Модель управления ливневыми водами

This article may contain an excessive amount of intricate detail that may interest only a particular audience. Please help by spinning off or relocating any relevant information, and removing excessive detail that may be against Wikipedia's inclusion policy. (August 2021) (Learn how and when to remove this message)

Модель управления ливневыми водами ( SWMM ) Агентства по охране окружающей среды США (EPA ) ^{[1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8]} представляет собой динамическую модель имитации осадков – стока – подземного стока, используемую для однократного и долгосрочного (непрерывного) моделирования количества и качества поверхностной/подземной гидрологии в первую очередь в городских/пригородных районах.

Например, он может моделировать сток осадков, сток, испарение , инфильтрацию и соединение грунтовых вод для корней, улиц, травянистых зон, дождевых садов, канав и труб. Гидрологический компонент SWMM работает на совокупности зон подводного водосбора, разделенных на непроницаемые и проницаемые зоны с депрессионным хранилищем и без него, чтобы прогнозировать сток и загрязняющие нагрузки от осадков, испарения и потерь от инфильтрации с каждого из подводного водосбора. Кроме того, можно моделировать области развития с низким воздействием (LID) и наилучшие практики управления на подводном водосборе для уменьшения непроницаемого и проницаемого стока. Раздел маршрутизации или гидравлики SWMM транспортирует эту воду и возможные сопутствующие компоненты качества воды через систему закрытых труб, открытых каналов, устройств хранения/очистки, прудов, хранилищ, насосов, отверстий, плотин, выпусков, отводов и других регуляторов.

SWMM отслеживает количество и качество потока, генерируемого в каждом подбассейне, а также скорость потока, глубину потока и качество воды в каждой трубе и канале в течение периода моделирования, состоящего из нескольких фиксированных или переменных временных шагов . Компоненты качества воды, такие как компоненты качества воды, могут моделироваться от накопления на подбассейнах через смыв в гидравлическую сеть с дополнительным распадом первого порядка и связанным удалением загрязняющих веществ, наилучшей практикой управления и разработкой с низким воздействием (LID) ^[9] удаление и очистка могут моделироваться в выбранных узлах хранения. SWMM является одной из моделей гидрологического транспорта , которую EPA и другие агентства широко применяют по всей Северной Америке, а также через консультантов и университеты по всему миру. Последние обновления и новые функции можно найти на веб-сайте EPA в разделе загрузок. ^[10] Недавно, в ноябре 2015 года, были добавлены Руководство по гидрологии EPA SWMM 5.1 (том I) ^[11] , а в 2016 году — Руководство по гидрологии EPA SWMM 5.1 (том II) ^[12] и Качество воды EPA SWMM 5.1 (включая модули LID), том (III) ^[13] + исправления. ^[14]

Модель управления ливневыми водами Агентства по охране окружающей среды (SWMM) представляет собой динамическую имитационную модель маршрутизации дождевого стока, используемую для однократного или долгосрочного (непрерывного) моделирования количества и качества стока в первую очередь с городских территорий. Компонент стока SWMM работает на основе набора подбассейнов, которые получают осадки и генерируют сток и загрязняющие вещества. Часть маршрутизации SWMM транспортирует этот сток через систему труб, каналов, устройств хранения/очистки, насосов и регуляторов. SWMM отслеживает количество и качество стока, образующегося в каждом подбассейне, а также расход, глубину потока и качество воды в каждой трубе и канале в течение периода моделирования, разделенного на несколько временных шагов.

SWMM учитывает различные гидрологические процессы, которые производят сток с городских территорий. К ним относятся:

1. изменяющиеся во времени осадки
2. испарение стоячей поверхностной воды
3. накопление и таяние снега
4. перехват осадков из хранилища понижений
5. просачивание осадков в ненасыщенные слои почвы
6. просачивание инфильтрованной воды в слои грунтовых вод
7. переток между грунтовыми водами и дренажной системой
8. нелинейное распределение потока по суше в резервуаре
9. улавливание и удержание осадков/стока с помощью различных методов малоинвазивного освоения (LID).

SWMM также содержит гибкий набор возможностей гидравлического моделирования, используемых для маршрутизации стока и внешних притоков через сеть дренажной системы труб, каналов, установок хранения/обработки и отводных структур. Они включают в себя возможность:

1. обрабатывать сети неограниченного размера·
2. использовать широкий спектр стандартных закрытых и открытых форм каналов, а также естественные каналы.
3. моделировать специальные элементы, такие как блоки хранения/обработки, делители потока, насосы, водосливы и отверстия·
4. применять внешние потоки и входные данные по качеству воды из поверхностного стока, подземного стока, инфильтрации/притока, зависящего от осадков, санитарного потока в сухую погоду и определяемых пользователем притоков
5. использовать либо кинематические волны, либо методы полной динамической маршрутизации волнового потока.
6. моделировать различные режимы потока, такие как подпор, подпитка, обратный поток и поверхностное запруживание.
7. применять определяемые пользователем правила динамического управления для моделирования работы насосов, отверстий диафрагм и уровней гребня водослива.

Пространственная изменчивость во всех этих процессах достигается путем деления исследуемой области на совокупность более мелких, однородных подзон водосбора, каждая из которых содержит свою долю проницаемых и непроницаемых подзон. Поток по суше может быть направлен между подзонами, между подзонами водосбора или между точками входа дренажной системы.

