周耀鑫，王增武，盧德全，姬莉雯

（1.成都信息工程大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，四川 成都 610225；2.南充市氣象局，四川 南充 637000）

1 研究背景

隨著中國城市化進(jìn)程的加快，城市人口急劇膨脹，建筑及道路等不透水地表面積不斷增加，導(dǎo)致下墊面發(fā)生重大改變，極大地影響了城市區(qū)的水文特性，直接改變了區(qū)域降雨地表徑流的大小，使得城市內(nèi)澇成為嚴(yán)重的城市環(huán)境問題。在相同的洪澇條件下，當(dāng)前城市洪澇災(zāi)害造成的損失較以前存在明顯增加，城市排洪減災(zāi)成為了社會的重點(diǎn)研究領(lǐng)域[1]。城市雨水管網(wǎng)排水過程模擬對降低城市內(nèi)澇發(fā)生風(fēng)險具有極其重要的意義。

目前應(yīng)用于城市內(nèi)澇的模型主要有MIKEFIOOD模型、STORM模型和SWMM模型[2-3]，MIKE FLOOD是基于排水管網(wǎng)模型和流域水文模型進(jìn)一步開發(fā)而成的[4-6]，能夠?qū)崟r監(jiān)測水位、水深和水流的變化情況，可以預(yù)測城市內(nèi)澇發(fā)生的地區(qū)，屬于商業(yè)模型；STORM模型主要適用于城市單場降水的水質(zhì)、水量模擬，但該模型需要大量難以獲取的數(shù)據(jù)資料；SWMM模型主要應(yīng)用于單一降水、長期降水以及水質(zhì)模擬，可對降雨過程中的地面、排水管網(wǎng)等進(jìn)行計算，被國內(nèi)外學(xué)者廣泛應(yīng)用[7-10]。陳鑫等[11]構(gòu)建鄭州市的SWMM模型，模擬了洪澇過程，并研究了排水體系和城市排澇的重現(xiàn)期關(guān)系。CHOI等[12]對于低洼地的洪水問題建立SWMM模型，分析了低洼地潛在的內(nèi)澇風(fēng)險，并對雨水管網(wǎng)排放方案提出了改進(jìn)；PARK等[1]通過在不同的空間分辨率下建立的SWMM模型，分析了下墊面的徑流情況，結(jié)果表明分辨率對于模型影響程度小。在眾多模型中，SWMM具有模型模擬效果好、數(shù)據(jù)資料少、非商業(yè)模式等優(yōu)點(diǎn)，因此本文采用SWMM模型對南充市排水管網(wǎng)進(jìn)行模擬。

中國是洪水災(zāi)害頻發(fā)的國家，大部分城市都會面臨城市內(nèi)澇問題。城市內(nèi)澇不僅會給城市造成經(jīng)濟(jì)損失，也會嚴(yán)重威脅到居民的生命財產(chǎn)安全。隨著南充市經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展，南充市亟需編制一個切實可行、具有超前性和可操作性的城市排水管網(wǎng)規(guī)劃。2015-08-16—17，南充市發(fā)生區(qū)域大暴雨，24 h內(nèi)城區(qū)降雨量達(dá)到192.6 mm，刷新有氣象記錄以來的歷史極值。其中，最大降雨量為328.5 mm，出現(xiàn)在順慶區(qū)荊溪街道辦文昌宮村。

排水管網(wǎng)的合理規(guī)劃，可以在突如其來的暴雨面前把暴雨災(zāi)害損失降到最低。在城市總體規(guī)劃指導(dǎo)下，順慶區(qū)排水管網(wǎng)暴雨徑流過程模擬對促進(jìn)南充市的發(fā)展具有十分重要的戰(zhàn)略意義。

2 研究區(qū)和數(shù)據(jù)資料

2.1 研究區(qū)概況

順慶區(qū)位于四川省東北部，四川盆地中部，嘉陵江中游西岸，北緯30.41°—30.51°、東經(jīng)106°—107.07°之間，幅員面積555.5 km2。區(qū)境內(nèi)地勢西北略高、東南較低，主要有中丘、淺丘和平壩3種地貌類型。方山丘陵典型，丘陵占67.3%，余為平壩，海拔多在300m左右。順慶區(qū)境內(nèi)水資源包含嘉陵江，其流經(jīng)面積158 km2，長45 km，為順慶區(qū)排水管網(wǎng)主要出水口。

