SWMM模型在滄州市內(nèi)澇積水模擬中的應用

張媛媛

（河北省滄州水文水資源勘測局，河北 滄州 061000）

到21世紀中葉，我國城市化水平將達到60%，城市人口將增加到9.6億[1]。隨著城市規(guī)模不斷擴大，城市化水平的提高，城區(qū)不透水面積急劇增加，導致入滲、滯蓄量不斷減少，地表徑流系數(shù)增大，產(chǎn)流時間變短，徑流量變大，同時，城市熱島效應、阻障效應、凝結核效應導致城區(qū)降雨模式和分布發(fā)生了顯著變化，使降雨量城區(qū)大于郊區(qū)。文獻資料顯示北京市增雨系數(shù)（城區(qū)／郊區(qū)）達到了1.04[2]。當前，我國的城市排水管網(wǎng)建設與城市化發(fā)展不相適應，設計標準低，建設滯后，往往不能滿足排水需要，因而造成了各地城市內(nèi)澇嚴重的現(xiàn)象。

滄州市位于河北平原的中東部，總面積10456km2，總人口717萬。市區(qū)面積64.56km2，人口50.3萬。按照城市總體規(guī)劃，到2020年市區(qū)人口將達100萬，面積95km2，市域城鎮(zhèn)化水平達到63%。滄州市屬于資源型缺水地區(qū)，自20世紀80年代以來，為了支撐社會經(jīng)濟持續(xù)發(fā)展，連年超采地下水尤其是深層地下水，形成了全國聞名的地下水漏斗，并引發(fā)了地面沉降等地質災害，2005年滄州市沉降區(qū)中心地面沉降量達到2236mm[3]，成為我國地面沉降最嚴重的城市之一。滄州市區(qū)地勢平坦，自然排泄能力較差，加之地面沉降影響，市區(qū)內(nèi)積水不得不依靠泵站進行外排，排水容量達到29.8m3／s[4]。較低的排水能力，致使一旦發(fā)生城區(qū)瀝澇災害，同等淹沒條件下造成的生命和財產(chǎn)損失也會更嚴重，因此，研究滄州市除澇問題具有較強的現(xiàn)實意義和深遠的歷史意義。

1 研究區(qū)域概況

本次研究區(qū)域為滄州市主城區(qū)，主要指渤海路、長蘆大道、海河路和迎賓大道包圍的范圍，面積為64.56km2。所選區(qū)域位于滄州市轄區(qū)的東偏北位置，地勢平坦，由西南向東北方向傾斜，坡度約為1／8500，地面海拔高程為7.2～9.5m。該區(qū)降水年際變化較大，最大年降水量1160.7mm（1964年），最小年降水量264.5mm（1968年），多年（1956～2011年）平均降水量563.4mm；降水年內(nèi)分布不均，主要分布在汛期，汛期降水占全年降水的80%左右。

研究資料主要包括降雨量、內(nèi)澇積水量、排水量等基礎數(shù)據(jù)，其中降雨量取用1971～2010年降雨系列，內(nèi)澇積水取用2009～2012年29處監(jiān)測點的監(jiān)測數(shù)據(jù)，排水資料取用與內(nèi)澇積水同步的13處泵站的實測數(shù)據(jù)。

2 SWMM模型構建

2.1 SWMM模型簡介

SWMM（Storm Water Management Model）是由Metcalf和Eddy有限公司、佛羅里達大學和美國水資源有限公司研制的城市暴雨洪水管理模型，最新版本為SWMM5.0。其主要用于模擬單個降雨事件或長時間尺度（連續(xù)）降雨的徑流水量與水質。本研究中主要應用SWMM5.0中城區(qū)暴雨徑流、合流制管道、污水管道和其它排水系統(tǒng)的規(guī)劃、分析與設計。

2.2 滄州市城區(qū)暴雨內(nèi)澇SWMM模型簡介

滄州市城區(qū)暴雨內(nèi)澇模型的構建，基礎工作包括下墊面信息提取、管網(wǎng)概化、匯水區(qū)劃分和建立模型信息數(shù)據(jù)庫4部分。

（1）下墊面信息提取。參考研究區(qū)域地形地貌圖和遙感影像圖等地圖資料，利用ArcGIS 9.3在30m×30m的海河流域DEM圖中提取出研究范圍，獲得坡度、坡向數(shù)據(jù)、不透水面積比、曼寧糙率、下滲率等下墊面參數(shù)，存儲于地理信息系統(tǒng)（GIS）軟件中，以方便模型演算過程中提取。