С момента своего создания SWMM использовался в тысячах исследований канализации и ливневых вод по всему миру. Типичные области применения включают:

1. проектирование и определение размеров компонентов дренажной системы для борьбы с наводнениями
2. определение размеров мест содержания под стражей и их принадлежностей для борьбы с наводнениями и защиты качества воды·
3. картирование пойменных равнин естественных русловых систем путем моделирования гидравлики реки и связанных с ней проблем наводнений с использованием призматических русел·
4. разработка стратегий контроля для минимизации переполнения комбинированной канализации (CSO) и переполнения бытовой канализации (SSO)·
5. оценка влияния притока и инфильтрации на переливы в канализационных системах·
6. создание неточечных источников загрязняющих нагрузок для исследований распределения нагрузки отходов·
7. Оценка эффективности BMP и LID подбассейна для снижения нагрузки загрязняющих веществ в сырую погоду. Моделирование осадков и стока городских и сельских водоразделов
8. гидравлический анализ и анализ качества воды в системах ливневой, бытовой и общесплавной канализации
9. генеральное планирование канализационных систем и городских водоразделов
10. системные оценки, связанные с правилами USEPA, включая разрешения NPDES, CMOM и TMDL
11. 1D и 2D (поверхностное запруживание) прогнозы уровней и объемов наводнений

EPA SWMM — это общедоступное программное обеспечение , которое можно свободно копировать и распространять. Общедоступное программное обеспечение SWMM 5 состоит из кода движка C и кода графического пользовательского интерфейса Delphi SWMM 5. Код C и код Delphi легко редактируются и могут быть перекомпилированы студентами и профессионалами для пользовательских функций или дополнительных выходных функций.

SWMM был впервые разработан в 1969–1971 годах и с тех пор претерпел четыре крупных обновления. Основные обновления: (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. Список основных изменений и изменений после 2004 года показан в Таблице 1. Текущая редакция SWMM, версия 5.2.3, представляет собой полную переработку предыдущих выпусков Fortran на языке программирования C и может работать под Windows XP , Windows Vista , Windows 7 , Windows 8 , Windows 10 , а также с перекомпиляцией под Unix . Код SWMM5 является открытым исходным кодом и общедоступным кодом, который можно загрузить с веб-сайта EPA. ^[15]

EPA SWMM 5 предоставляет интегрированную графическую среду для редактирования входных данных водораздела, запуска гидрологических, гидравлических, управления в реальном времени и моделирования качества воды, а также просмотра результатов в различных графических форматах. Они включают цветные тематические карты водосборных площадей, графики и таблицы временных рядов, профильные графики, диаграммы рассеяния и статистический частотный анализ.

Последняя переработка EPA SWMM была произведена Отделом водоснабжения и водных ресурсов Национальной исследовательской лаборатории по управлению рисками Агентства по охране окружающей среды США при содействии консалтинговой фирмы CDM Inc в рамках Соглашения о совместных исследованиях и разработках (CRADA). SWMM 5 используется в качестве вычислительного движка для многих пакетов моделирования, а компоненты SWMM5 находятся в других пакетах моделирования. Основные пакеты моделирования, которые используют все или некоторые компоненты SWMM5, показаны в разделе «Поставщик». Историю обновлений SWMM 5 от оригинальной версии SWMM 5.0.001 до текущей версии SWMM 5.2.3 можно найти на веб-сайте EPA. SWMM 5 был одобрен на странице одобрения модели FEMA в мае 2005 г. ^[16] с примечанием о версиях, одобренных на странице одобрения FEMA SWMM 5 версии 5.0.005 (май 2005 г.) и выше для моделирования NFIP . SWMM 5 используется в качестве вычислительного движка для многих пакетов моделирования (см. раздел «Платформа SWMM 5» в этой статье), а некоторые компоненты SWMM5 входят в состав других пакетов моделирования (см. раздел «Поставщик SWMM 5» в этой статье).

SWMM концептуализирует дренажную систему как ряд потоков воды и материалов между несколькими основными экологическими отсеками. Эти отсеки и содержащиеся в них объекты SWMM включают:

Атмосферный отсек, из которого выпадают осадки и загрязняющие вещества осаждаются на поверхности земли. SWMM использует объекты Rain Gage для представления данных об осадках в системе. Объекты Rain Gage могут использовать временные ряды, внешние текстовые файлы или файлы данных об осадках NOAA . Объекты Rain Gage могут использовать осадки за тысячи лет. Используя дополнение SWMM-CAT к SWMM5, теперь можно моделировать изменение климата с использованием измененной температуры, испарения или осадков.

Отделение Land Surface, представленное одним или несколькими объектами субводосбора. Он получает осадки из Атмосферного отделения в виде дождя или снега; он отправляет сток в виде инфильтрации в отделение грунтовых вод , а также в виде поверхностного стока и загрязняющих веществ в Транспортное отделение. Элементы управления развитием с низким воздействием (LID) являются частью субводосборов и хранят, инфильтруют или испаряют сток.

Грунтовый отсек получает инфильтрацию из отсека Land Surface и передает часть этого притока в транспортный отсек. Этот отсек моделируется с использованием объектов водоносного горизонта . Соединение с транспортным отсеком может быть либо статической границей, либо динамической глубиной в каналах. Связи в транспортном отсеке теперь также имеют просачивание и испарение.

Транспортный отсек содержит сеть элементов транспортировки (каналы, трубы, насосы и регуляторы) и накопительные/очистные установки, которые транспортируют воду к водовыпускам или очистным сооружениям. Приток в этот отсек может поступать из поверхностного стока, подземного водотока, санитарного стока в сухую погоду или из определяемых пользователем гидрографов. Компоненты транспортного отсека моделируются с помощью объектов Node и Link.

Не все отсеки должны появляться в конкретной модели SWMM. Например, можно смоделировать только транспортный отсек, используя предопределенные гидрографы в качестве входных данных. Если используется кинематическая маршрутизация волн, то узлы не должны содержать выход.

