全 文 ：第 34卷 第 2期 生 态 科 学 34(2): 194−200
2015 年 3 月 Ecological Science Mar. 2015

收稿日期: 2013-00-00; 修订日期: 2014-00-00
基金项目: 国家自然科学基金(51169019); 江西省教育厅(GJJ13073); 江西省科技厅(20133BBG70009); 南昌市科技局(2012-DWHZ-ZYYHJ-002)
作者简介: 蒋元勇(1989—), 男, 安徽宿州人, 硕士研究生, 主要从事城市降雨径流特征与模拟研究, E-mail:jyync2012@126.com
*通信作者: 章茹, 女, 教授, 主要从事流域管理与面源污染控制研究, E-mail: zhangru33@163.com

蒋元勇, 丰锴斌, 刘学文, 等. 城市雨洪 SWMM 模型的敏感参数研究综述[J]. 生态科学, 2015, 34(2): 194−200.
JIANG Yuanyong, FENG Kaibin, LIU Xuewen, et al. Summary of sensitive parameters SWMM model of urban stormwater[J].
Ecological Science, 2015, 34(2): 194−200.

城市雨洪 SWMM 模型的敏感参数研究综述
蒋元勇 1, 丰锴斌 1, 刘学文 1, 戴年华 2, 章茹 1, *
1. 南昌大学资源环境与化工学院, 南昌 330031
2. 江西省科学院生物资源研究所, 南昌 330096

【摘要】 伴随城市化的发展, 城市降雨径流水文机制发生改变, 城市内涝频繁发生和水质恶化严重, 最终造成城市水
生态环境退化现象日益凸显。由美国 EPA 研发的 SWMM 模型成为城市降雨径流模拟研究的重要工具, 广泛应用于城
市降雨径流产生、输移过程及其管理措施效果等方面的模拟研究, 但其参数的确定是其应用的关键性问题。可见, 对
SWMM 模型敏感参数进行识别分类及其敏感性研究, 不仅有利于降低 SWMM 模型应用时参数选取的工作量, 还可以
提高其模拟结果的准确度。将 SWMM 模型的主要敏感参数分为 6 类: 汇水区性状参数、透水性地表与不透水性地表
相关参数、下渗相关参数、传输模块参数、污染物累积冲刷相关参数和其他参数, 并分析得出敏感参数主要受模型输
出变量类型、降雨强度和土地利用类型等因素的影响。在此基础上, 提出了针对 SWMM 模型参数敏感性方面今后研
究的重点, 以期为 SWMM 模型在国内的应用与研究提供参考。

关键词：SWMM 模型; 敏感参数; 影响因素
doi:10.3969/j.issn. 1008-8873.2015.02.029 中图分类号：X143 文献标识码：A 文章编号：1008-8873(2015)02-194-07
Summary of sensitive parameters SWMM model of urban stormwater
JIANG Yuanyong1, FENG Kaibin1, LIU Xuewen1,DAI Nianhua2, ZHANG Ru1,*
1. College of Resources Environmental and Chemical Engineering, Nanchang University, Nanchang 330031, China
2. Institute of Biotic Resources, Jiangxi Academy of Sciences, Nanchang 330096, China
Abstract: With the development of urbanization, the hydrological mechanism of urban stormwater runoff keeps changing,
which causes urban flooding, water quality worsening, and the degradation of urban water environment. SWMM model was
developed by USEPA as an important tool for urban stormwater runoff simulation. It is widely used in simulation on urban
stormwater runoff generation, transport processes mechanism and the effects of management measures. But how to determine
the model parameters is the key issue for SWMM model application. The research on identifying sensitive parameters
classification and sensitivity will not only help to reduce workload of SWMM model parameter selection, but also improve
the accuracy of the model simulation results. The main sensitive parameters of SWMM model can be divided into six
categories: trait parameters catchment area, permeable and non-permeable ground surface parameters, infiltration parameters,
transmission module parameters, contaminants accumulate erosion related parameters and other parameters. Its sensitive
parameter is mainly affected by the model output variable type, rainfall intensity and land use type and other factors.
Combined with SWMM model parameter sensitivity study situation, this paper proposes the focus of future research in order
to provide reference for domestic application and research.
Key words: SWMM; sensitive parameters; influencing factors
2 期 蒋元勇, 等. 城市雨洪 SWMM 模型的敏感参数研究综述 195