順慶區(qū)屬亞熱帶濕潤氣候，夏季受西太平洋副熱帶高壓、孟加拉灣潮濕氣流以及四川盆地影響，南充市全年濕潤，夏季多暴雨。根據(jù)多年資料統(tǒng)計，多年平均日照時數(shù)為1 200～1 500 h，南充降雨時空分布不均，多年平均降雨量1 020.8 mm。其中6—9月降雨和地表徑流占全年徑流總量的60%。

2.2 數(shù)據(jù)資料

數(shù)據(jù)資料包括水文資料、管網(wǎng)資料和下墊面數(shù)據(jù)資料，具體如下。

水文資料是從南充市氣象局獲取的高坪國家基本氣象站（57411）降雨數(shù)據(jù)，該站點(diǎn)數(shù)據(jù)即可覆蓋研究區(qū)的范圍，數(shù)據(jù)時間為2020-07-11T00：00—11：00、2020-08-24T11：00—18：00、2020-06-27T08：00—18：00。該數(shù)據(jù)主要用于SWMM模型的參數(shù)率定與暴雨徑流過程模擬。

管網(wǎng)數(shù)據(jù)是構(gòu)建模型最基本的數(shù)據(jù)，從城市環(huán)境管理局獲取。這類數(shù)據(jù)主要是雨水管網(wǎng)數(shù)據(jù)，包括雨水管道的長度、管徑、管道高程、檢查井高程等。

下墊面數(shù)據(jù)包括土地利用類型和高程。土地利用類型數(shù)據(jù)不易獲取到高分辨的產(chǎn)品數(shù)據(jù)，所以需要下載高分辨率影像來目視解譯獲取。首先從LocaSpace Viewer 4軟件下載0.5 m分辨率的天地圖影像，該影像為遙感數(shù)據(jù)，利用ArcGIS軟件進(jìn)行可視化處理，將其分為水體、綠地、居民區(qū)和道路。由此得到研究區(qū)的土地利用類型數(shù)據(jù)。高程數(shù)據(jù)為90 m分辨率的SRTM3數(shù)據(jù)。利用ArcGIS軟件的空間分析功能，獲取到該區(qū)域的坡度數(shù)據(jù)。

3 研究方法

本文基于暴雨洪澇模型（Storm Water Management Model，簡稱SWMM）模擬城市暴雨徑流過程。SWMM模型包含了水文模擬和水力模擬，建模過程中，需要對管網(wǎng)數(shù)據(jù)概化，在概化數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上劃分子匯水區(qū)，使用數(shù)據(jù)資料建立研究區(qū)域SWMM模型。使用徑流系數(shù)法對模型率定，這種方法是以研究區(qū)實際的綜合徑流系數(shù)作為模型率定目標(biāo)函數(shù)，將不能確定的參數(shù)反復(fù)代入模型進(jìn)行校準(zhǔn)計算，進(jìn)而得到最準(zhǔn)確的值，利用變異系數(shù)法驗證模型合理性，最后對南充市2015-08-17降水過程模擬，分析城市積水情況。

水文模擬主要計算地表的產(chǎn)匯流情況，該模塊主要包含地表徑流計算和下滲計算，該模型以子匯水區(qū)為基本單元，將研究區(qū)域劃分為多個不同的子匯水區(qū)，地表的徑流計算使用非線性水庫方法計算出地表徑流大小，地表下滲水量計算是指子匯水區(qū)的透水區(qū)地表水進(jìn)入下層土層的過程。目前下滲水量計算方法主要有3種，分別為霍頓方程、格林-安普特方程以及徑流曲線數(shù)值法[13]，順慶區(qū)為南充南部，地形以丘陵為主，地形坡度起伏不大，霍頓下滲模型即可客觀反映出地表產(chǎn)流下滲情況，因此，本文選擇霍頓下滲模型作為下滲水量計算的方法。霍頓模型是一個經(jīng)驗?zāi)Ｐ?，通過水的入滲率由最大值隨時間呈指數(shù)級下降至最小值的下滲過程進(jìn)行模擬。

式（1）中：ft為穩(wěn)定下滲率，mm/s；f0為初始下滲率，mm/h；k為下滲衰減系數(shù)，mm/s；t為下滲歷時，s。

水力模擬以雨水管道，檢查井節(jié)點(diǎn)為基本單位，使用水力學(xué)的方法對管道流量進(jìn)行計算，目前SWMM模型提供了恒定流演算、運(yùn)動波演算和動態(tài)波演算這3種計算方式[14-16]，恒定流法使用簡單的方程計算排水管網(wǎng)的管徑流量；運(yùn)動波法通過質(zhì)量和動量守恒原理計算每個導(dǎo)管的水流情況；動態(tài)波法是求解完整的一維圣維南流量方程組進(jìn)行流量計算，其演算結(jié)果是最精確的。本文選擇動態(tài)波演算作為SWMM模型的水力過程模擬方法。圣維南方程動量方程為：

