水文模型在濟(jì)南市海綿城市建設(shè)中的應(yīng)用

丁素媛，馮 平，于海軍

（濟(jì)南市水文局，山東 濟(jì)南 250014）

水文模型在濟(jì)南市海綿城市建設(shè)中的應(yīng)用

丁素媛，馮 平，于海軍

（濟(jì)南市水文局，山東 濟(jì)南 250014）

簡(jiǎn)要分析了水文模型的建設(shè)內(nèi)容與技術(shù)路線，探討了水文模型在濟(jì)南海綿城市建設(shè)中的應(yīng)用效果。

濟(jì)南市；海綿城市；水文模型

近年來，海綿城市建設(shè)為濟(jì)南市水資源和雨洪災(zāi)害問題的解決提供了契機(jī)。水文模型的研制與應(yīng)用將為濟(jì)南市海綿城市建設(shè)提供技術(shù)支撐。

1 水文模型研制的技術(shù)路線

1.1 濟(jì)南市水循環(huán)規(guī)律研究

收集國(guó)家氣象局和濟(jì)南市水文局長(zhǎng)期觀測(cè)的氣象和水文長(zhǎng)序列數(shù)據(jù)，如降水、蒸發(fā)、土壤含水量、地表徑流和地下徑流等陸地水循環(huán)關(guān)鍵要素，氣溫、相對(duì)濕度、風(fēng)速、輻射等主要?dú)庀笠?，借助線性回歸法、滑動(dòng)平均法等方法，以及降雨強(qiáng)度、徑流系數(shù)等常用水循環(huán)要素表征指數(shù)，全面分析近幾十年來濟(jì)南市主要陸地水循環(huán)要素的季節(jié)、年際、年代際等多時(shí)間尺度的趨勢(shì)性、突變性、周期性等演變規(guī)律，開展?jié)鲜嘘懙厮h(huán)格局及水資源情勢(shì)時(shí)空變異診斷。

基于濟(jì)南市陸地水循環(huán)主要要素的時(shí)空演變規(guī)律特征，采用主成分分析、聚類分析等統(tǒng)計(jì)分析方法識(shí)別影響濟(jì)南市陸地水循環(huán)要素及水資源格局變化的主要控制因素，并檢測(cè)其時(shí)空演變趨勢(shì)；采用統(tǒng)計(jì)分析方法、彈性系數(shù)法、水文模型模擬法等研究方法，辨識(shí)自然氣候變化與人類活動(dòng)對(duì)濟(jì)南市陸地水循環(huán)格局影響的貢獻(xiàn)率，為下一步濟(jì)南市分布式水文模型開發(fā)以及海綿城市建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)和理論基礎(chǔ)。

1.2 濟(jì)南市分布式水文模型建立

研究分別采用坡度、地形指數(shù)和下墊面相似度指數(shù)，從不同角度定量描述下墊面的產(chǎn)匯流特征。在對(duì)DEM圖、土地利用圖和土壤分布圖疊加分析基礎(chǔ)上，合理選擇下墊面前期濕潤(rùn)條件，分別繪制坡度、地形指數(shù)和下墊面相似度指數(shù)等值線圖。將各種下墊面劃分方法形成的柵格數(shù)據(jù)分別與各種下墊面原始空間數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和比較，檢驗(yàn)所建單元?jiǎng)澐址椒▽?duì)流域下墊面的描述精度。擇優(yōu)作為研究區(qū)域的格網(wǎng)劃分方案。如果不滿足精度要求，則重新選擇算法對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行加密。根據(jù)城市水文過程耦合模擬的需要，結(jié)合河道、街道分布，對(duì)所生成的格網(wǎng)進(jìn)行必要的加密和剖分，實(shí)現(xiàn)單元和各水流通道邊界之間的緊密連接。在對(duì)SCS模型、Horton產(chǎn)流模型和Green-Ampt模型的比選基礎(chǔ)上，深入探討濟(jì)南市的下滲機(jī)制。模型的率定和驗(yàn)證分為兩個(gè)步驟：根據(jù)研究區(qū)域雨量站、河道控制站歷史監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)分布式水文模型進(jìn)行初步率定與驗(yàn)證，確定模型的初始參數(shù)。在此基礎(chǔ)上，采用靈敏度分析方法，分析模型產(chǎn)匯流參數(shù)的靈敏度，確定影響模型精度的主要參數(shù)。在對(duì)數(shù)字高程地圖和歷史洪澇災(zāi)情分析基礎(chǔ)上，根據(jù)積水點(diǎn)的觀測(cè)信息和雨量站、水文站的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)資料，采用多目標(biāo)參數(shù)優(yōu)化方法，對(duì)模型的主要參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。最后，選擇場(chǎng)次雨洪資料，對(duì)模型的精度進(jìn)行驗(yàn)證，并對(duì)歷史災(zāi)情進(jìn)行復(fù)核，評(píng)價(jià)模型的適用性。