1 前言
随着经济社会的快速发展, 城市化进程不断加
快, 原来大面积透水性地表逐渐被建筑物、沥青等
不透水性材料覆盖, 阻断了雨水入渗地下的通道,
降雨径流量随之增加, 造成城市内涝频繁发生; 同
时, 降雨径流冲刷城市地表 , 携带大量地表污染
物 , 汇入城市水体 , 使城市水体水质恶化和生态
功能退化现象逐渐凸显。城市降雨径流水文机制
的改变对城市水环境造成的威胁亟待解决, 成功
预测降雨径流对城市水环境造成的影响成为城市
水资源与环境管理的基础, 因此能够有效模拟降
雨径流产生、输移过程及其管理措施效果的降雨
径流模型得到了广泛的应用[1], 其中, SWMM 模
型(Storm Water Management Model)可对降雨径流
水量和水质的产生与输移过程进行动态模拟, 是
公认的最适合于城市降雨径流及其污染物模拟研
究的重要工具[2–6], 在美国等发达国家城市降雨径
流模拟研究中有着广泛的应用[7−10],已经有较好的
参考实例和应用经验。
SWMM模型在国内也开始了相关应用研究, 如
对城市排水系统的模拟与评估[11–12]、对雨洪管理措
施控制效果的模拟[13–14]和城市降雨径流污染负荷的
模拟[15]等。陈晓燕等已对 SWMM 模型主要模块的
基本原理、计算过程及主要参数的校准方法进行了
深入分析[16], 在此不再赘述。黄金良、赵冬泉和孙艳
伟等对 SWMM 模型参数敏感性研究表明, SWMM 模
型众多参数中有些参数的取值变化对模拟结果的影
响较大, 有些影响极小[17–21]。因此, 对 SWMM 模型
敏感参数进行识别分类及其敏感性研究, 不仅有利
于降低 SWMM 模型应用时参数选取的工作量, 还
可以提高其模拟结果的准确度。本文将对 SWMM
模型的汇水区性状参数、透水性地表与不透水性地
表相关参数、下渗相关参数、传输模块参数、污染
物累积冲刷相关参数和其他参数, 共 6 类模型主要
敏感参数进行分类概括, 并对模型输出变量类型、
降雨强度和土地利用类型等因素对模型敏感参数的
影响进行分析, 以期为 SWMM 模型参数的深入理
解与选取及模型的广泛应用提供参考。
2 SWMM 模型简介
SWMM 模型是 1971 年美国国家环境保护署
(USEPA)为解决日益严重的城市降雨径流污染而推
出的城市降雨径流水量和水质预测与管理的模型,
历经几次改进后, 最新版本为 SWMM Version 5.0,
主要包括水文、水力和水质模块[22]。基于 SWMM
模型具有通用性较好、模拟计算功能强等特点, 被
广泛应用于城市降雨径流水量与水质模拟研究。
SWMM 模型在水文/水力方面可以模拟单场或连续
场次降雨事件的径流产生与输移过程和排水管网与
自然排放系统的水量, 在水质方面可以模拟城市降
雨径流污染的产生过程和排水管网与自然排放系统
的水质, 能够模拟水体污染物有生化需氧量(BOD)、
化学需氧量(COD)、大肠杆菌、总氮(TN)、总磷(TP)、
总固体悬浮物(TSS)、沉淀物质、油类等 10 种及用
户自定义污染物。
3 SWMM 模型的敏感参数
SWMM模型的构建所需参数众多, 主要包括汇
水区相关参数、地表透水性能相关参数、降雨径流
下渗相关参数、输移过程相关参数和污染物累积与
冲刷相关参数等。现将 SWMM 模型主要敏感参数
列于下表(表 1)。
3.1 汇水区性状参数
汇水区性状参数主要是指 Area、Width 和%slope。
SWMM 模型的构建需要将整个汇水区抽象概化成
若干个子汇水区, 汇水区的实际概化情况, 决定了
Area 取值。在汇水区概化时, 汇水区细分程度及之
间的汇流路径对模型输出变量的影响复杂, 并与地
表坡度和土地利用类型有关。赵冬泉等研究表明,
不同坡度下汇水区的细分对模拟结果影响很大, 当
地表坡度较小时差异尤为明显, 因此对平缓地表进
行汇水区划分时应仔细考虑地表坡度因素; 子汇水
区之间汇流路径不同会对模拟结果造成影响, 对径
流峰值发生时间的影响尤为显著; 并建议当汇水区
之间具有地表坡度差异时, 应考虑子汇水区的细分
及之间汇流路径的细化, 使汇水区径流特征更符合
实际过程[23]。土地利用类型主要是对水质输出变量影
响较大。Park 等研究表明, 将不同土地利用类型的子
汇水区合并时, 模拟输出的污染物总量将减少[24]。因
此, 当研究区地表坡度空间差异较大时, 建议对汇
水区及之间汇流路径酌情细化, 并尽量保证子汇水
区的土地利用类型相同。
196 生 态 科 学 34 卷

