SWMM 介紹

暴雨管理模式(Storm Water Management Model, SWMM)為美國環境保護署 (U.S. Environmental Protection Agency, U.S.EPA)所研發，SWMM 的優點在於其模 式分為兩個物件模組，可視化物件(Visual Objects)與不可視化物件(Non-visual Objects)。可視化物件和可以對研究區域輸入的數據進行編輯，並利用不可視化 物件輸入研究區域的相關背景條件與描述檔即可模擬出包含水文歷程、管線水流 和水質等演變過程。

可視化物件內容包含雨量站(Rain gage)、子集水區(Subcatchments)、節點系 統(node)(連接點、排水點、分流點、儲水單元)與連結系統(Link)(管線或渠道、水 泵、流量調節器)。建立 SWMM 模擬首先需要劃定子集水區的區域與數量，本研 究透過GIS 軟體取得設置子集水區所需要之參數，其中包含面積、寬度、坡度、

不透水面百分比。透過結合不可視化物件等數據參數，如氣象參數、水文參數、

水力參數、水質參數及各項數據列表等。

圖3-11 可視化物件所構築之排水系統（EPA，2015）

在模擬方面透過從水文運算理論、LID 模組與主要之參數設定詳述在子集水 區中地表逕流的產生與計算方式，並在進入都市排水管線中將以何種流體演算方 式進行模擬。

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(一) 水文運算

1. 地表逕流模擬

在模擬地表逕流部分，SWMM 所採用將地表作為非線性水庫(Nonlinear Reservoir)進行模擬，其中在模擬逕流量的公式為透過曼寧公式求解，計算如式 SWMM 中提供 Hotorn’s Equation、Modified Hotorn’s Equation、Green-Ampt Method、

Modified Green-Ampt Method 與 SCS Curve Number method 五種方程式可以選擇。

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Hotorn’s Equation 主要是以觀測之經驗式做為運算，此經驗式需要透過輸入最大 與最小入滲速率、描述速率如何隨時間下降的衰退係數以及飽和土壤完全排乾所 需要的時間。本研究基於土壤參數相對便於估計與Hotorn’s Equation 適用於模擬 降雨強度大於入滲量之情況之因素故使用其作為入滲模擬之方法。參考公式如式 3.2。

𝑓_𝑡=𝑓_𝑐+(𝑓₀− 𝑓_𝑐)𝑒^−𝑘𝑡 (式 3.2) 式中，𝑓_𝑡：時間t 內之平均入滲率(mm/hr)

𝑓_𝑐：最終平衡入滲率(mm/hr) 𝑓₀：起始入滲率(mm/hr) k：入滲常數(1/hr) t：降雨時間(hr) 3. 流體演算

當地表逕流透過人孔蓋等管點進入排水系統管道中時，SWMM 會開始進行 管渠中的流體演算，模式提供了三種流體演算法，分別為穩定流演算(Steady Flow Routing)、運動波演算(Kinematic Wave Routing)與動力波演算(Dynamic Wave Routing)，可透過使用者需求選擇演算方法，詳細比較請參考表 3-6。本研究因可 慮到都市地區管渠流路有蓄水、迴水壓力流等因素，故在流體演算上採用動力波 演算來模擬。

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表3-5 SWMM 流體演算概述

演算方程式 概述

穩定流演算(Steady Flow Routing)

該類演算不考慮渠道蓄水、迴水影響、進 口/出口損失、流向逆轉或者壓力流動。它 僅僅用於樹狀輸送網路。這種形式的演算 對使用的時間步長不敏感，僅適合於利用 長期連續模擬支線管路的初步分析。

運動波演算(Kinematic Wave Routing)

運動波演算允許流量和面積隨管渠空間和

動力波演算(Dynamic Wave Routing)

動態波演算可以考慮管道蓄水、迴水、進

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圖3-13 SWMM 中 LID 之概念圖 (EPA，2010)

表3-6 SWMM 中 LID 設置所需參數

（EPA, 2010）

LID Type Surface Pavemant Soil Storage Uderdrain

Bio-retension Cell X X X O

Green Roof X X X

Permeable

Pavement X X X O

Infiltration

Trench X X O

Rain Barrel X X

Vegetative Swale X

注：x 為必要參數、o 為選擇性參數

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(三) 主要之參數設定

SWMM 在可視化物件中包含雨量站(Rain gage)、子集水區(Subcatchments)、

節點系統(node)(連接點、排水點、分流點、儲水單元)與連結系統(Link)(管線或渠

Smooth asphalt 0.011 Smooth concrete 0.012 Ordinary concrete lining 0.013 Good wood 0.014 Brick with cement mortar 0.014 Vitrified clay 0.015 Cast iron 0.015 Corrugated metal pipes 0.024 Cement rubble surface 0.024 Fallow soils (no residue) 0.05

Cultivated soils

Residue cover < 20% 0.06 Residue cover > 20% 0.17 Range (natural) 0.13

Grass

Short, prarie 0.15 Dense 0.24 Bermuda grass 0.41

Woods

Light underbrush 0.40 Dense underbrush 0.80

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Asbestos-cement pipe 0.011 - 0.015 Brick 0.013 - 0.017 Cast iron pipe - Cement-lined & seal

coated

0.011 - 0.015

Concrete (monolithic) - Smooth forms 0.012 - 0.014

- Rough forms 0.015 - 0.017 Concrete pipe 0.011 - 0.015

Corrugated-metal pipe (1/2-in. x 2-2/3-in.

corrugations)

- Plain 0.022 - 0.026 - Paved invert 0.018 - 0.022 - Spun asphalt lined 0.011 - 0.015 Plastic pipe (smooth) 0.011 - 0.015

Vitrified clay - Pipes 0.011 - 0.015 - Liner plates 0.013 - 0.017

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