（2）管網(wǎng)概化。依據(jù)研究區(qū)排水管網(wǎng)13個泵站、34個節(jié)點、49條管道、11個出水口的空間分布及屬性特征，建立管網(wǎng)空間位置、高程、管長、管徑、流向、坡度等數(shù)據(jù)庫，并根據(jù)排水標準確定，排水區(qū)劃分，排水口選定，地面積水深度、時間及變化過程，雨水口的位置、數(shù)量，管網(wǎng)位置、管長、管徑、管材、流速、流量，雨水排水泵站位置、數(shù)量、裝機容量等要素，對管網(wǎng)進行概化。

（3）匯水區(qū)劃分。如圖1所示，依據(jù)研究區(qū)域下墊面特征，泵站分布、管網(wǎng)概化成果等資料，采用信息相似性、地理位置臨近性確定匯水區(qū)排水邊界，參考下水管道入口位置，劃分為81個集水區(qū)。

圖1 管網(wǎng)概化后研究區(qū)域的節(jié)點與管網(wǎng)圖

2.3 模型參數(shù)率定

SWMM模型參數(shù)較多，匯水區(qū)參數(shù)包括坡度、不滲透面積、不滲透面積粗糙系數(shù)、滲透面積粗糙系數(shù)及不滲透面積洼地蓄水量、滲透面積洼地蓄水量以及Horton公式中的最小下滲率、最大下滲率、下滲衰減系數(shù)等，節(jié)點／管段參數(shù)主要包括節(jié)點內(nèi)底、節(jié)點最大深度、節(jié)點積水面積、管渠長度、管渠幾何尺寸、管渠粗糙系數(shù)、流量單位、管段偏移等。對于不確定的參數(shù)，研究過程中根據(jù)下墊面特征，按經(jīng)驗參數(shù)進行初始值預估，通過優(yōu)選獲得參數(shù)最優(yōu)值。

參數(shù)率定過程中，根據(jù)2009年8月16日、2011年7月1日以及2012年8月1日實測降雨量及實測積水點積水深度，以子流域漫流寬度、不透水面積比例等產(chǎn)流參數(shù)和糙率、管道埋深等匯流參數(shù)等主要參數(shù)調整為基礎，以積水點的積水深度效率函數(shù)Ens為模型參數(shù)最優(yōu)化調試的目標函數(shù)。

積水點的積水深度效率函數(shù)Ens為

式中，h0為積水深度觀測值，cm；hs為積水深度模擬值，cm；hav為積水深度觀測值的平均值，cm。

經(jīng)過反復試算調整，最終確定內(nèi)澇模型的主要參數(shù)，見表1。

表1 內(nèi)澇模型主要參數(shù)率定結果

3 設計暴雨研究

暴雨強度是指一定頻率的暴雨在單位時間內(nèi)的平均降雨深度，是描述暴雨特征的重要指標。城市短歷時暴雨強度公式是設計城市雨水排水設施的主要依據(jù)，目前普遍采用推理公式，主要是通過城市暴雨強度公式來確定雨水設計流量[5]。通過對暴雨資料分析計算，確定滄州市城區(qū)暴雨強度公式，借助典型暴雨，利用同頻率放大法推求設計暴雨過程。

3.1 暴雨資料分析

（1）基礎資料選擇。研究顯示，資料系列越長，暴雨強度公式精度越高[6]。本次研究采用滄州市南運河捷地站、南運河滄州站、滄浪區(qū)南支小元站1971年～2010年40年暴雨資料，每場降雨選擇5min，10min，15min，20min，30min，45min，60min，90min，120min，180min，360min，720min，1440min共9個歷時進行雨量統(tǒng)計[7]。

（2）暴雨資料選樣。暴雨選樣方法主要包括年最大值法和非年最大值法，非年最大值法又包括年超大值法、超定量法和年多個樣法，其中年最大值法主要被水利水電部門和氣象部門采用，而年多個樣法主要被市政排水部門所采用。本研究中，采用年多個樣法，即選擇每年各個歷時中的6個最大值。進行降雨量降序排列，從上到下選擇資料年限4倍的數(shù)據(jù)，作為編制暴雨強度公式的基礎資料，因此本研究中每個歷時的樣本數(shù)為40×4＝160個。

（3）頻率計算。進行樣本資料經(jīng)驗頻率計算，采用P-III型分布曲線進行理論頻率曲線擬合，再由暴雨強度頻率曲線反查不同重現(xiàn)期的設計暴雨強度。