Параметры моделируемой модели для подбассейнов: шероховатость поверхности, накопление впадины, уклон, длина пути потока; для инфильтрации: Хортон: макс./мин. скорости и константа затухания; Грин-Ампт: гидравлическая проводимость, начальный дефицит влаги и высота всасывания; Номер кривой: NRCS (SCS) Номер кривой; Все: время полного осушения насыщенной почвы; для трубопроводов: шероховатость Маннинга; для качества воды: коэффициенты функции накопления/вымывания, коэффициенты затухания первого порядка, уравнения удаления. Исследуемая область может быть разделена на любое количество отдельных подбассейнов, каждый из которых стекает в одну точку. Исследуемые области могут иметь размер от небольшой части одного участка до тысяч акров. SWMM использует почасовые или более частые данные об осадках в качестве входных данных и может запускаться для отдельных событий или непрерывно в течение любого количества лет.

SWMM 5 учитывает различные гидрологические процессы, которые производят поверхностный и подземный сток с городских территорий. Они включают:

1. Изменяющиеся во времени осадки для неограниченного количества дождемеров как для проектных, так и для непрерывных гетографов
2. испарение стоячей поверхностной воды на водоразделах и поверхностных прудах
3. накопление, сгребание и таяние снега
4. перехват осадков из пониженных резервуаров как в непроницаемых, так и в проницаемых зонах
5. инфильтрация осадков в ненасыщенные слои почвы
6. просачивание инфильтрованной воды в слои грунтовых вод
7. переток между грунтовыми водами и трубами и канавами
8. нелинейное распределение водохранилищного стока по суше.

Пространственная изменчивость во всех этих процессах достигается путем деления исследуемой области на совокупность более мелких, однородных водоразделов или подбассейнов, каждый из которых содержит свою долю проницаемых и непроницаемых подбассейнов. Поток по суше может быть направлен между подбассейнами, между подбассейнами или между точками входа дренажной системы.

SWMM также содержит гибкий набор возможностей гидравлического моделирования, используемых для маршрутизации стока и внешних притоков через сеть дренажной системы труб, каналов, установок хранения/обработки и отводных структур. Они включают в себя возможность:

1. Моделирование дренажных сетей неограниченного размера
2. использовать широкий спектр стандартных закрытых и открытых форм каналов, а также естественные или нерегулярные каналы
3. моделировать специальные элементы, такие как блоки хранения/обработки, выпуски, делители потока, насосы, водосливы и отверстия
4. применять внешние потоки и входные данные по качеству воды из поверхностного стока, подземного стока, инфильтрации/притока, зависящего от осадков, санитарного потока в сухую погоду и определяемых пользователем притоков
5. использовать методы маршрутизации потока с использованием стационарной, кинематической волны или полной динамической волны
6. моделировать различные режимы потока, такие как подпор, прилив, давление, обратный поток и поверхностное запруживание
7. применять определяемые пользователем правила динамического управления для моделирования работы насосов, отверстий диафрагм и уровней гребня водослива

Инфильтрация — это процесс проникновения осадков через поверхность земли в ненасыщенную почвенную зону водопроницаемых подводных бассейнов. SWMM5 предлагает четыре варианта моделирования инфильтрации:

Этот метод основан на эмпирических наблюдениях, показывающих, что инфильтрация уменьшается экспоненциально от начальной максимальной скорости до некоторой минимальной скорости в течение длительного периода выпадения осадков. Входные параметры, требуемые этим методом, включают максимальную и минимальную скорость инфильтрации, коэффициент затухания, который описывает, как быстро скорость уменьшается с течением времени, и время, необходимое полностью насыщенной почве для полного высыхания (используется для расчета восстановления скорости инфильтрации в засушливые периоды).

Это модифицированная версия классического метода Хортона, которая использует кумулятивную инфильтрацию сверх минимальной скорости в качестве переменной состояния (вместо времени вдоль кривой Хортона), обеспечивая более точную оценку инфильтрации при низкой интенсивности осадков. Он использует те же входные параметры, что и традиционный метод Хортона.

Этот метод моделирования инфильтрации предполагает, что в почвенной колонне существует резкий фронт смачивания, разделяющий почву с некоторым начальным содержанием влаги внизу от насыщенной почвы вверху. Требуемыми входными параметрами являются начальный дефицит влаги в почве, гидравлическая проводимость почвы и всасывающая высота на фронте смачивания. Скорость восстановления дефицита влаги в засушливые периоды эмпирически связана с гидравлической проводимостью.

Этот подход заимствован из метода числа кривых NRCS (SCS) для оценки стока. Он предполагает, что общая инфильтрационная способность почвы может быть найдена из табличного числа кривой почвы. Во время дождя эта способность истощается как функция кумулятивных осадков и остаточной способности. Входными параметрами для этого метода являются номер кривой и время, необходимое полностью насыщенной почве для полного высыхания (используется для расчета восстановления инфильтрационной способности в засушливые периоды).

SWMM также позволяет ежемесячно корректировать скорость восстановления инфильтрации на фиксированную величину для учета сезонных колебаний таких факторов, как скорость испарения и уровень грунтовых вод. Эта необязательная ежемесячная схема восстановления почвы указывается как часть данных по испарению проекта.

В дополнение к моделированию генерации и транспортировки стоков, SWMM также может оценить производство загрязняющих веществ, связанных с этим стоком. Следующие процессы могут быть смоделированы для любого количества определяемых пользователем компонентов качества воды:

1. Накопление загрязняющих веществ в сухую погоду на различных территориях
2. смывание загрязняющих веществ с определенных видов землепользования во время штормовых событий
3. прямой вклад влажных и сухих осадков
4. уменьшение накопления мусора в сухую погоду за счет уборки улиц
5. снижение смываемой нагрузки за счет BMP и LID
6. ввод санитарных стоков в сухую погоду и указанных пользователем внешних притоков в любой точке дренажной системы
7. маршрутизация компонентов качества воды через дренажную систему
8. снижение концентрации компонентов путем обработки в хранилищах или за счет естественных процессов в трубах и каналах.