圣維南方程動量方程連續(xù)方程為：

式（2）（3）中：A為垂直與x軸的橫斷面；Q為斷面的流量；x為水流方向；S0為地面坡度；Sf為水流坡度；Vx為水流方向的橫斷面平均流速。

4 模型構(gòu)建

4.1 管網(wǎng)概化

管網(wǎng)數(shù)據(jù)處理是建模過程中的重要步驟，其處理質(zhì)量直接決定了該區(qū)域?qū)贡┯甑哪芰ΑＳ捎诠芫W(wǎng)本身數(shù)據(jù)限制以及模型自身的復(fù)雜性，原始的管網(wǎng)數(shù)據(jù)不能直接代入模型進(jìn)行計算，需要對南充管網(wǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行抽象概化以便分析。在滿足模型精度的情況下，選擇研究區(qū)合理的主管道、次管道，舍棄管道短小、管網(wǎng)混亂的管道。在道路中心點(diǎn)、路口以及歷史易澇點(diǎn)保留管網(wǎng)數(shù)據(jù)。最后利用ArcGIS軟件將剩下的管道數(shù)據(jù)概化后附上相應(yīng)的屬性，使用WGS1984坐標(biāo)系描繪地理位置信息，概化后的順慶區(qū)管網(wǎng)有182根雨水管道，175個檢查井節(jié)點(diǎn)，8個排水口，如圖1所示。

圖1 雨水管網(wǎng)概化結(jié)果

4.2 子匯水區(qū)劃分

子匯水區(qū)是水文模型中基本水文計算單元，是指由地表產(chǎn)生的徑流匯集至檢查井所經(jīng)過的地表區(qū)域。每個城市下墊面相對復(fù)雜，降雨后地表情況差異較大，因而需要對研究區(qū)域進(jìn)行子匯水區(qū)劃分，以體現(xiàn)降雨過程中地表徑流產(chǎn)生的差異。同時匯水區(qū)也包含了SWMM模型中眾多需要率定的參數(shù)，包括匯水區(qū)寬度、面積等，直接影響模型精度，因此，對子匯水區(qū)的劃分尤為重要。

本文先根據(jù)概化后的雨水檢查井利用泰森多邊形對研究區(qū)域進(jìn)行匯水區(qū)劃分，再利用目視解譯法進(jìn)行修正。首先使用ArcGIS對90 m分辨率的高程數(shù)據(jù)空間分析，得到南充市順慶區(qū)的低洼點(diǎn)，并對低洼點(diǎn)進(jìn)行緩沖區(qū)分析，將緩沖區(qū)內(nèi)包含的管網(wǎng)節(jié)點(diǎn)合并，再根據(jù)漁網(wǎng)創(chuàng)建規(guī)則獲取道路中心點(diǎn)，隨后將管網(wǎng)節(jié)點(diǎn)、低洼點(diǎn)和道路中心點(diǎn)進(jìn)行整合，在此基礎(chǔ)上，建立泰森多邊形，為了有利于參數(shù)率定，對匯水區(qū)進(jìn)行修正，本文對高分辨率遙感影像使用目視解譯的方法，使一個匯水區(qū)所包含的地物類型盡可能單一，由此劃分出176個子匯水區(qū)，結(jié)果如圖2所示。

圖2 子匯水區(qū)劃分結(jié)果圖

4.3 南充市雨洪排水模型的建立

在排水管網(wǎng)和子匯水區(qū)構(gòu)建完成后，將SWMM模型所需的數(shù)據(jù)匯總為shp文件，再使用HS-SWMM軟件轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的inp文件。為了進(jìn)一步檢驗排水管網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的合理性，需要對檢查井節(jié)點(diǎn)和管道的拓?fù)潢P(guān)系進(jìn)行邏輯性檢查。最終得到的排水管網(wǎng)模型如圖3所示。

圖3 shp文件排水管網(wǎng)模型示意圖

4.4 SWMM模型參數(shù)率定

4.4.1 管網(wǎng)參數(shù)

管網(wǎng)參數(shù)主要包括檢查井節(jié)點(diǎn)參數(shù)和排水管道參數(shù)。其中，檢查井節(jié)點(diǎn)參數(shù)包括XY坐標(biāo)、檢查井井深、地面高程，管網(wǎng)的參數(shù)包括長度、粗糙度、橫截面尺寸。部分參數(shù)如表1和表2所示。