表 1 SWMM 模型主要敏感参数
Tab. 1 Mainly sensitive parameters of SWMM model
类别 参数名称 物理意义 类别 参数名称 物理意义
Area 汇水单元面积/hm2 Con-length 导管长度/m
Width 特征宽度/m Conductivity 传导系数 汇水区性状参数
%slope 地表坡度/%
传输模块参数
Con-mann 管道曼宁糙率
%imperv 不透水区所占百分比/% Max.buildup 最大累积量/(kg⋅hm–2)
%zero-imperv 无洼蓄不透水区所占百分比/% Rate constant 累积速率常数/d–1
Des-imperv 不透水区贮水深度/mm Coefficient 冲刷系数
N-imperv 不透水区曼宁糙率
污染物累积冲刷
相关参数
Exponent 冲刷指数
Des-perv 透水区贮水深度/mm Availability 街道清扫去除效率
透水性地
表与不透
水性地表
相关参数
N-perv 透水区曼宁糙率 Cleaning effic 街道清扫去除率/%
Max.Infilt 最大下渗率/(mm⋅h–1) Decay coeff 降解速率常数/d–1
Min.Infilt 最小下渗率/(mm⋅h–1) Rain concen 降雨中污染物浓度
/(mg⋅L–1)
Decay con 衰减系数/h-1
其他参数
Dry time 雨前晴天数/d
下渗相关
参数
Curve number 曲线特征值

Width 从整体上反映子汇水区的性状, 决定模
拟时子汇水区径流流向。而%slope 主要受地形条件
的影响, 不同的测量角度与计算方法可能会得到不
同的坡度值。随着 GIS、RS、DEM 等技术及测量技
术的快速发展, 增加了相应参数的获取途径, 并使
其误差越来越小。
3.2 透水性地表与不透水性地表相关参数
各个子汇水区根据各自的地表渗透性, 可概化
成透水性地表、有洼蓄量的不透水性地表和无洼蓄
量的不透水性地表 3 种类型。透水性地表主要敏感
参数有 Des-perv 和 N-perv, 主要受地表植物有无、高
低和浓密程度等覆盖情况影响。当区域面积较大时,
该参数值的误差将很大。不透水性地表主要敏感参数
有%imperv、%zero-imperv、Des-imperv 和 N-imperv,
其中%imperv 决定了子汇水区中透水性地表与不透
水性地表的面积, 是影响降雨径流模拟过程和总径
流量的重要参数。只有当降雨强度大于土壤下渗能
力时, %imperv 的改变引起的透水性地表渗透损失
量与不透水性地表洼蓄损失量的差异不明显, 因此
当降雨强度大于土壤入渗能力时%imperv 不敏感。
%zero-imperv、Des-imperv 和 N-imperv 主要由不透
水性地表的平整度、下垫面材料及相应面积决定,
针对已定子汇水区是确定值。
3.3 下渗相关参数
透水性地表的径流下渗量由下渗模型求得。
SWMM 模型提供了 3 种下渗模型, 分别为 Horton
模型、Green-Ampt 模型和 SCS 径流曲线模型。结合
相应参数取值的难易程度, 常被选用的下渗模型为
Horton 模型和 SCS 径流曲线模型。其中, Horton 模
型主要描述下渗率随降雨时间变化的关系, 不反映
土壤饱和带与未饱和带的下垫面的情况, 需要确定研
究区的最大下渗率(Max.Infilt)、最小下渗率(Min.Infilt)、
衰减常数(Decay con)等参数; SCS 径流曲线模型是
根据能够反映研究区特征的综合参数—曲线特征参
数(Curve number)进行下渗计算, 该模型能够反映研
究区下垫面情况与前期土壤含水量状况对降雨产流
的影响, 但不能反映降雨过程对产流的影响, 一般
适合于大流域的产汇流计算。
与下渗相关的主要敏感参数有Max.infilt、Min.infilt、
Decay con 和 Curve number, 将直接影响降雨径流量
的大小, 是降雨径流模拟的重要参数, 主要由土壤
类型决定, 一般可通过实验分析获取。根据下渗相
关理论, 降雨强度较小或较大时, 下渗相关参数的
敏感性均会降低。降雨强度较小时, 下渗过程由雨
强决定; 当降雨强度大到一定程度时, 径流来不及
渗透或者土壤含水率很快饱和, 下渗相关参数则转
变为不敏感参数; 当降雨强度适中时, 下渗过程对
产汇流过程的影响才得以体现, 下渗相关参数则转
变为敏感参数。黄金良和王浩昌等研究表明当较小
强度降雨时, 透水区径流量很小甚至不产流, 此时
它们是不敏感参数, 可将其设为经验值; 当较大强
2 期 蒋元勇, 等. 城市雨洪 SWMM 模型的敏感参数研究综述 197