Дождемеры в SWMM5 предоставляют данные об осадках для одной или нескольких подзон водосбора в исследуемом регионе. Данные об осадках могут быть либо временным рядом, определенным пользователем, либо поступать из внешнего файла. Поддерживаются несколько различных популярных форматов файлов осадков, используемых в настоящее время, а также стандартный формат, определенный пользователем. Основные входные свойства дождемеров включают:

1. тип данных об осадках (например, интенсивность, объем или совокупный объем)
2. интервал времени записи (например, ежечасно, 15 минут и т. д.)
3. источник данных об осадках (входной временной ряд или внешний файл)
4. название источника данных об осадках

Другие основные входные параметры для подбассейнов включают в себя:

1. назначенный дождемер
2. выходной узел или подбассейн и маршрутная фракция
3. назначенное использование земли
4. площадь поверхности притока
5. непроницаемость и нулевой процент непроницаемости
6. склон
7. характерная ширина сухопутного потока
8. Коэффициент Маннинга n для поверхностного потока как на проницаемых, так и на непроницаемых участках
9. хранение депрессии как в проницаемых, так и в непроницаемых зонах
10. процент непроницаемой площади без накопления осадков.
11. параметры инфильтрации
12. снежный покров
13. параметры грунтовых вод
14. Параметры LID для каждого используемого элемента управления LID

Маршрутизация с постоянным потоком представляет собой простейший возможный тип маршрутизации (фактически без маршрутизации), предполагая, что в пределах каждого вычислительного временного шага поток является однородным и постоянным. Таким образом, он просто переводит гидрографы притока на верхнем конце трубопровода на нижнем конце без задержки или изменения формы. Уравнение нормального потока используется для связи скорости потока с площадью потока (или глубиной).

Этот тип маршрутизации не может учитывать накопление в канале, эффекты подпора, потери на входе/выходе, реверс потока или поток под давлением. Его можно использовать только с дендритными транспортными сетями, где каждый узел имеет только одну выходную связь (если только узел не является разделителем, в этом случае требуются две выходных связи). Эта форма маршрутизации нечувствительна к используемому временному шагу и действительно подходит только для предварительного анализа с использованием долгосрочных непрерывных симуляций. Кинематическая волновая маршрутизация решает уравнение непрерывности вместе с упрощенной формой уравнения импульса в каждом канале. Последнее требует, чтобы наклон поверхности воды был равен наклону канала.

Максимальный поток, который может быть передан через трубопровод, — это полное нормальное значение потока. Любой поток, превышающий это значение, поступающий во впускной узел, либо теряется в системе, либо может скапливаться на входном узле и повторно вводиться в трубопровод по мере появления доступной мощности.

Кинематическая волновая маршрутизация позволяет потоку и площади изменяться как в пространстве, так и во времени в пределах канала. Это может привести к ослабленным и задержанным гидрографам оттока, поскольку приток направляется через канал. Однако эта форма маршрутизации не может учитывать эффекты подпора, потери на входе/выходе, реверс потока или поток под давлением, а также ограничена схемами дендритных сетей. Обычно она может поддерживать численную стабильность с умеренно большими временными шагами, порядка 1–5 минут. Если вышеупомянутые эффекты не должны быть значительными, то эта альтернатива может быть точным и эффективным методом маршрутизации, особенно для долгосрочного моделирования.

Динамическая маршрутизация волн решает полные одномерные уравнения потока Сен-Венана и, следовательно, дает наиболее теоретически точные результаты. Эти уравнения состоят из уравнений непрерывности и импульса для каналов и уравнения непрерывности объема в узлах.

С помощью этой формы маршрутизации можно представить поток под давлением, когда закрытый канал заполняется, так что потоки могут превышать полное нормальное значение потока. Затопление происходит, когда глубина воды в узле превышает максимально доступную глубину, и избыточный поток либо теряется из системы, либо может скапливаться наверху узла и снова попадать в дренажную систему.

Динамическая маршрутизация волн может учитывать хранение канала, подпор, потери на входе/выходе, разворот потока и поток под давлением. Поскольку она объединяет решение как для уровней воды в узлах, так и для потока в каналах, ее можно применять к любой общей схеме сети, даже к тем, которые содержат несколько ответвлений и петель ниже по течению. Это метод выбора для систем, подверженных значительным эффектам подпора из-за ограничений потока ниже по течению и с регулированием потока через плотины и отверстия. Эта общность достигается ценой использования гораздо меньших временных шагов, порядка минуты или меньше (SWMM может автоматически уменьшать заданный пользователем максимальный временной шаг по мере необходимости для поддержания числовой стабильности).

Одним из больших достижений в SWMM 5 стала интеграция городского/пригородного подземного потока с гидравлическими расчетами дренажной сети. Это достижение является огромным улучшением по сравнению с отдельными подземными гидрологическими и гидравлическими расчетами предыдущих версий SWMM, поскольку оно позволяет моделеру концептуально моделировать те же взаимодействия, которые физически происходят в реальной среде открытого канала/неглубокого водоносного горизонта. Числовой движок SWMM 5 рассчитывает поверхностный сток, подземную гидрологию и назначает текущие климатические данные либо на влажном, либо на сухом гидрологическом временном шаге. Затем гидравлические расчеты для связей, узлов, правил управления и граничных условий сети вычисляются либо на фиксированном, либо на переменном временном шаге в пределах гидрологического временного шага с использованием процедур интерполяции и моделируемых гидрологических начальных и конечных значений. Версии SWMM 5 выше SWMM 5.1.007 позволяют моделеру моделировать изменения климата путем глобального изменения количества осадков, температуры и испарения с использованием ежемесячных корректировок.

Примером такой интеграции является сбор различных типов связей SWMM 4 в блоках стока, транспортировки и Extran в одну унифицированную группу типов связей закрытого канала и открытого канала в SWMM 5 и набор типов узлов (рисунок 2).