表1 檢查井節(jié)點(diǎn)屬性（部分）

表2 雨水管道參數(shù)（部分）

表1（續(xù)）

4.4.2 子匯水區(qū)參數(shù)率定

子匯水區(qū)參數(shù)分為2種，一種是物理參數(shù)，根據(jù)相關(guān)的資料，其值可根據(jù)空間計算分析獲得實際數(shù)值；另一種是經(jīng)驗參數(shù)，其值無法直接獲取，可以根據(jù)以往經(jīng)驗確定初始值，再根據(jù)模擬與實測數(shù)據(jù)對比，率定參數(shù)取得最優(yōu)值[17-18]。

4.4.2.1 物理參數(shù)率定

子匯水區(qū)的物理參數(shù)包括匯水區(qū)寬度（Width）、匯水區(qū)域面積（Area）、坡度（Slope）、不滲透百分比（Imperv）等，這些參數(shù)的確定，需要使用ArcGIS對高程數(shù)據(jù)、土地利用類型數(shù)據(jù)等輔助數(shù)據(jù)進(jìn)行空間分析、計算。本文確定物理參數(shù)的具體方法如下。

確定匯水區(qū)面積要利用ArcGIS對其建立相應(yīng)的屬性表，并通過柵格計算器直接計算統(tǒng)計分析得到。

匯水區(qū)寬度指匯水區(qū)域內(nèi)徑流流經(jīng)地表的特征寬度，根據(jù)SWMM手冊，特征寬度的計算公式為Width=Area/Flow Length，該參數(shù)先經(jīng)過公式計算，再通過統(tǒng)計分析得到。

子匯水區(qū)坡度指某一子匯水區(qū)的平均坡度，在進(jìn)行降水模擬時，一般使用子匯水區(qū)平均坡度作為模擬的參數(shù)，這樣能相對客觀真實地表現(xiàn)出子匯水區(qū)域的坡度高低變化。本文匯水區(qū)平均坡度的計算是基于高程數(shù)據(jù)，利用ArcGIS的空間分析功能提取坡度，以匯水區(qū)為基本單元進(jìn)行統(tǒng)計分析得到。

不滲透百分比指匯水區(qū)內(nèi)不透水區(qū)域的部分占整個子匯水區(qū)的面積比例。首先對遙感影像進(jìn)行目視解譯，得到土地利用類型數(shù)據(jù)，主要分為水體、建筑屋頂、道路和植被；再根據(jù)表3所示判斷各區(qū)域是否為不透水區(qū)域；最后根據(jù)子匯水區(qū)內(nèi)透水區(qū)與不透水區(qū)的比例計算得到該參數(shù)。

表3 不透水區(qū)判定

由此得到研究區(qū)域匯水區(qū)的物理參數(shù)結(jié)果如表4所示。

表4 物理參數(shù)率定結(jié)果（部分）

4.4.2.2 經(jīng)驗參數(shù)率定

子匯水區(qū)經(jīng)驗參數(shù)包括不透水區(qū)曼寧系數(shù)（N.Imperv）、透水區(qū)曼寧系數(shù)（N.Perv）、無洼蓄不透水區(qū)占比（Zero.Imperv）、不透水區(qū)洼蓄深度（Dstroe.Imperv）、透水區(qū)洼蓄深（Dstroe.Perv）、最大滲透速率（Max.infil.Rate）、最小滲透速率（Min.infil.Rate）。模型經(jīng)驗參數(shù)的率定的一般方法是將實測雨水管網(wǎng)的徑流資料和SWMM模型在實測雨量數(shù)據(jù)下的模擬結(jié)果進(jìn)行比較分析。由于未能獲取順慶區(qū)城區(qū)的雨水管網(wǎng)內(nèi)實測流量數(shù)據(jù)，因此本文采用徑流系數(shù)作為模型的矯正函數(shù)進(jìn)行率定。將研究區(qū)綜合徑流系數(shù)作為目標(biāo)函數(shù)，經(jīng)過反復(fù)多次的參數(shù)調(diào)整，最終使得降雨模擬結(jié)果趨近于實際值。

研究區(qū)綜合徑流系數(shù)確定。城市雨水徑流系數(shù)的設(shè)計，區(qū)域整體平均系數(shù)在數(shù)值上等于各類下墊面面積的加權(quán)平均數(shù)，在城市排水手冊中給出了不同城市化的綜合徑流系數(shù)參考值，如表5所示。依據(jù)《城鄉(xiāng)總體規(guī)劃》中各類用地性質(zhì)分布情況，順慶區(qū)城區(qū)學(xué)校、公司、小區(qū)等建筑較為密集，確定研究區(qū)的綜合徑流系數(shù)在0.45～0.6之間。