度降雨时, 透水性地表积水速度超过其下渗速度,
形成径流, 此时它们转为敏感参数[17, 25]。降雨径流
下渗过程是通过土壤介质层, 来实现入渗补给地下
水和提供植物水分的, 因此下渗相关参数的敏感性
应与降雨间隔长短有关。但有研究表明降雨间隔长
短造成的土壤不同的缺水情况, 对模型下渗相关参
数的敏感性影响均较小[20]。
3.4 传输模块参数
影响降雨径流传输过程的主要敏感参数是指
Con-Mann 和 Con-length, 其主要受排水管道形状与
材料的影响。传输模块参数主要是影响流量峰值及
其出现时间的敏感参数, 且其敏感性主要受降雨
强度的影响。黄金良等研究表明影响流量峰值的
敏感参数因降雨强度不同而波动, 当较大降雨强
度时, Con-Mann 和 Con-length 是影响流量峰值的
敏感参数且Con-Mann是最敏感参数; 当降雨强度
较小时, 传输模块参数则不是影响流量峰值的敏
感参数[17]。
3.5 污染物累积冲刷相关参数
SWMM模型水质模块主要是根据子汇水区土
地利用类型, 通过对各种地表污染物的累积和冲
刷模型的定义, 来模拟地表径流中的污染物的增
长、冲刷、运输和处理过程。SWMM 模型提供的
污染物累积模型有幂函数、指数、饱和函数方程,
污染物冲刷模型有指数冲刷方程、流量特征曲线
冲刷方程和事件平均浓度方程。常被选用的污染
物累积和冲刷模型分别是指数累积方程和指数冲
刷方程。其中, 指数累积方程认为污染物的累积与
时间呈一定指数关系 , 直至逼近最大累积量 , 方
程式如式(1)所示:
B=C1(1–e 2c t− ) (1)
式中: B 为污染物累积量/(kg⋅hm–2); C1为最大累积量
/(kg⋅hm–2); C2 为累积速率常数/d–1。
指数冲刷方程认为冲刷量与累积量呈正比, 与
地表径流量呈指数关系, 方程式如式(2)所示:
4caW C q B= (2)
式中: W 为污染物冲刷量/(kg⋅hm–2); Ca为冲刷系数;
C4 为冲刷指数; q 为单位面积径流量/(mm⋅h–1)。
SWMM 模型在降雨径流水质模拟时, 污染物
累积和冲刷方程的主要参数有 Max.buildup、Rate
constant、Coefficient 和 Exponent。污染物累积与冲
刷相关参数的敏感性主要受土地利用类型和降雨间
隔的影响。黄金良等以固体悬浮物(SS)为例研究了
道路、屋顶和绿地 3 种不同土地利用类型污染物累
积与冲刷相关参数的敏感性, 表明冲刷相关参数在
3 种土地利用类型中敏感性均较高; 而累积相关参
数中只有Max.buildup在道路和屋顶这2种土地利用
类型中敏感性较好[18]。降雨间隔主要是通过对地表
污染物累积量和 Rain concen 的作用, 实现对污染物
累积相关参数敏感性的影响。
污染物累积与冲刷相关参数的确定亦是 SWMM
模型应用的难题。李海燕等以上海某屋面为对象以
固体悬浮物(SS)为污染物的研究中, 通过比较试验
与模型模拟两种方式所得降雨量与单场降雨径流污
染物负荷间关系, 得到了模型模拟时所需水质相关
参数值, 该方法可作为模型水质相关参数值获取的
参考[26]。
3.6 其他参数
其他参数主要是指与水质模拟相关的参数, 有
Availability、Cleaning effic、Decay coeff、Rain concen
和 Dry time。其中, Availability、Cleaning effic 和
Decay coeff 主要是通过对污染物累积量的作用来影
响模型水质输出变量, 而 Rain concen 是作用于降雨
中污染物浓度来影响模型水质输出变量, 并受不透
水性地表面积和降雨强度的影响。赵冬泉等研究表
明, 对占研究区比例较大的不透水性地表而言, 在
强降雨时 Rain concen 是影响水质输出变量的最敏
感参数[19]。Dry time(亦称降雨间隔)主要是通过影响
Max.buildup、Rate constant、 Exponent 和下渗相关
参数的敏感性, 实现对模型输出变量的影响。Dry
time 越长, 地表污染物累积量越多, 空气中悬浮物
越多, 使 Max.buildup 和 Rate constant 取相应较大
值。赵冬泉等以屋面为对象的研究表明, 随着降雨
间隔的增加, Max.buildup、Rate constant 和 Exponent
的敏感性均有所提高; 当降雨间隔大于土壤干燥时
间, 使前后两场降雨事件相对独立时, 相应参数的
敏感性将趋于稳定[20]。因此, 建议在强降雨条件下
进行水质模拟时应对 Rain concen 进行准确分析, 在
连续降雨事件模拟时应选择 Dry time 大于土壤干燥
时间的降雨事件对模型参数进行校核, 以便提高模
型模拟的准确度。
SWMM 模型是分布式、机理性模型, 对降雨径
198 生 态 科 学 34 卷