1.3 濟(jì)南市洪水過程模擬

選擇濟(jì)南市海綿城市建設(shè)示范區(qū)作為研究對(duì)象，將描述管網(wǎng)、街道等匯流模型與分布式水文模型進(jìn)行耦合，開發(fā)濟(jì)南市洪水過程模擬模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)洪水過程的精確模擬。

研究擬在SWMM模型的二次開發(fā)基礎(chǔ)上進(jìn)行分布式水文模型的構(gòu)建。SWMM模型是目前應(yīng)用最為廣泛的城市水文模型之一，然而也存在地表匯流過程過于簡(jiǎn)略，無法描述洪水的空間傳播過程等問題。本研究將采取多種方法對(duì)SWMM模型進(jìn)行改進(jìn)，其中既包括水文填洼模型，也包括基于三角形格網(wǎng)的洪水演進(jìn)模型，還包括基于水動(dòng)力學(xué)的二維水動(dòng)力模型與基于路網(wǎng)和DEM的“源-匯”城市街道匯流模型。并將模型算法與上述格網(wǎng)劃分方法耦合，在充分發(fā)揮SWMM模型優(yōu)勢(shì)的同時(shí)，建立具濟(jì)南市特點(diǎn)，符合濟(jì)南市洪水過程實(shí)情的分布式水文水動(dòng)力模型。

1.4 典型區(qū)地下水下滲條件和泉流量關(guān)系模型

首先收集地下水基礎(chǔ)資料和成果，分析地下水年均補(bǔ)給量、資源量和可開采量的變化；收集地下水實(shí)際開采量及用于生活、工業(yè)和農(nóng)業(yè)的開采量、井?dāng)?shù)等；收集地下水水位監(jiān)測(cè)和泉流量動(dòng)態(tài)資料，分析逐月和逐年動(dòng)態(tài)特征和變幅。面向濟(jì)南市保泉行動(dòng)的目標(biāo)，分析地下水下滲條件的影響因素和多年來變化規(guī)律。

以收集的地下水動(dòng)態(tài)資料（包括泉）和區(qū)域水均衡來建立相關(guān)關(guān)系模型并驗(yàn)證模型的可靠性。采用分區(qū)地下水均衡計(jì)算和統(tǒng)計(jì)，特別要分析地下水位、泉流量、代表性地下水位和地下水開采量的動(dòng)態(tài)變化。預(yù)測(cè)分析海綿城市建設(shè)不同實(shí)施方案下地下水下滲條件變化以及泉流量動(dòng)態(tài)變化，為海綿城市建設(shè)與保泉行動(dòng)方案提供技術(shù)支持。

1.5 水循環(huán)模擬平臺(tái)

以地理信息系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)為開發(fā)平臺(tái)，面向濟(jì)南市主要河流、湖庫(kù)水體日常水資源管理與海綿城市建設(shè)管理的需要，采用集成GIS組件和水文模型、洪水演進(jìn)模型、地下水下滲條件與泉流量關(guān)系的模型，建立“水循環(huán)過程綜合模擬與集成平臺(tái)”。建立地理信息與水文信息主要參數(shù)數(shù)據(jù)、空間數(shù)據(jù)及屬性數(shù)據(jù)的綜合管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)多元數(shù)據(jù)和信息集成整合。集成水文模型、洪水演進(jìn)模型、地下水模型，構(gòu)建綜合模擬系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)常態(tài)條件下水資源模擬和暴雨條件下洪水模擬及演進(jìn)推算。建立基于GIS的空間分析及數(shù)據(jù)展示子系統(tǒng)，為海綿城市建設(shè)、常規(guī)水資源管理和城市暴雨洪水應(yīng)急處理提供決策支持。

