтрироваться в местную почву участка с естественной скоростью. Слои покрытия обычно имеют высоту от 4 до 6 дюймов, а гравийный слой хранения обычно имеет высоту от 6 до 18 дюймов. Коэффициент улавливания – это процент площади, подлежащей обработке (улица или парковка), которая заменена проницаемым покрытием. Cistern (Цисерна): Дождевые бочки (или цистерны) – это контейнеры, которые собирают дождевую воду с крыш во время штормов и могут либо выпускать, либо повторно использовать дождевую воду в сухие периоды. Системы сбора дождевой воды собирают сток с крыш и направляют его в цистерну, где он может использоваться для непитьевых нужд и инфильтрации на участке. Предполагается, что система состоит из заданного количества цистерн фиксированного размера на 1000 квадратных футов площади крыши, с которой собирается вода. Вода из каждой цистерны отбирается с постоянной скоростью и, как предполагается, полностью потребляется или инфильтрируется на участке. VegSwale (Растительный вал): Растительные валы – это каналы или углубления с наклонными сторонами, покрытые травой и другой растительностью. Они замедляют транспортировку собранного стока и дают ему больше времени для инфильтрации в нижележащую местную почву. Инфильтрационные бассейны – это мелкие углубления, заполненные травой или другой естественной растительностью, которые собирают сток с прилегающих территорий и позволяют ему инфильтрироваться в почву. Пруды-отстойники часто используются для улучшения качества воды, пополнения запасов грунтовых вод, защиты от наводнений, улучшения эстетики или любой их комбинации. Иногда они заменяют естественное поглощение леса или другого природного процесса, который был потерян при застройке территории. Таким образом, эти сооружения предназначены для гармоничного сочетания с жилыми районами и рассматриваются как удобство. Сухие пруды временно хранят воду после шторма, но в конечном итоге опорожняются контролируемой скоростью в нижележащий водоем. Песчаные фильтры обычно контролируют качество сточных вод, обеспечивая очень ограниченный контроль скорости потока. Типичная система песчаного фильтра состоит из двух или трех камер или бассейнов. Первая – это отстойная камера, которая удаляет плавающие вещества и тяжелые отложения. Вторая – это фильтрующая камера, которая удаляет дополнительные загрязнители, фильтруя сток через песчаное ложе. Третья – это выпускная камера. Инфильтрационный ров – это тип наилучшей управленческой практики (BMP), который используется для управления ливневыми стоками, предотвращения наводнений и эрозии ниже по течению, а также улучшения качества воды в прилегающей реке, ручье, озере или заливе. Это неглубокий выкопанный ров, заполненный гравием или щебнем, который предназначен…

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.

Конвертер SWMM 3 и 4 к 5

Конвертер SWMM 3 и SWMM 4 может одновременно преобразовывать до двух файлов из более ранних версий SWMM 3 и 4 в SWMM 5. Как правило, преобразуют файл стока и транспортировки в SWMM 5 или файл стока и Extran в SWMM 5. Если имеется комбинация сети SWMM 4, включающая расчет стока, транспортировку и Extran, то ее необходимо преобразовывать по частям, а затем скопировать и объединить два набора данных для создания единого набора данных SWMM 5. Файл с координатами x, y необходим только в том случае, если координаты x, y отсутствуют в строке D1 входных данных SWMM 4 Extran. Команда File=>Define Ini File позволяет указать расположение ini-файла. Ini-файл сохраняет входные файлы и каталоги проекта преобразования. Файлы SWMM 3 и SWMM 3.5 имеют фиксированный формат. Файлы SWMM 4 имеют свободный формат. Конвертер автоматически определяет версию используемого SWMM. Преобразованные файлы можно объединить с помощью текстового редактора, объединив созданные .inp файлы.