SWMM содержит гибкий набор возможностей гидравлического моделирования, используемых для маршрутизации стока и внешних притоков через сеть дренажной системы труб, каналов, установок хранения/обработки и отводных структур. Они включают возможность делать следующее:

Управление дренажными сетями неограниченного размера. Использование широкого спектра стандартных закрытых и открытых форм водоводов, а также естественных каналов. Моделирование специальных элементов, таких как хранилища/очистные сооружения, делители потока, насосы, плотины и отверстия. Применение внешних потоков и входных данных качества воды от поверхностного стока, перетока грунтовых вод, инфильтрации/притока, зависящих от осадков, санитарного потока в сухую погоду и определяемых пользователем притоков. Использование методов маршрутизации потока кинематической волны или полной динамической волны. Моделирование различных режимов потока, таких как подпор, подпитка, обратный поток и поверхностное запруживание. Применение определяемых пользователем правил динамического управления для моделирования работы насосов, отверстий отверстий и уровней гребня водослива. Просачивание инфильтрованной воды в слои грунтовых вод. Переток между грунтовыми водами и дренажной системой. Нелинейная маршрутизация водохранилища поверхностного потока. Сокращение стока с помощью управления LID. ^[10]

Функция развития с низким воздействием (LID) была новой для SWMM 5.0.019/20/21/22 и SWMM 5.1+. Она интегрирована в подводящий бассейн и позволяет дополнительно уточнить переливы, инфильтрационный поток и испарение в дождевых бочках , канавах , проницаемом покрытии , зеленой крыше , дождевом саду , биологическом удержании и инфильтрационной траншее . Термин развитие с низким воздействием (Канада/США) используется в Канаде и Соединенных Штатах для описания подхода к планированию земель и инженерному проектированию для управления ливневым стоком. В последние годы многие штаты в США приняли концепции и стандарты LID для улучшения своего подхода к снижению вредного потенциала загрязнения ливневыми водами в новых строительных проектах. LID принимает множество форм, но в целом его можно рассматривать как попытку минимизировать или предотвратить концентрированные потоки ливневых вод, покидающие участок. Для этого практика LID предполагает, что при использовании непроницаемых поверхностей (бетон и т. п.) они периодически прерываются проницаемыми участками, которые могут позволить ливневым водам просачиваться (впитываться в землю).

В SWMM5 можно определить различные подпроцессы в каждом LID, например: поверхность, дорожное покрытие, почва, хранилище, дренажный мат и слив.

Каждый тип LID имеет ограничения по типу подпроцесса, разрешенного SWMM 5. Он имеет хорошую функцию отчета, и сводный отчет LID может быть в файле rpt и внешнем файле отчета, в котором можно увидеть глубину поверхности, влажность почвы, глубину хранения, поверхностный приток, испарение, поверхностную инфильтрацию, просачивание почвы, инфильтрацию хранения, поверхностный отток и ошибку непрерывности LID. На подбассейн может быть несколько LID, и никаких проблем не возникало из-за наличия множества сложных подсетей LID и процессов внутри подбассейновых бассейнов SWMM 5 или любых проблем непрерывности, которые не решаются меньшим временным шагом влажной гидрологии. Типы отсеков LID SWMM 5: хранение, подземный дренаж, поверхность, дорожное покрытие и почва. Ячейка биологического удержания имеет отсеки хранения, подземного дренажа и поверхности. Крышка инфильтрационной траншеи имеет отсеки хранения, подземного дренажа и поверхности. Пористое дорожное покрытие LID имеет отсеки хранения, подземного дренажа и тротуара. У бочки для сбора дождевой воды есть только отсеки для хранения и поддона, а у вегетативной канавы LID есть один поверхностный отсек. Каждый тип LID разделяет различные объекты отсеков в SWMM 5, которые называются слоями.

Этот набор уравнений может быть решен численно на каждом шаге времени стока, чтобы определить, как гидрограф притока в блок LID преобразуется в некоторую комбинацию гидрографа стока, подповерхностного хранения, подповерхностного дренажа и инфильтрации в окружающую естественную почву. В дополнение к уличным растениям и зеленым крышам, только что описанная модель биоудержания может быть использована для представления дождевых садов путем исключения слоя хранения, а также систем пористого покрытия путем замены слоя почвы слоем покрытия.

Поверхностный слой LID получает как прямые осадки, так и стоки из других областей. Он теряет воду через инфильтрацию в слой почвы под ним, за счет эвапотранспирации (ET) любой воды, хранящейся в пониженном хранилище и вегетативном захвате, а также за счет любого поверхностного стока, который может возникнуть. Слой почвы содержит измененную почвенную смесь, которая может поддерживать вегетативный рост. Он получает инфильтрацию из поверхностного слоя и теряет воду через ET и просачивание в слой хранения под ним. Слой хранения состоит из грубого щебня или гравия. Он получает просачивание из зоны почвы над ним и теряет воду либо за счет инфильтрации в лежащую под ним естественную почву, либо за счет оттока через перфорированную трубчатую систему дренажа.

Новый с июля 2013 года ^[update], Национальный калькулятор ливневых вод Агентства по охране окружающей среды представляет собой настольное приложение Windows, которое оценивает годовой объем дождевой воды и частоту стока с определенного участка в любой точке Соединенных Штатов. ^[17] Оценки основаны на местных почвенных условиях, почвенном покрове и исторических записях об осадках. Калькулятор обращается к нескольким национальным базам данных, которые предоставляют информацию о почве, топографии, осадках и испарении для выбранного участка. Пользователь предоставляет информацию о почвенном покрове участка и выбирает типы контроля застройки с низким воздействием (LID), которые он хотел бы использовать на участке. Функции контроля LID в SWMM 5.1.013 включают следующие типы зеленой инфраструктуры :

• StreetPlanter: Биоудерживающие ячейки — это углубления, в которых содержится растительность, выращенная в специально разработанной почвенной смеси, размещенной 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 коробок, заполненных специально разработанной почвой, которая поддерживает рост растений. Под почвой находится гравийный слой, который обеспечивает дополнительное хранение. Стенки плантатора возвышаются на 3–12 дюймов над почвенным слоем, что позволяет образовывать пруд внутри блока. Толщина почвенной среды для выращивания составляет от 6 до 24 дюймов, в то время как гравийные слои имеют глубину от 6 до 18 дюймов. Коэффициент захвата плантатора — это отношение его площади к непроницаемой области, сток с которой он захватывает.

