張春森， 于 振， 吳滿意

(1.西安科技大學測繪科學與技術(shù)學院，西安 710000； 2.自然資源部第一地形測量隊，西安 710054)

近年來，隨著城市發(fā)展速度的加快、城市化進程不斷推進，由于城市內(nèi)下墊面硬化引起雨水下滲能力降低，進而導致在強降雨條件下城市內(nèi)澇危害日益得到關(guān)注[1]。暴雨洪水管理模型(storm water management model, SWMM)是一個動態(tài)的降雨-徑流模擬模型，主要用于徑流水量和水質(zhì)的單一事件或者長期模擬[2]。SWMM能對數(shù)據(jù)的輸入結(jié)果和輸出結(jié)果進行直觀地表達，例如對子匯水面積的徑流、管段流量、節(jié)點洪流等數(shù)據(jù)進行彩色編碼，并可以用多種形式對結(jié)果進行顯示，包括提供結(jié)果的時間序列曲線和圖表、坡面圖以及統(tǒng)計頻率的分析結(jié)果，可以對模擬過程進行動畫演示等[3]。使得SWMM在世界范圍內(nèi)的應用越來越廣泛，主要用于城市地區(qū)雨水徑流模擬，合流管道、污水管道、雨水管道的分析、設(shè)計，以及其他排水系統(tǒng)的規(guī)劃和設(shè)計[4-5]。

地理國情監(jiān)測是在中國范圍內(nèi)開展的全面獲取地理國情信息的基礎(chǔ)性工作[6]。監(jiān)測的數(shù)據(jù)成果能夠反映地表特征、地理現(xiàn)象和人類活動等基本地理環(huán)境要素的范圍、位置、屬性和數(shù)量特征。地理國情監(jiān)測成果的有效應用和轉(zhuǎn)化，為進一步對其進行定量化、空間化的動態(tài)監(jiān)測，統(tǒng)計分析其變化特征、地域差異等提供理論指導。

基于此，首先利用地理國情監(jiān)測成果中的下墊面數(shù)據(jù)，計算子匯水區(qū)不透水率、土壤下滲率以及子匯水區(qū)坡度等各種參數(shù)，下墊層數(shù)據(jù)主要包括研究區(qū)域的土地利用類型和地形數(shù)據(jù)；其次利用建立模型最基本的管網(wǎng)數(shù)據(jù)，包括研究區(qū)內(nèi)地下排水管道的長度、管徑(或長與寬)、管道始末端的高程，以及雨水井或檢查井深度、高程等數(shù)據(jù)，涉及研究區(qū)雨水管線、雨污合流兩類管線；最后使用Morris指數(shù)篩選法對模型參數(shù)進行敏感性分析，并利用積水過程進行參數(shù)率定，達到模型優(yōu)化的效果。

1 SWMM構(gòu)建

1.1 子匯水區(qū)優(yōu)化

建立SWMM雨洪模型的計算基礎(chǔ)是子匯水區(qū)劃分[7]，以分級劃分的方法對研究區(qū)的子匯水區(qū)進行統(tǒng)一劃分。即通過對地理國情監(jiān)測數(shù)據(jù)與地形數(shù)據(jù)的研究分析，從城市用地分類出發(fā)將城市分為中心城區(qū)和郊區(qū)，依據(jù)城市河流的主干水系進行一級匯水區(qū)劃分，將影響城區(qū)和郊區(qū)的建筑物、地面溝渠等不同徑流因子分別融入數(shù)字高程模型(digital elevation model,DEM)中，制作精細化DEM數(shù)據(jù)并進行二級子匯水區(qū)劃分，在二級子匯水區(qū)劃分的基礎(chǔ)上，根據(jù)實際情況并結(jié)合排水管道概化節(jié)點，在每一個二級子匯水區(qū)內(nèi)部應用泰森多邊形方法進行三級子匯水區(qū)劃分，基本保證每一個管道節(jié)點對應一個三級子匯水區(qū)面[8]。

根據(jù)地理國情監(jiān)測成果和地形成果分析，延安城區(qū)內(nèi)所涉及主要河流為延河及其支流，一級匯水區(qū)以主要河流為邊界，將延安市劃分為5個一級匯水區(qū)塊，如圖1(a)所示。

二級子匯水區(qū)主要是通過自然地形特征和主干管網(wǎng)分布，在一級子匯水區(qū)內(nèi)上進行自然匯水區(qū)塊的劃分。由于在匯水區(qū)范圍內(nèi)存在諸多人工建筑物與構(gòu)筑物，從某種程度上已經(jīng)改變匯水區(qū)的自然地形狀況，故需對傳統(tǒng)的DEM進行精細化修正，以得到更符合實際地形地貌狀況的精細化DEM。在此基礎(chǔ)上再進行水文分析，得到與實際更接近的地表匯水情況，并進行二級子匯水區(qū)的劃分，如圖1(b)所示。

