论文部分内容阅读
摘 要：为了提高城市排水管网课程教学效果，运用SWMM排水模型软件，构建城市排水管网虚拟仿真实验教学系统。在教学中，应用虚拟仿真实验系统模拟不同降水条件下的城市地表产汇流过程，再现城市排水系统各单元的运行流程，达到了与真实实验相同的教学效果。通过虚拟仿真实验，学生掌握了SWMM模型原理和软件基本操作，加深了对复杂的排水管网设计、计算、运行的理解，很大程度上激发了学生的学习兴趣，而且提高了学生的工程实践能力。
关键词：城市排水管网系统 虚拟仿真 实验教学 SWMM模型
中图分类号：G642;TP242.2 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2021）07（b）-0167-04
Design of Virtual Simulation Experiment Teaching for Urban Drainage System Based on SWMM
ZHENG Jianfeng
（School of Environmental and Municipal Engineering， Tianjin Chengjian University， Tianjin， 300384 China）
Abstract： In order to improve the teaching effect of urban drainage network course， a virtual simulation experiment teaching system of urban drainage network is constructed by using SWMM drainage model software. In teaching， the virtual simulation experiment system is used to simulate the process of urban surface runoff and concentration under different precipitation conditions， reproduce the operation process of each unit of urban drainage system， and achieve the same teaching effect as the real experiment. Through the virtual simulation experiment， students master the principle of SWMM model and the basic operation of software， deepen their understanding of the design， calculation and operation of complex drainage pipe network， stimulate students' interest in learning to a great extent， and improve students' engineering practice ability.
Key Words： Urban sewerage system; Virtual simulation; Experiment teaching; SWMM
排水管网系统作为给排水科学与工程专业主干核心课，包括理论教学、实习和课程设计3个主要环节。目前传统的“快排”城市排水模式，已逐渐转变为“源头分散控制”为主的海绵城市模式[1，2]，这拓宽了排水管网课程的内容，加大了课程的教学难度，给该课程的教学提出了新要求。城市排水系统设施众多、形式多样、水力计算复杂，传统的教学方法无法呈现完整排水过程，学生只能看到排水管道、泵站等排水设施的外观形态，却对完整的城市排水管网系统及其运行的过程缺乏了解，学生难以将理论联系到实际。通过虚拟仿真实验，模拟不具备实验条件或难以实现的真实实验，达到与真实实验相同的教学效果，且具有安全、可靠、经济、操作灵活等优点[3]，是目前实验教学的重要组成部分及热点研究方向。
目前，InfoWorks ICM、Mike Urban等排水模型软件已广泛应用于城市排水系统模拟仿真和设计运行，但此类商业软件因价格昂贵，限制了其在教学方面的应用。SWMM模型是由美国国家环保局开发的城市排水管理模型，该模型能够实时模拟降雨过程中的产流、匯流、管道输送、污染物累计和冲刷过程，是目前最常用的城市降雨-径流-水质模型，广泛应用于世界各国城市排水系统的规划、设计与管理[4，5]。因其具有小巧、免费且源代码公开的优点，非常适合应用于城市排水系统虚拟仿真实验教学。为此，本文借助SWMM软件实现城市排水管网系统虚拟仿真实验，再现排水系统各单元的运行流程，仿真不同降水条件下的城市地表产汇流过程，从而加深学生对城市排水系统工作原理、水力计算、工程设计等知识的理解，提高学生的城市排水系统工程实践与管理能力。
1 虚拟仿真实验平台构建
1.1 实验目的
排水管网系统虚拟仿真实验的目的在于解决排水管网系统课程理论知识“碎片化”与实践教学“表面化”两大难点问题，将课堂教学、传统实践教学和虚拟仿真教学有机结合（见图1），具体如下。
（1）了解城市排水管网系统虚拟仿真建模技术的基本原理与方法。