• Raingarden: Дождевые сады — это тип биоудерживающей ячейки, состоящей только из слоя искусственной почвы без гравийной подушки под ним. ^[18] Дождевые сады — это неглубокие углубления, заполненные искусственной почвенной смесью, которая поддерживает вегетативный рост. Обычно они используются на индивидуальных участках домов для сбора стока с крыши. Типичная глубина почвы составляет от 6 до 18 дюймов. Коэффициент сбора — это отношение площади дождевого сада к непроницаемой области, которая стекает на него.

• GreenRoof: Зеленые крыши — это еще один вариант биоудерживающей ячейки, в которой слой почвы лежит поверх специального дренажного мата, который отводит избыток просачивающейся дождевой воды с крыши. Зеленые крыши (также известные как растительные крыши) — это биоудерживающие системы, размещенные на поверхности крыши, которые собирают и временно хранят дождевую воду в почвенной среде выращивания. Они состоят из слоистой системы кровли, предназначенной для поддержки роста растений и удержания воды для поглощения растениями, предотвращая при этом запруживание на поверхности крыши. Толщина, используемая для среды выращивания, обычно составляет от 3 до 6 дюймов.

• InfilTrench: инфильтрационные траншеи — это узкие канавы, заполненные гравием, которые перехватывают сток с непроницаемых участков на склоне. Они обеспечивают объем для хранения и дополнительное время для инфильтрации собранного стока в изначальную почву ниже.

• PermPave или проницаемые покрытия : системы непрерывного проницаемого покрытия ^{[19] представляют собой вырытые участки, заполненные гравием и вымощенные} пористым бетоном или асфальтовой смесью. Системы непрерывного проницаемого покрытия представляют собой вырытые участки, заполненные гравием и вымощенные пористым бетоном или асфальтовой смесью. Системы модульных блоков похожи, за исключением того, что вместо них используются проницаемые блочные укладчики. Обычно все осадки немедленно проходят через покрытие в слой хранения гравия под ним, где они могут просачиваться естественным образом в естественную почву участка. Слои покрытия обычно имеют высоту от 4 до 6 дюймов, в то время как слой хранения гравия обычно имеет высоту от 6 до 18 дюймов. Коэффициент захвата — это процент обработанной площади (улицы или парковки), которая заменяется проницаемым покрытием.
• Цистерна: Дождевые бочки (или цистерны ) представляют собой контейнеры, которые собирают сток с крыши во время штормовых событий и могут либо сбрасывать, либо повторно использовать дождевую воду в засушливые периоды. Системы сбора дождевой воды собирают сток с крыш и направляют его в резервуар цистерны, где он может быть использован для непитьевых нужд и инфильтрации на месте. Предполагается, что система сбора состоит из заданного количества цистерн фиксированного размера на 1000 квадратных футов площади крыши. Вода из каждой цистерны забирается с постоянной скоростью и, как предполагается, потребляется или инфильтруется полностью на месте.
• VegSwale: Растительные низины — это каналы или пониженные области с покатыми сторонами, покрытые травой и другой растительностью. Они замедляют транспортировку собранного стока и дают ему больше времени для инфильтрации в родную почву под ним. Инфильтрационные бассейны — это неглубокие углубления, заполненные травой или другой естественной растительностью, которые захватывают сток с прилегающих территорий и позволяют ему инфильтроваться в почву.
• Мокрые пруды часто используются для улучшения качества воды, пополнения запасов грунтовых вод , защиты от наводнений, эстетического улучшения или любой комбинации этих целей. Иногда они действуют как замена естественного поглощения леса или другого естественного процесса, который был утрачен при освоении территории. Таким образом, эти сооружения спроектированы так, чтобы вписаться в окрестности, и рассматриваются как удобства.
• Пересохшие пруды временно хранят воду после шторма, но в конечном итоге она с контролируемой скоростью сливается в расположенный ниже по течению водоем.
• Песчаные фильтры обычно контролируют качество сточных вод, обеспечивая очень ограниченный контроль скорости потока. ^[20] Типичная система песчаных фильтров состоит из двух или трех камер или бассейнов. Первая — это седиментационная камера, которая удаляет плавающие и тяжелые отложения. Вторая — это фильтрационная камера, которая удаляет дополнительные загрязняющие вещества путем фильтрации стока через песчаный слой. Третья — это сбросная камера. Инфильтрационная траншея — это тип наилучшей практики управления (BMP), которая используется для управления ливневым стоком, предотвращения наводнений и эрозии вниз по течению, а также улучшения качества воды в соседней реке, ручье, озере или заливе. Это неглубокая выкопанная траншея, заполненная гравием или щебнем, которая предназначена для просачивания ливневых вод через проницаемые почвы в водоносный горизонт грунтовых вод.
• Полоса фильтра с растительностью — это тип буферной полосы, которая представляет собой область растительности, обычно узкую и длинную, которая замедляет скорость стока, позволяя удалять осадки, органические вещества и другие загрязняющие вещества, переносимые водой, путем осаждения. Полосы фильтра уменьшают эрозию и сопутствующее загрязнение потока и могут быть лучшей практикой управления.