表5 城市區(qū)域綜合徑流系數(shù)取值表

本文將研究區(qū)分為綠地、建筑用地、道路、水體4個類型的區(qū)域，其中綠地徑流系數(shù)為0.1、建筑用地徑流系數(shù)為0.9、道路徑流系數(shù)為0.9、水體為徑流系數(shù)為1。

通過對各類用地面積進(jìn)行加權(quán)平均，得出研究區(qū)域綜合徑流系數(shù)為0.587，如表6所示。

表6 研究區(qū)域綜合系數(shù)計算表

經(jīng)驗參數(shù)率定結(jié)果。本文選取南充市順慶區(qū)2020-07-11與2020-08-24的降雨量數(shù)據(jù)，分別如圖4、圖5所示。

圖4 2020-07-11降雨量

圖5 2020-08-24降雨量

將降雨數(shù)據(jù)代入模型反復(fù)調(diào)整參數(shù)，調(diào)參后得到模擬徑流系數(shù)分別為0.598和0.576，和實際徑流系數(shù)0.578比較，變化率均小于3%，最終確定參數(shù)值如表7所示。

表7 匯水區(qū)經(jīng)驗參數(shù)取值范圍

5 南充市暴雨徑流模擬

暴雨徑流模擬是對整個研究區(qū)排澇能力的一次檢測，模擬時需要選取一場典型大暴雨數(shù)據(jù)，代入模型進(jìn)行計算，并根據(jù)研究區(qū)節(jié)點(diǎn)的溢流值來判斷研究區(qū)的內(nèi)澇情況。本文選取2020-06-17降雨數(shù)據(jù)在南充市順慶區(qū)進(jìn)行暴雨徑流模擬，所得溢流節(jié)點(diǎn)結(jié)果如圖6所示。

圖6 暴雨溢流節(jié)點(diǎn)圖

總體來說南充市順慶區(qū)在大暴雨情況下部分地區(qū)會產(chǎn)生積水，從圖中可以看出陪江路、西河中路、白土壩路有較多積水，其積水量處于29.5～39.35 L之間；迎風(fēng)路、四海街、模范街有部分積水，其溢流量處于11～29.5 L之間；瀠華大道、移民大道、玉帶路有少量積水，其溢流量處于5～11 L之間。本次模擬結(jié)果表明陪江路、西河中路、白土壩路街道為易澇地區(qū)，對比易澇點(diǎn)資料，模擬結(jié)果基本符合歷史內(nèi)澇情況?；赟WMM模型使用2020-06-17典型大暴雨數(shù)據(jù)對研究區(qū)進(jìn)行模擬分析，可以看出，陪江路、西河中路、白土壩路街道為易澇地區(qū)，需要對上述地區(qū)防水防澇工作進(jìn)行改進(jìn)加強(qiáng)。

6 結(jié)語

本文以南充市順慶區(qū)為例，構(gòu)建出與實際情況較為吻合的SWMM模型的排水管網(wǎng)，并利用該模型進(jìn)行暴雨徑流過程模擬，主要結(jié)論如下。

本文結(jié)合GIS軟件對管網(wǎng)資料進(jìn)行概化處理，得到182個管道，175個檢查井節(jié)點(diǎn)，8個排水口，并根據(jù)概化結(jié)果劃分出176個子匯水區(qū)，在此基礎(chǔ)上，應(yīng)用模型原理，選擇霍頓下滲模型進(jìn)行SWMM模型的建立。

根據(jù)綜合徑流系數(shù)法，利用2020-07-11和2020-08-24典型降雨數(shù)據(jù)調(diào)整參數(shù)，其綜合徑流系數(shù)分別為0.598和0.576，較實際值0.578，變化率均小于3%，精度較高，說明該模型在南充市順慶區(qū)有較好的效果，對該區(qū)域的排水管網(wǎng)應(yīng)用有較好的實用性，可為該地區(qū)排水防澇減災(zāi)提供有效參考，并為該地區(qū)在城市排水管理提供技術(shù)支撐。

基于SWMM模型使用2020-06-17典型大暴雨數(shù)據(jù)對研究區(qū)進(jìn)行模擬分析，可以看出，陪江路、西河中路、白土壩路街道為易澇地區(qū)，需要對上述地區(qū)防水防澇工作進(jìn)行改進(jìn)加強(qiáng)。