（2）通过对汇水区域划分与排水管网系统信息化处理方法的学习与实践，从直观上认识城市排水管网系统的整体构成及运行方式。
（3）通过模型参数率定和模型计算，进一步掌握排水管网系统的设计计算理论和方法。 （4）通过虚拟仿真实验，掌握不同排水体制的特点，了解“海绵城市”的设计理念和雨水综合利用的方式。
1.2 实验平台设计
实验平台构建包括4个主要步骤，分别为数据资料整理、模型概化、模型参数选取和模型参数率定与验证（见图2）。
1.2.1 数据资料整理
构建模型所需包括水文、下垫面、排水系统和边界条件四种类型资料，具体见表1。
1.2.2 模型概化
根据建模区排水管网资料及SWMM模型配置要求，结合地形、土地利用状况及管道走向等情况，对建模区进行子汇水区域划分;根据建模区域雨水管网CAD图和土地利用类型分布图，利用GIS软件获取子汇水区数据，包括特征宽度、平均坡度、管长、管径及节点高程。
1.2.3 模型参数选取
SWMM模型中参数分为确定参数和不确定参数两类。确定参数可利用现有基础数据获得，如子汇水面积、管长、管径、节点高程等，在建模中不需要率定;不确定参数是需要通过算法率定，或经过查阅相关资料、研究分析或经验值法来确定，如入渗模型参数、曼宁粗糙系数等。
1.2.4 模型验证
将输入实际降雨数据输入模型，计算获得结果，通过与监测点实测数据的对比，验证模型的可靠性，选用相对误差作为评判标准。
（1）
式中，为实测洪峰流量;为模型计算得到的洪峰流量。
误差允许范围可按城市排水系统水力模拟应用规范[6]规定。若相对误差在误差允许范围内，表明模型计算结果可靠，能用于虚拟仿真实验;反之，重新调整参数，直至满足精度要求。
2 教学过程与考核
教学实验主要包括实验准备、虚拟实验、实验总结三大环节。根据实验内容进行学生交互性操作设计，实验设计环环相扣，若其中一步设计不合理，会对整个流程的操作产生影响。
2.1 实验准备
实验前期准备包括熟悉水文、管网、地形地貌等相关资料，阅读实验手册、观看引导视频，掌握实验原理、方法及操作步骤等。实验预习知识点测试满分10分，错一个扣1分，成绩低于6分为不合格，需重新学习，直至考核合格后方可进入下一环节。
2.2 实验过程
选取三种国内最常见的排水模式作为虚拟仿真实验情景，分别为直排模式（模式1）、直排+调蓄池排水模式（模式2）和海绵城市排水模式（模式3），将学生分为三组，每组学生选取一个排水模式进行虚拟仿真实验。进一步进行参数的率定，该环节是虚拟仿真实验的重点。子汇水区面积、节点高程、管长、管径等参数不需要校准调整，要求学生根据所给资料通过统计计算获取。入渗模型参数、曼宁粗糙系数等，要求学生通过算法校准，或是需要学生根据所学的理论知识，结合工程实践经验进行选取。根据参数选取的准确度计算出实验操作得分。
2.3 实验总结
给出实验准备、实验过程2个环节成绩，实验总结提交后由任课教师进行评分。三部分成绩总和即为实验课程总成绩。考核系统具体考核内容、要求及评分细则见表2。进一步通过对3种模式的模拟结果分析和对比的讲解，使学生深入了解实际中常见的3种排水模式的特点，掌握排水管网设计与运行管理的方法。
3 结语
（1）排水管网系统模拟仿真实验能够模拟不同降雨下地表产汇流情况，可视化分析管网系统运行情况，让学生直观清楚地了解城市排水系统运行的完整过程;
（2）建立了城市排水系统运行虚拟仿真实验教学平台，对于城市给水、热力等市政管网系统虚拟仿真实验教学平台的建设，具有一定参考价值;
（3）应用该实验教学系统，不仅能使学生掌握SWMM排水模型原理和软件基本操作，而且有利于深入透彻理解城市排水管网设计计算理论和方法，很大程度上提高了学生的学习兴趣和工程实践能力。
参考文献
[1] PENG JING， YU LEI， CUI YANYU.Application of SWMM 5.1 in flood simulation of sponge airport facilities[J].Water Science and Technology，2020， 81（6）：1264-1272.
[2] 陈文杰. 城市洪涝水文水动力模型构建与洪涝管理关键问题研究[D].广州：华南理工大学，2019.
[3] 田英，王兴波，傅贵武，等.工程教育背景下智能制造虚拟仿真实验教学平台建设[J]. 中国设备工程， 2021.04 （上）：214-215.
[4] Yang Y， Chui TFM. Incorporating external green infrastructure models into storm water management model （SWMM） simulations using interface files [J]. Journal of the American Water Resources Association， 2020，56（6）： 1083-1093.
[5] Choo YeonMoon， Sim SangBo， Choe YeonWoong. A Study on Urban Inundation Using SWMM in Busan， Korea， Using Existing Dams and Artificial Underground Waterways [J]. Water， 2021， 13（12）：1708-1708.