Другие концепции, подобные LID, во всем мире включают устойчивую дренажную систему (SUDS). Идея SUDS заключается в попытке воспроизвести естественные системы, которые используют экономически эффективные решения с низким воздействием на окружающую среду для отвода грязных и поверхностных стоков воды путем сбора, хранения и очистки, прежде чем позволить им медленно вернуться в окружающую среду, например, в водотоки.

Кроме того, следующие особенности также могут быть смоделированы с использованием особенностей SWMM 5 ( пруды-накопители , просачивание , отверстия , плотины , просачивание и испарение из естественных каналов): искусственные водно-болотные угодья , влажные пруды , сухие пруды , инфильтрационный бассейн, неповерхностные песчаные фильтры , растительные фильтрующие полосы , растительная фильтрующая полоса и инфильтрационный бассейн. WetPark будет комбинацией влажных и сухих прудов и особенностей LID. WetPark также считается искусственным водно-болотным угодьем.

Основные компоненты SWMM 5.0.001–5.1.022 — это дождемеры, водоразделы , элементы управления LID или функции BMP, такие как влажные и сухие пруды, узлы, связи, загрязняющие вещества, землепользование, временные закономерности, кривые, временные ряды, элементы управления, трансекты, водоносные горизонты, единичные гидрографы, таяние снега и формы (таблица 3). Другие связанные объекты — это типы узлов и формы связей. Целью объектов является моделирование основных компонентов гидрологического цикла , гидравлических компонентов дренажной, канализационной или ливневой сети, а также функций накопления/смывания , которые позволяют моделировать компоненты качества воды. Моделирование водораздела начинается с истории осадков во времени. SWMM 5 имеет множество типов открытых и закрытых труб и каналов: фиктивные, круглые, заполненные круглые, прямоугольные закрытые, прямоугольные открытые, трапециевидные, треугольные, параболические, степенные, прямоугольные треугольные, прямоугольные круглые, модифицированные корзинчатые, горизонтальные эллипсы, вертикальные эллипсы, арочные, яйцевидные, подковообразные, готические, цепные, полуэллиптические, корзинчатые, полукруглые, нерегулярные, специальные и силовые.

Основными объектами гидрологии и гидравлических компонентов в SWMM 5 являются:

1. GAGE дождемер
2. SUBCATCH подводоем
3. узел транспортной системы NODE
4. ССЫЛКА ссылка на систему транспортировки
5. ЗАГРЯЗНЕНИЕ загрязняющее вещество
6. LANDUSE категория землепользования
7. TIMEPATTERN, временной график течения в сухую погоду
8. Общая таблица значений CURVE
9. TSERIES общий временной ряд значений
10. КОНТРОЛЬ правила контроля системы транспортировки
11. ТРАНСЕКТ нерегулярного поперечного сечения канала
12. ВОДОНОСНЫЙ СЛОЙ грунтовые воды водоносный горизонт
13. Единичный гидрограф UNITHYD RDII
14. SNOWMELT набор параметров снеготаяния
15. ФОРМА индивидуальная форма трубопровода
16. LID LID очистные сооружения

Основные общие компоненты вызываются во входном файле SWMM 5 и коде C движка моделирования: gage, subcatch, node, link, pollute, landuse, timepattern, curve, tseries, control, transect, aquifer, unithyd, snowmelt, shape и lid. Подмножества возможных узлов: junction, outfall, storage и divider. Узлы Storage являются либо табличными с таблицей глубины/площади, либо функциональной зависимостью между площадью и глубиной. Возможные притоки узлов включают: external_inflow, dry_weather_inflow, wet_weather_inflow, groundwater_inflow, rdii_inflow, flow_inflow, concen_inflow и mass_inflow. Притоки в сухую погоду могут включать возможные шаблоны: month_pattern, daily_pattern, hourly_pattern и weekend_pattern.

Структура компонентов SWMM 5 позволяет пользователю выбирать, какие основные гидрологические и гидравлические компоненты использовать во время моделирования:

1. Осадки/стоки с вариантами инфильтрации: Хортон, модифицированный Хортон, зеленая амплитуда и номер кривой
2. РДИИ
3. Качество воды
4. Грунтовые воды
5. Таяние снега
6. Маршрутизация потока с параметрами маршрутизации: устойчивое состояние, кинематическая волна и динамическая волна

Конвертер SWMM 3 и SWMM 4 может преобразовать до двух файлов из более ранних версий SWMM 3 и 4 одновременно в SWMM 5. Обычно преобразуется файл Runoff и Transport в SWMM 5 или файл Runoff и Extran в SWMM 5. Если есть комбинация сети SWMM 4 Runoff, Transport и Extran, то ее придется преобразовывать по частям, а два набора данных придется копировать и вставлять вместе, чтобы создать один набор данных SWMM 5. Файл координат x, y необходим только в том случае, если в строке D1 входного набора данных SWMM 4 Extran отсутствуют существующие координаты x, y. Для определения местоположения ini-файла можно использовать команду File=>Define Ini File . В ini-файле будут сохранены файлы входных данных и каталоги проекта преобразования.

Файлы SWMMM3 и SWMM 3.5 имеют фиксированный формат. Файлы SWMM 4 имеют свободный формат. Конвертер определит, какая версия SWMM используется. Конвертированные файлы можно объединить с помощью текстового редактора, чтобы объединить созданные inp-файлы.