三級子匯水區(qū)就是在二級子匯水區(qū)劃分的基礎(chǔ)上，充分考慮城市雨水井即管線排水節(jié)點對城市排水能力的影響。利用概化后排水節(jié)點的排水能力，使用泰森多邊形技術(shù)，對二級子匯水區(qū)內(nèi)部進行一定輻射范圍的子匯水區(qū)加密，結(jié)合延安市排水管道節(jié)點，通過使用泰森多邊形技術(shù)，得到既考慮城市地形又考慮到城市管網(wǎng)排水能力的三級子匯水區(qū)，如圖1(c)所示。

圖1 匯水區(qū)

1.2 管網(wǎng)優(yōu)化

原始管線數(shù)據(jù)概化的處理方式通常分為三大類：①修剪，即刪除細碎的支管以及相應的節(jié)點；②合并，即將參數(shù)(管徑、走向、坡度等)相同或相近的管段合并成一條連續(xù)管段；③補全，當研究區(qū)內(nèi)沒有完整的管網(wǎng)數(shù)據(jù)資料時，在沒有管網(wǎng)數(shù)據(jù)的地方，實地考察井蓋，根據(jù)井蓋的分布位置，補全管線。

研究區(qū)域是通過去掉長度低于20 m或管徑低于100 mm相結(jié)合的方式對延安城區(qū)的管線進行刪減，并且通過合并同屬性的一條連續(xù)管段來實現(xiàn)管道合并，對缺失部分通過資料判斷分析和實地調(diào)查兩種方式補全管線。完成上述的“刪”“合”“補”等步驟后，對管線進行連續(xù)性空間拓撲檢查，最終得到延安市管線概化成果，如圖2所示。

節(jié)點的設(shè)置原則一方面遵從路面的檢查井布置，另一方面考慮地形變化，再根據(jù)道路的形狀進行適當簡化。

管線節(jié)點概化是結(jié)合管線概化結(jié)果對管道節(jié)點進行增加和刪減，支管刪減可概化為一個節(jié)點，若該區(qū)域節(jié)點密集可根據(jù)實際情況進行簡化，節(jié)點概化成果如圖3所示。

圖2 管線概化成果圖

圖3 節(jié)點概化成果

1.3 參數(shù)計算

1.3.1 匯水區(qū)參數(shù)計算

匯水區(qū)的主要參數(shù)有面積、寬度、坡度、不透水率、不透水面的曼寧系數(shù)、透水面的曼寧系數(shù)、不透水面的洼蓄量、透水面的洼蓄量、無洼地不透水面所占百分比[9]。

(1)匯水區(qū)寬度計算：SWMM特征寬度存在多種算法，研究采用SWMM推薦算法進行計算，即使用匯水區(qū)面積比水流長度的方法進行求解。

(2)匯水區(qū)坡度計算：SWMM計算中采用的坡度特征值為每個匯水區(qū)的平均坡度，平均坡度的獲取需要通過DEM的表面分析得到坡度柵格圖像，再采用區(qū)域統(tǒng)計工具得到每個匯水區(qū)的平均坡度。

(3)匯水區(qū)不滲透百分比計算：SWMM中子匯水區(qū)不滲透百分比為每個匯水區(qū)中不透水面所占的百分比。研究區(qū)域以延安市地理國情監(jiān)測數(shù)據(jù)中的地表覆蓋為不透水面的分類基礎(chǔ)，來確定不透水面的占比情況。表1所示為部分地理國情監(jiān)測的不透水面類型，圖4所示為地理國情監(jiān)測的不透水面與透水面分類圖。

(4)不透水面、透水面的曼寧系數(shù)計算：曼寧系數(shù)是綜合反映匯水面粗糙情況對水流影響的系數(shù)。研究區(qū)通過地理國情監(jiān)測地表覆蓋情況，依據(jù)SWMM推薦參數(shù)，給與每個地表覆蓋不同的曼寧n值，然后通過加權(quán)平均計算出每個匯水區(qū)面的曼寧n。表2所示為部分地理國情監(jiān)測各類地表覆蓋曼寧n(初值)。

(5)不透水面的洼蓄量、透水面的洼蓄量計算：洼蓄量指的是降雨時每個地表類型所能儲蓄的最大蓄水量。研究區(qū)通過地理國情監(jiān)測地表覆蓋情況，依據(jù)SWMM推薦參數(shù)，給與每個地表覆蓋不同洼蓄量，然后通過加權(quán)平均計算出每個匯水區(qū)面的洼蓄量。表3所示為各類地表覆蓋洼地蓄水量(初值)。