流水量与水质的模拟过程较为复杂, 并有研究表明
复杂模型数据的不确定性将在模型其他模块模拟过
程中积累和传递[27−29], 即 SWMM 模型水文/水力模
块参数的不确定性将在水质模拟结果中被放大, 因
此 SWMM 模型对城市降雨径流水量的准确模拟是
其对水质进行准确模拟的必要条件。
4 SWMM 模型敏感参数的影响因素
由于 SWMM 模型复杂的非线性关系及模型参
数间的相互作用, 使得模型敏感参数与模型应用条
件密切相关, 即在某种应用条件下不敏感的参数,
在另一种应用条件下可能变为敏感参数。整体而言,
SWMM 模型敏感参数主要受模型输出变量类型、降
雨强度和土地利用类型等因素的影响。
4.1 输出变量类型对模型敏感参数的影响
输出变量类型主要是针对水文/水力模块的输
出变量, 主要包括总径流量、流量峰值、峰值时间、
径流深和径流系数等。影响各输出变量的敏感参数
总体上一致, 但不同输出变量的敏感参数及参数敏
感性存在差异。黄金良、王浩昌、林杰、张胜杰和
Goldstein 等研究表明, 对总径流量(或径流深或径流
系数)敏感的参数主要有%imperv、Area、Width、
%slope、N-imperv、%Zero-imperv、Des-imperv, 以
及透水区与下渗相关参数(Max.infilt、Min.infilt 和
Decay con 或 Curve number); 对流量峰值敏感的参
数主要有%imperv、Area、Width、%slope、N-imperv、
Des-perv、Con-Mann、Con-length[17,25,30–32]。理论上,
流量峰值时间主要受传输模块相应参数的影响, 其
中 Con-Mann 为其最敏感参数。Barco 等研究认为峰
值时间受 Con-Mann 影响最大[33]。
4.2 降雨强度对模型敏感参数的影响
降雨数据是 SWMM 模型重要的输入数据, 其
中降雨强度大小直接影响径流产生与汇集过程和污
染物冲刷过程的模拟。降雨强度不同, 模型参数的
敏感性存在差异, 尤其对下渗相关参数影响显著。
林杰等采用 8 场实测降雨数据对 SWMM 模型水文/
水力模块参数敏感性的分析表明, 不同场次降雨间
参数的敏感性存在差异[30]。黄金良和王浩昌等研究
表明, 降雨强度对下渗相关参数(Max.infilt、Min.
nfilt、Decay con 和 Curve number)敏感性的稳定性具
有一定影响, 雨强较小或较大时下渗相关参数的敏
感性均较低[17,25]。孙艳伟等给出了不同降雨类型时
水文/水力模块相应参数校核的方法, 当采用 Horton
入渗模型时可选用短历时高强度降雨的流量峰值
对子汇水区性状参数进行校核, 选用长历时低强
度降雨的总径流量对 Min.infilt 和 Decay con 进行
校核[21]。
降雨强度对水质模块的敏感参数亦有一定影
响。赵冬泉等研究表明占研究区比例较大的不透水
性地表的累积冲刷参数(Max.buildup、Rate constant、
Coefficient 和 Exponent), 在小强度降雨时敏感性较