Инструмент корректировки климата модели управления штормовыми водами (SWMM-CAT) ^[10] является новым дополнением к SWMM5 (декабрь 2014 г.). Это простая в использовании программная утилита, которая позволяет включать будущие прогнозы изменения климата в модель управления штормовыми водами (SWMM). Недавно SWMM была обновлена ​​для принятия набора ежемесячных поправочных коэффициентов для каждого из этих временных рядов, которые могут представлять влияние будущих изменений климатических условий. SWMM-CAT предоставляет набор поправок, зависящих от местоположения, которые получены из глобальных моделей изменения климата, запущенных в рамках архива проекта сравнения сопряженных моделей Всемирной программы исследований климата (WCRP), фазы 3 (CMIP3) (рисунок 4). SWMM-CAT — это утилита, которая добавляет поправки на изменение климата, зависящие от местоположения, в файл проекта модели управления штормовыми водами (SWMM). Поправки могут применяться ежемесячно к температуре воздуха, скорости испарения и осадкам, а также к 24-часовому проектному шторму с различными интервалами повторяемости. Источником этих корректировок являются глобальные модели изменения климата, запущенные в рамках архива проекта сравнения сопряженных моделей (CMIP3) Всемирной программы исследований климата (WCRP). Результаты с уменьшенным масштабом из этого архива были получены и преобразованы в изменения относительно исторических значений в рамках проекта USEPA CREAT. ^[21]

Для выбора набора корректировок, применяемых к SWMM5, используются следующие шаги:

1) Введите координаты широты и долготы местоположения, если они доступны, или его 5-значный почтовый индекс. SWMM-CAT отобразит диапазон результатов изменения климата для результатов CMIP3, наиболее близких к местоположению.

2) Выберите, использовать ли прогнозы изменения климата на основе краткосрочного или долгосрочного периода прогнозирования. Отображаемые результаты изменения климата будут обновлены, чтобы отразить выбранный выбор.

3) Выберите результат изменения климата для сохранения в SWMM. Существует три варианта, которые охватывают диапазон результатов, полученных различными глобальными климатическими моделями, используемыми в проекте CMIP3. Результат «Жарко/сухо» представляет модель, среднее изменение температуры которой было на верхнем пределе, а среднее изменение количества осадков — на нижнем пределе всех модельных прогнозов. Результат «Тепло/влажно» представляет модель, среднее изменение температуры которой было на нижнем пределе, а среднее изменение количества осадков — на более влажном пределе спектра. Результат «Медиана» относится к модели, изменения температуры и количества осадков которой были наиболее близки к медиане всех моделей.

4) Щелкните ссылку Save Adjustments to SWMM, чтобы открыть диалоговую форму, которая позволит выбрать существующий файл проекта SWMM для сохранения корректировок. Форма также позволит выбрать тип корректировок (месячная температура, испарение, осадки или 24-часовой проектный шторм) для сохранения. Преобразование единиц измерения температуры и испарения выполняется автоматически в зависимости от системы единиц (США или СИ), обнаруженной в файле SWMM.

Другие внешние программы, которые помогают в генерации данных для модели EPA SWMM 5, включают: SUSTAIN, ^[22] BASINS, ^[23] SSOAP, ^[24] и National Stormwater Calculator (SWC) EPA ^[17] , который является настольным приложением, оценивающим годовой объем дождевой воды и частоту стока с определенного участка в любой точке Соединенных Штатов (включая Пуэрто-Рико). Оценки основаны на местных почвенных условиях, почвенном покрове и исторических записях об осадках (рисунок 5).

Движок SWMM5 используется различными программными пакетами, включая многие коммерческие программные пакеты. ^[25] Некоторые из этих программных пакетов включают в себя:

• EPA-SWMM от Агентства по охране окружающей среды
• ICM SWMM от Autodesk Water Infrastructure в Autodesk
• InfoDrainage от Autodesk Water Infrastructure в Autodesk
• InfoWorks ICM, в состав которого входят компоненты RDII, Water Quality и Hydrology из SWMM5. Autodesk Water Infrastructure в Autodesk
• Анализ штормов и санитарных условий от Autodesk
• PCSWMM
• МАЙК УРБАН
• SewerGEMS и CivilStorm от Bentley Systems, Inc.
• Fluidit Sewer и Fluidit Storm
• Flood Modeler от Jacobs
• GeoSWMM
• Гисвотер
• GISpipe — программное обеспечение для интеграции EPANET и SWMM на основе ГИС.
• PySWMM от OpenWaterAnalytics ^[26]
• AquaTwin-Sewer от Aquinuity
• Tuflow от Tuflow

• Модель SWAT  – Инструмент оценки почвы и водыPages displaying wikidata descriptions as a fallback
• Стохастическая эмпирическая модель нагрузки и разбавления  – Модель качества ливневых вод
• WAFLEX  – Модель рек
• Гидрология  – наука о движении, распределении и качестве воды на Земле.
• Гидравлика  – прикладная инженерия, связанная с жидкостями
• Поверхностный сток  – поток избыточной дождевой воды, не просачивающейся в почву по ее поверхности.
• Осадки (метеорология)  – продукт конденсации атмосферного водяного пара, выпадающий под действием силы тяжести.Pages displaying short descriptions of redirect targets
• Предшествующая влажность  – гидрологический термин, описывающий относительное состояние влажности водосбора.Pages displaying wikidata descriptions as a fallback
• Эвапотранспирация  – естественные процессы движения воды в круговороте воды.
• EPANET  – Программное обеспечение для моделирования систем распределения воды
• Дождь  – осадки в виде капель воды.Pages displaying short descriptions of redirect targets
• Модель гидрологического транспорта
• Компьютерное моделирование  – процесс математического моделирования, выполняемый на компьютере.
• Загрязнение воды  – Загрязнение водоемов
• Качество воды  – Оценка по стандартам использования
• Гидрология поверхностных вод  – раздел гидрологии, изучающий надземные воды.

• EPA SWMM 5.2 Скачать
• Национальный калькулятор ливневых вод Агентства по охране окружающей среды (EPA) — на основе SWMM 5
• «Что такое управление ливневыми водами и почему это важно?». Expert Environmental Consulting - . 2018-01-31 . Получено 2023-12-11 .