3.2 暴雨強度公式參數(shù)求解

暴雨強度公式分為單一重現(xiàn)期公式和統(tǒng)一公式。

單一重現(xiàn)期公式

統(tǒng)一公式

式中：A1，C，b，n分別為待求參數(shù)，無量綱；i為暴雨強度，mm／min；t為降雨歷時，min；P 為重現(xiàn)期，a。

傳統(tǒng)暴雨強度公式參數(shù)求解較為繁瑣，研究中引入R軟件和MATLAB軟件進行參數(shù)求解，大大減少計算量的同時，避免了計算錯誤的發(fā)生。首先以重現(xiàn)期1年為例，確定單一重現(xiàn)期公式的值A，b，n。由 R 軟件計算參數(shù)的迭代初值A1（0），C（0），b（0），n（0），再通過 MATLAB軟件最終確定各個參數(shù)。最終確定暴雨強度公式：

3.3 設計暴雨過程

滄州市區(qū)設計暴雨過程的推求可以不考慮雨量在空間分布的不均勻性，忽略點雨量與市區(qū)面平均雨量的差別。雖然一場實際暴雨的空間分布是不均勻的，雨量在空間分布的梯度可能相當大，但是由于暴雨中心的位置是不確定的，使點雨量與面雨量之間的差別不那么明顯，所以采用市區(qū)附近雨量站設計雨量代替市區(qū)面平均設計雨量。研究中以2005年7月23日10時～24日10時典型暴雨，利用同頻率放大法推求設計暴雨過程。

計算結果顯示，P＝0.33a，P＝1a，P＝3a，P＝5a，P＝10a，P＝20a的各種重現(xiàn)期下，歷時24h的設計暴雨量分別為28.8mm，72mm，115.2mm，133.5mm，158.4mm，187.2mm，設計暴雨過程見圖2。

圖2 不同重現(xiàn)期設計暴雨過程

4 內(nèi)澇模擬

滄州暴雨內(nèi)澇模型，可以根據(jù)不同情景的降雨參數(shù)，對積水開始時間、積水深度、積水歷時、積水面積、峰值流量、總流量等進行模擬。由重現(xiàn)期P＝0.33a，P＝1a，P＝3a，P＝5a的設計暴雨過程，模擬相應的內(nèi)澇情況。以P＝1a為例，模擬結果見表2。將模擬成果在ArcGIS 9.3中進行可視化顯示輸出，見圖3。

表2 1年一遇管段節(jié)點內(nèi)澇結果

5 結論及建議

圖3 1年一遇內(nèi)澇積水空間分布

對滄州市城區(qū)內(nèi)澇的研究，從城市排水管網(wǎng)系統(tǒng)模擬研究現(xiàn)狀出發(fā)，以排水管網(wǎng)的降雨模擬為研究對象，基于地理信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理和空間分析等功能，利用SWMM排水管網(wǎng)模擬系統(tǒng)的理論與方法，建立了暴雨內(nèi)澇模型，使城市內(nèi)澇模擬更加簡化和直觀。

滄州市暴雨內(nèi)澇模型研究以雨量、積水、排水等為基礎資料，相比雨量資料，積水、排水等基礎資料主要來源于2009年滄州城市水文開展以來的實測數(shù)據(jù)，資料系列較短，對模型參數(shù)率定及模型模擬成果精度有一定影響，應隨著積水、排水資料系列的延長，不斷修訂模型參數(shù)，提高模型的模擬精度。

[1]錢正英，張興斗.中國可持續(xù)發(fā)展水資源戰(zhàn)略研究綜合報告——中國工程院“21世紀中國可持續(xù)發(fā)展水資源戰(zhàn)略研究”項目組[J].中國工程科學，2000（8）：1-17.

[2]周翠寧，任樹梅，楊培嶺，等.城市化對降雨特征影響研究[J].水利水電技術，2007，38（10）：62-65.

[3]劉振鐸，王春橋，吳興國.滄州市地下水超采區(qū)核定及禁采區(qū)、限采區(qū)劃分[J].水利科技與經(jīng)濟，2011（10）：65-68.

[4]劉振鐸，朱艷飛，哈建強.滄州積水成因及對策簡析[J].甘肅水利水電技術，2011（06）：37-39.

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[7]上海市政工程設計研究總院.GB 50014-2006室外排水設計規(guī)范[S].北京：中國計劃出版社，2006.