高, 在大强度降雨时降雨中污染物浓度(Rain concen)
成为最敏感参数, 其他参数敏感性较低[19]。
4.3 土地利用类型对模型敏感参数的影响
土地利用类型一般可分为道路、屋面和绿地 3
类。土地利用类型的不同使模型敏感参数存在差
异 , 主要体现在分别以透水性地表(如绿地)和不
透水性地表(如道路、屋面)为主时, 模型敏感参数
的不同。黄金良等以主要用地类型为透水性较好
的绿地为对象的研究, 表明 Des-imperv、Des-perv
和 Curve number 是模型的敏感参数, 可识别性较
好[18]。而王浩昌等以面积约占 70%的路面或屋面
为对象的研究, 表明 Des-imperv 和 Des-perv 不是
模型敏感参数[25]。
5 结语
城市降雨径流水文机制的改变, 造成城市水体
水质恶化与水生态环境退化现象逐渐凸显, SWMM模
型成为城市降雨径流模拟研究的重要工具, 并被广
泛应用于城市降雨径流产生、输移过程及其管理措
施效果的模拟研究。SWMM 模型应用中最关键的问
题是敏感参数的确定, 对 SWMM 模型敏感参数进
行识别分类及其敏感性研究逐渐成为学者研究的热
点。对 SWMM 模型敏感参数进行识别分类及其敏
感性研究, 不仅有利于降低 SWMM 模型应用时参
数选取的工作量, 还可以提高其模拟结果的准确
度。SWMM 模型的主要敏感参数可分为 6 类: 汇水
区性状参数(Area、Width、%slope)、透水性地表与
不透水性地表相关参数(%imperv、%zero-imperv、
Des-imperv、N-imperv、Des-perv、N-perv)、下渗相
2 期 蒋元勇, 等. 城市雨洪 SWMM 模型的敏感参数研究综述 199

关参数(Max.Infilt、Min.Infilt、Decay con 和 Curve
number)、传输模块参数(Con-length、Conductivity、
Con-mann)、污染物累积冲刷相关参数(Max.buildup、
Rate constant、Coefficient、Exponent)和其他参数
(Availability、Cleaning effic、Decay coeff、Rain
concen、Dry time)。SWMM 模型的敏感参数主要受
模型输出变量类型、降雨强度和土地利用类型等因
素的影响。
为了 SWMM 模型能够更加广泛的应用 , 对
SWMM模型参数的敏感性应从以下4个方面展开深
入研究: 1)加强水质模块相关参数敏感性的分析, 尤
其是对不同土地利用类型和不同水质指标的模型参
数敏感性分析; 2)在采用单场降雨事件对模型参数
进行校核的基础上, 加强采用长期连续性降雨事件
对模型参数校核的探讨; 3)在进行降雨强度对模型
参数敏感性研究的同时, 加强雨型和降雨历时对模
型参数敏感性影响的研究; 4)基于模型准确度的基
础上, 加强不同建模尺度条件下模型参数敏感性的
分析。
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