[6] 張海行，张伟杨，文辉，等. 基于水力排水模型的宁波海绵试点区内涝风险评估[J]. 中国给水排水， 2020，36（12）： 8-13.
关键词：城市排水管网系统 虚拟仿真 实验教学 SWMM模型
中图分类号：G642;TP242.2 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2021）07（b）-0167-04
Design of Virtual Simulation Experiment Teaching for Urban Drainage System Based on SWMM
ZHENG Jianfeng
（School of Environmental and Municipal Engineering， Tianjin Chengjian University， Tianjin， 300384 China）
Abstract： In order to improve the teaching effect of urban drainage network course， a virtual simulation experiment teaching system of urban drainage network is constructed by using SWMM drainage model software. In teaching， the virtual simulation experiment system is used to simulate the process of urban surface runoff and concentration under different precipitation conditions， reproduce the operation process of each unit of urban drainage system， and achieve the same teaching effect as the real experiment. Through the virtual simulation experiment， students master the principle of SWMM model and the basic operation of software， deepen their understanding of the design， calculation and operation of complex drainage pipe network， stimulate students' interest in learning to a great extent， and improve students' engineering practice ability.
Key Words： Urban sewerage system; Virtual simulation; Experiment teaching; SWMM
排水管网系统作为给排水科学与工程专业主干核心课，包括理论教学、实习和课程设计3个主要环节。目前传统的“快排”城市排水模式，已逐渐转变为“源头分散控制”为主的海绵城市模式[1，2]，这拓宽了排水管网课程的内容，加大了课程的教学难度，给该课程的教学提出了新要求。城市排水系统设施众多、形式多样、水力计算复杂，传统的教学方法无法呈现完整排水过程，学生只能看到排水管道、泵站等排水设施的外观形态，却对完整的城市排水管网系统及其运行的过程缺乏了解，学生难以将理论联系到实际。通过虚拟仿真实验，模拟不具备实验条件或难以实现的真实实验，达到与真实实验相同的教学效果，且具有安全、可靠、经济、操作灵活等优点[3]，是目前实验教学的重要组成部分及热点研究方向。
目前，InfoWorks ICM、Mike Urban等排水模型软件已广泛应用于城市排水系统模拟仿真和设计运行，但此类商业软件因价格昂贵，限制了其在教学方面的应用。SWMM模型是由美国国家环保局开发的城市排水管理模型，该模型能够实时模拟降雨过程中的产流、匯流、管道输送、污染物累计和冲刷过程，是目前最常用的城市降雨-径流-水质模型，广泛应用于世界各国城市排水系统的规划、设计与管理[4，5]。因其具有小巧、免费且源代码公开的优点，非常适合应用于城市排水系统虚拟仿真实验教学。为此，本文借助SWMM软件实现城市排水管网系统虚拟仿真实验，再现排水系统各单元的运行流程，仿真不同降水条件下的城市地表产汇流过程，从而加深学生对城市排水系统工作原理、水力计算、工程设计等知识的理解，提高学生的城市排水系统工程实践与管理能力。
1 虚拟仿真实验平台构建
1.1 实验目的
排水管网系统虚拟仿真实验的目的在于解决排水管网系统课程理论知识“碎片化”与实践教学“表面化”两大难点问题，将课堂教学、传统实践教学和虚拟仿真教学有机结合（见图1），具体如下。
（1）了解城市排水管网系统虚拟仿真建模技术的基本原理与方法。
（2）通过对汇水区域划分与排水管网系统信息化处理方法的学习与实践，从直观上认识城市排水管网系统的整体构成及运行方式。