表1 地理國情監(jiān)測的不透水面類型

圖4 地理國情監(jiān)測的不透水面與透水面分類圖

(6)無洼地不透水面百分比計算：無洼地不滲透百分比，指的是沒有蓄水能力的不透水面所占的比例。研究區(qū)域以延安市地理國情普查數(shù)據(jù)中的地表覆蓋為不透水面的分類基礎(chǔ)，來確定無蓄水不透水面的占比情況。表4所示為部分地理國情監(jiān)測數(shù)據(jù)的無洼蓄不透水面類型。

表2 各類地表覆蓋曼寧n(初值)

表3 各類地表覆蓋洼地蓄水量(初值)

1.3.2 管線參數(shù)計算

管網(wǎng)主要參數(shù)有管網(wǎng)直徑大小、材質(zhì)類別、長度、管底標高以及埋深等。研究區(qū)的管線將其按實際情況概括為兩種類型：橫截面為原形和矩形的管線。

(1)管徑、長度、類別計算：在管線屬性表中新建text字段:上游雨污水檢查井、下游雨污水檢查井；Double字段:管徑、長度。并按照矢量圖屬性統(tǒng)一對管道的管徑字段進行批量賦值。

表4 無洼蓄不透水面類型

(2)將雨污水檢查井數(shù)據(jù)連接到管線屬性表中獲取起點雨污水檢查井編號和終點雨污水檢查井編號，并根據(jù)井底埋深計算管道坡度，通過坡度檢查管道逆流，并進行改正。

1.3.3 節(jié)點參數(shù)計算

節(jié)點方面的主要參數(shù)有X坐標、Y坐標、地面高程、井深、井底高程等。

(1)通過幾何計算獲得檢查井X、Y坐標值，即在節(jié)點屬性表中新建字段text類型:Name(雨污水檢查井編號);Double類型:X坐標、Y坐標、井深、井底高程。并使用字段Calculate Geometry計算既可以獲取雨污水檢查井X、Y坐標。

(2)地面高程、井深、井底高程等通過概化節(jié)點和原有水井數(shù)據(jù)進行空間鏈接，并使用字段Calculate Geometry計算即可將原有井深節(jié)點的地面高程、井深、井底高程賦值給節(jié)點屬性表。

2 參數(shù)敏感性分析與率定

選用Morris指數(shù)篩選法對模型進行參數(shù)的敏感性分析。該方法主要是對模型參數(shù)進行局部的敏感性分析，主要思想是保證模型其余參數(shù)固定不變的情況下，選取某一變量，在變量的閾值范圍內(nèi)隨機改變參數(shù)值，運行模型得到模型輸出值，從而計算出模型輸出對模型參數(shù)輸入的變化率來表示參數(shù)變化對模型的影響程度，其計算公式為

(1)

式(1)中：S為敏感性判別指數(shù)，即敏感度；Y0為參數(shù)取初始值時模擬結(jié)果；Yi為模型第i次運行時的輸出結(jié)果；Yi+1為模型第i+1次運行時的輸出結(jié)果；Pi為第i次模型運行時的參數(shù)值相對于參數(shù)初始值變化的百分率；Pi+1為第i+1次模型運算參數(shù)值相對于參數(shù)初始值變化的百分率；n為模型運行次數(shù)。

按照Morris指數(shù)篩選法，根據(jù)模擬的結(jié)果分別計算出參與敏感性分析的參數(shù)的敏感度S，見表5。

表5 三場降雨事件下參數(shù)的敏感度

注：Ⅰ級，|S|≥1為高敏感性參數(shù)；Ⅱ級，0.2≤|S|<1為敏感參數(shù)；Ⅲ級，0.05≤|S|<0.2為中等敏感參數(shù)；Ⅳ級，0≤|S|<0.05為不敏感參數(shù)。

由敏感性分析的結(jié)果可知，不滲透性洼地蓄水和無洼地蓄水不滲透性對模擬結(jié)果敏感。在敏感性分析的基礎(chǔ)上，進一步對不滲透性洼地蓄水和無洼地蓄水不滲透性進行率定，表6所示為Dstore-imperv和%Zero-Imperv的取值，其他參數(shù)均保持為研究區(qū)模型的初始值。

對以上參數(shù)進行組合，共計77組。輸入模型后進行模擬，對節(jié)點0004YS489進行水位量測。

表6 Dstore-imperv和%Zero-Imprev率定取值

選用兩個模型模擬結(jié)果指標來對參數(shù)的率定結(jié)果進行評價：均方根誤差(RMSE)、 效率系數(shù)(NS)。模擬評價認為效率系數(shù)在0.5～0.65的模擬結(jié)果可接受，在0.65～0.75的模擬結(jié)果較好，0.75以上的模擬結(jié)果非常好。計算指標的公式為