2 預(yù)期目標(biāo)及成果

2.1 確定核心目標(biāo)和指標(biāo)，劃定海綿空間管控格局

明確海綿城市建設(shè)的必要性、方向與要解決的問題，確定建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)和指標(biāo)體系，提出關(guān)鍵指標(biāo)如年徑流總量控制率等關(guān)鍵指標(biāo)要求。

對(duì)城市的山水林田湖自然本底進(jìn)行全面摸底，識(shí)別需要管控的海綿空間，構(gòu)建海綿城市的自然生態(tài)空間格局，提出保護(hù)與修復(fù)要求；評(píng)估海綿城市建設(shè)技術(shù)的用地適宜性；劃定海綿城市管控分區(qū)，提出豎向等管控要求，分解相關(guān)海綿指標(biāo)，明確建設(shè)策略和指引。

2.2 制定出綠灰結(jié)合的系統(tǒng)方案

著眼于城市水循環(huán)來統(tǒng)籌考慮問題的解決。既要堅(jiān)持目標(biāo)導(dǎo)向，確保城市雨水徑流能夠就地得到有效控制，實(shí)現(xiàn)自然積存、自然滲透、自然凈化；同時(shí)又要突出問題導(dǎo)向，系統(tǒng)識(shí)別城市內(nèi)澇積水、水體黑臭、河湖濕地生態(tài)功能受損等問題，并提出相關(guān)的解決方案。

2.3 銜接相關(guān)規(guī)劃，確定海綿建設(shè)重點(diǎn)區(qū)

通過海綿城市專項(xiàng)規(guī)劃的編制，將雨水年徑流總量控制率、徑流污染控制率、排水防澇系統(tǒng)等有關(guān)控制指標(biāo)和重要內(nèi)容納入城市總體規(guī)劃，將海綿城市專項(xiàng)規(guī)劃中明確需要保護(hù)的自然生態(tài)空間格局作為城市總體規(guī)劃空間開發(fā)管制的要素之一；指導(dǎo)控制性詳細(xì)規(guī)劃盡可能考慮獨(dú)立匯水區(qū)的因素，進(jìn)一步將指標(biāo)落實(shí)到地塊和市政設(shè)施，奠定規(guī)劃建設(shè)管控制度的基礎(chǔ)；銜接道路交通、綠地系統(tǒng)、排水防澇等相關(guān)規(guī)劃，將規(guī)劃成果要點(diǎn)反饋給這些專項(xiàng)規(guī)劃，并通過專項(xiàng)規(guī)劃的進(jìn)一步細(xì)化，確保海綿城市建設(shè)的協(xié)調(diào)推進(jìn)。

明確海綿城市建設(shè)的重點(diǎn)區(qū)域與項(xiàng)目?jī)?nèi)容，將分解到排水分區(qū)或控制性詳細(xì)規(guī)劃單元的管控要求再進(jìn)一步分解，落實(shí)到地塊和市政設(shè)施。

2.4 實(shí)現(xiàn)“監(jiān)測(cè)-模擬-展示”一體化

依據(jù)建設(shè)“現(xiàn)代泉城”城市建設(shè)思路和“廣蓄水、儲(chǔ)客水、保泉水”的治水思路，通過模擬和集成，客觀準(zhǔn)確評(píng)價(jià)濟(jì)南市海綿城市建設(shè)和保泉措施效果，實(shí)現(xiàn)雨洪資源的高效利用。

（責(zé)任編輯趙其芬）

TV213.9

B

1009-6159（2017）-05-0007-02

2017-02-28

丁素媛（1974—），女，工程師