（3）通过模型参数率定和模型计算，进一步掌握排水管网系统的设计计算理论和方法。 （4）通过虚拟仿真实验，掌握不同排水体制的特点，了解“海绵城市”的设计理念和雨水综合利用的方式。
1.2 实验平台设计
实验平台构建包括4个主要步骤，分别为数据资料整理、模型概化、模型参数选取和模型参数率定与验证（见图2）。
1.2.1 数据资料整理
构建模型所需包括水文、下垫面、排水系统和边界条件四种类型资料，具体见表1。
1.2.2 模型概化
根据建模区排水管网资料及SWMM模型配置要求，结合地形、土地利用状况及管道走向等情况，对建模区进行子汇水区域划分;根据建模区域雨水管网CAD图和土地利用类型分布图，利用GIS软件获取子汇水区数据，包括特征宽度、平均坡度、管长、管径及节点高程。
1.2.3 模型参数选取
SWMM模型中参数分为确定参数和不确定参数两类。确定参数可利用现有基础数据获得，如子汇水面积、管长、管径、节点高程等，在建模中不需要率定;不确定参数是需要通过算法率定，或经过查阅相关资料、研究分析或经验值法来确定，如入渗模型参数、曼宁粗糙系数等。
1.2.4 模型验证
将输入实际降雨数据输入模型，计算获得结果，通过与监测点实测数据的对比，验证模型的可靠性，选用相对误差作为评判标准。
（1）
式中，为实测洪峰流量;为模型计算得到的洪峰流量。
误差允许范围可按城市排水系统水力模拟应用规范[6]规定。若相对误差在误差允许范围内，表明模型计算结果可靠，能用于虚拟仿真实验;反之，重新调整参数，直至满足精度要求。
2 教学过程与考核
教学实验主要包括实验准备、虚拟实验、实验总结三大环节。根据实验内容进行学生交互性操作设计，实验设计环环相扣，若其中一步设计不合理，会对整个流程的操作产生影响。
2.1 实验准备
实验前期准备包括熟悉水文、管网、地形地貌等相关资料，阅读实验手册、观看引导视频，掌握实验原理、方法及操作步骤等。实验预习知识点测试满分10分，错一个扣1分，成绩低于6分为不合格，需重新学习，直至考核合格后方可进入下一环节。
2.2 实验过程
选取三种国内最常见的排水模式作为虚拟仿真实验情景，分别为直排模式（模式1）、直排+调蓄池排水模式（模式2）和海绵城市排水模式（模式3），将学生分为三组，每组学生选取一个排水模式进行虚拟仿真实验。进一步进行参数的率定，该环节是虚拟仿真实验的重点。子汇水区面积、节点高程、管长、管径等参数不需要校准调整，要求学生根据所给资料通过统计计算获取。入渗模型参数、曼宁粗糙系数等，要求学生通过算法校准，或是需要学生根据所学的理论知识，结合工程实践经验进行选取。根据参数选取的准确度计算出实验操作得分。
2.3 实验总结
给出实验准备、实验过程2个环节成绩，实验总结提交后由任课教师进行评分。三部分成绩总和即为实验课程总成绩。考核系统具体考核内容、要求及评分细则见表2。进一步通过对3种模式的模拟结果分析和对比的讲解，使学生深入了解实际中常见的3种排水模式的特点，掌握排水管网设计与运行管理的方法。
3 结语
（1）排水管网系统模拟仿真实验能够模拟不同降雨下地表产汇流情况，可视化分析管网系统运行情况，让学生直观清楚地了解城市排水系统运行的完整过程;
（2）建立了城市排水系统运行虚拟仿真实验教学平台，对于城市给水、热力等市政管网系统虚拟仿真实验教学平台的建设，具有一定参考价值;
（3）应用该实验教学系统，不仅能使学生掌握SWMM排水模型原理和软件基本操作，而且有利于深入透彻理解城市排水管网设计计算理论和方法，很大程度上提高了学生的学习兴趣和工程实践能力。
参考文献
[1] PENG JING， YU LEI， CUI YANYU.Application of SWMM 5.1 in flood simulation of sponge airport facilities[J].Water Science and Technology，2020， 81（6）：1264-1272.
[2] 陈文杰. 城市洪涝水文水动力模型构建与洪涝管理关键问题研究[D].广州：华南理工大学，2019.
[3] 田英，王兴波，傅贵武，等.工程教育背景下智能制造虚拟仿真实验教学平台建设[J]. 中国设备工程， 2021.04 （上）：214-215.
[4] Yang Y， Chui TFM. Incorporating external green infrastructure models into storm water management model （SWMM） simulations using interface files [J]. Journal of the American Water Resources Association， 2020，56（6）： 1083-1093.
[5] Choo YeonMoon， Sim SangBo， Choe YeonWoong. A Study on Urban Inundation Using SWMM in Busan， Korea， Using Existing Dams and Artificial Underground Waterways [J]. Water， 2021， 13（12）：1708-1708.
[6] 張海行，张伟杨，文辉，等. 基于水力排水模型的宁波海绵试点区内涝风险评估[J]. 中国给水排水， 2020，36（12）： 8-13.