(2)

對77組參數(shù)組合進行計算，并將3場降雨合成為1場，其中總體降雨文件模擬的結(jié)果中對應NS最大的一組參數(shù)為第50組，對應的不滲透性洼地蓄水、無洼地蓄水不滲透性分別為2.09、20。此時RMSE為3.141 702 678，結(jié)果擬合較好。表7所示為節(jié)點0004YS489在第50組參數(shù)下的水深對比。

由表7可知，3場降雨單獨的NS均在0.6以上，第2場甚至達到0.92，且這3場降雨的RMSE均在8以下，3場降雨總體驗證的結(jié)果較好，因此該組模型的最優(yōu)參數(shù)選為第50組，不滲透性洼地蓄水、無洼地蓄水不滲透性的取值分別為2.09、20。此時3場降雨的實測水位與模擬水位的對比如圖5所示。

表7 節(jié)點0004YS489在第50組參數(shù)下的水深對比

備注：平均值RMSE=3.141 702 678;NS=0.836 602 117。

圖5 最優(yōu)參數(shù)模擬結(jié)果與實測對比

3 延安市內(nèi)澇風險區(qū)域劃分

通過轉(zhuǎn)換工具將匯水區(qū)、管網(wǎng)數(shù)據(jù)、節(jié)點數(shù)據(jù)導入SWMM中，最終上述文件數(shù)據(jù)通過SWMM保存為inp文件。 實驗區(qū)結(jié)果inp文件包含雨污水檢查井4 000個，管道數(shù)據(jù)3 899條，匯水區(qū)468個。根據(jù)已經(jīng)構(gòu)建的SWMM和2017-06-05、2017-07-28、2017-08-27降雨情景進行模擬，并輸出模擬結(jié)果。SWMM構(gòu)建如圖6所示。

圖6 SWMM構(gòu)建

城市內(nèi)澇分析評估是一項以預防為主，防患于未然的重要非工程措施，是災害管理的重要組成部分[10]。內(nèi)澇災害評估體系的建立，有助于建立健全有效的城市災害管理機制，有助于城市居民防范災害的風險意識，有助于提高城市內(nèi)澇災害風險管理水平，有助于城市保持可持續(xù)發(fā)展[11]。

延安市目前沒有長時間序列的歷史內(nèi)澇資料，因此，本次模擬在現(xiàn)有資料的條件下，建立水力模型，對延安市現(xiàn)有排水系統(tǒng)進行較為粗略的風險評估[12-13]。關(guān)聯(lián)模擬結(jié)果并采用插值法對研宄區(qū)域進行評估，采用克里金插值法作為內(nèi)澇風險區(qū)劃分方法。如圖7所示，積水深度小于15 cm按綠色顯示，積水深度大于15 cm小于40 cm按黃色顯示，積水深度大于40 cm區(qū)域按紅色顯示。

圖7 內(nèi)澇風險區(qū)(積水深度)

4 結(jié)論

在日益嚴重的城市水環(huán)境與水安全情況下，通過對國內(nèi)外海綿城市建設(shè)中先進的雨洪管理經(jīng)驗，結(jié)合延安市地理國情監(jiān)測成果，基于SWMM對城市地表徑流及管網(wǎng)排澇進行分析，給出適合當?shù)氐暮＞d城市建設(shè)舉措，在研究中得到的具體結(jié)論如下。

(1)收集延安市地理國情監(jiān)測數(shù)據(jù)及排水管網(wǎng)信息，延安市內(nèi)所涉及主要河流為延河及其支流，一級匯水區(qū)以主要河流為邊界，將延安市劃分為5個一級匯水區(qū)塊，并在充分考慮城市雨水井即管線排水節(jié)點對城市排水能力的影響，利用概化后排水節(jié)點的排水能力，使用泰森多邊形技術(shù)，劃分出468個精細化的匯水區(qū)快。相對以往的分析建立了細化的匯水分區(qū)使雨洪模擬分析更加準確。

(2)通過分析地表信息獲取了匯水區(qū)參數(shù)、管線參數(shù)及節(jié)點參數(shù)，采用Morris指數(shù)篩選法進行參數(shù)敏感性分析，并運用基于積水過程的方法進行參數(shù)率定。綜上導入模型中使模型更符合本地雨洪模擬的需求。

(3)通過分析不同降雨下研究區(qū)的降雨徑流、洪流點以及參考國內(nèi)外排水防澇系統(tǒng)規(guī)劃標準，結(jié)合延安市實際情況，采用克里金插值的方法，以GIS(地理信息系統(tǒng))為數(shù)據(jù)處理平臺構(gòu)建內(nèi)澇風險區(qū)域劃分圖，使延安市內(nèi)澇防治措施更有方向性和針對性。