城市小區(qū)域暴雨積澇模擬的參數(shù)率定研究

史瀟，黃亮，彭?xiàng)?，邱帥，陳?/p>

(1.江蘇省氣象服務(wù)中心，江蘇 南京 210000； 2.南京師范大學(xué)，江蘇 南京 210046； 3.南京市測(cè)繪勘察研究院有限公司，江蘇 南京 210019)

城市小區(qū)域暴雨積澇模擬的參數(shù)率定研究

史瀟1*，黃亮1，彭?xiàng)?，邱帥3，陳昕3

(1.江蘇省氣象服務(wù)中心，江蘇 南京 210000； 2.南京師范大學(xué)，江蘇 南京 210046； 3.南京市測(cè)繪勘察研究院有限公司，江蘇 南京 210019)

城市化快速發(fā)展使得城市暴雨積澇多發(fā)。SWMM模型的發(fā)展和其在城市中的應(yīng)用較為成熟，模型所包含的參數(shù)物理概念相對(duì)清晰。本研究探索在大比例尺、高分辨率的空間地理數(shù)據(jù)和GIS技術(shù)的支撐下，針對(duì)城市小區(qū)域進(jìn)行暴雨積澇模擬的參數(shù)率定方法，并分析不同參數(shù)率定對(duì)模型模擬效果的影響，以期提高SWMM模型在城市小區(qū)域暴雨積澇應(yīng)用的準(zhǔn)確性。

城市小區(qū)域；SWMM；參數(shù)率定；GIS

1 引 言

隨著城市化的快速發(fā)展，人類活動(dòng)對(duì)城市氣象的影響力越來(lái)越顯著。城市綠地面積減小，高程建筑集中，城市硬化面積增加，不斷加劇的城市熱島效應(yīng)是城市暴雨積澇的直接誘因。此外，快速的城市化進(jìn)程與緩慢的排水管網(wǎng)改造速度之間的矛盾日益尖銳，排水系統(tǒng)建設(shè)滯后，老舊排水設(shè)施改造困難，也是引發(fā)城市暴雨積澇的主要原因。城市內(nèi)澇所帶來(lái)的一系列社會(huì)經(jīng)濟(jì)問(wèn)題已成為困擾城市發(fā)展的主要災(zāi)害因素。城市暴雨積澇研究越來(lái)越成為人們關(guān)注的熱點(diǎn)，各種研究反映城市雨洪特點(diǎn)的計(jì)算模型陸續(xù)被提出并加以應(yīng)用，比較典型的城市暴雨管理模型有：①1970年美國(guó)環(huán)境保護(hù)署開發(fā)研制的暴雨洪水管理模型SWMM(Storm Water Management Model)；②美國(guó)工程師協(xié)會(huì)水文工程中心在1976年完成的水存儲(chǔ)、出口、漫流徑流模型STORM(Storage Treatment and Overflow Runoff Model)；③國(guó)內(nèi)由清華大學(xué)規(guī)劃院在SWMM模型基礎(chǔ)上提出Digital Water模型，將排水管網(wǎng)動(dòng)態(tài)模擬計(jì)算能力和GIS空間管理分析功能融合為一體的城市給水排水模型[1]。

2 研究區(qū)域概況和模型選用

2.1 研究區(qū)概況

本文研究區(qū)域面積約為25.96 ha，區(qū)內(nèi)居民小區(qū)建筑較多，多為低矮建筑，地下管線已大多實(shí)現(xiàn)雨污分流。境內(nèi)地勢(shì)較高且區(qū)域相對(duì)獨(dú)立，內(nèi)部管線均向外圍流出且外圍管線無(wú)入流。研究區(qū)概況如圖1所示。

圖1 研究區(qū)域范圍

空間數(shù)據(jù)源為區(qū)域內(nèi)1∶500比例尺地形圖數(shù)據(jù)、地下管線數(shù)據(jù)，1 m×1 m分辨率DEM，1∶2 000比例尺的地表覆蓋圖斑數(shù)據(jù)。降雨數(shù)據(jù)采用由江蘇省氣象臺(tái)提供的2015年6月25日～6月27日強(qiáng)降雨所發(fā)布的降雨數(shù)據(jù)。結(jié)合暴雨淹沒(méi)發(fā)布官方信息并根據(jù)實(shí)地走訪調(diào)查，對(duì)SWMM模型參數(shù)進(jìn)行初步率定。

2.2 城市暴雨積澇模擬模型選用

SWMM模型主要用于城市排水、防澇工程規(guī)劃、設(shè)計(jì)和管理的雨洪模型。芮孝芳等人通過(guò)對(duì)SWMM的模型結(jié)構(gòu)和參數(shù)的剖析，證明其對(duì)城市雨洪形成過(guò)程的描述是符合迄今為止人們對(duì)城市產(chǎn)生匯流規(guī)律的認(rèn)知的[2]。SWMM作為一套功能齊全、界面友好、易于使用的優(yōu)秀免費(fèi)軟件，成為許多商業(yè)軟件的核心，也為排水系統(tǒng)的科學(xué)研究提供了便利[3]。綜合本研究區(qū)的實(shí)際情況以及研究需要，本文選用SWMM模型來(lái)進(jìn)行南京市暴雨積澇模擬是可行的。

SWMM模型是一種典型的城市雨洪模型，它將城市暴雨內(nèi)澇過(guò)程大致分為三部分：降雨過(guò)程、城市地表的產(chǎn)匯流過(guò)程、城市排水管網(wǎng)排水過(guò)程。其模型基本構(gòu)成是由城市匯水信息與城市排水管網(wǎng)信息組成的城市排水概化模型。其中，管道節(jié)點(diǎn)即檢查井概化為點(diǎn)，排水管道概化為線，城市匯流區(qū)概化為面。匯水區(qū)的出水口連接有管道節(jié)點(diǎn)和排水管道，組成排水管網(wǎng)。其產(chǎn)匯流分析方法是以水文學(xué)和水力學(xué)為基礎(chǔ)的，能較好模擬城市暴雨積澇過(guò)程，本實(shí)驗(yàn)選用的是Horton下滲曲線法。在模擬坡面匯流過(guò)程中，利用水量平衡方程和曼寧公式來(lái)描述坡面水流。坡面形成的雨洪進(jìn)入管道就轉(zhuǎn)入管道匯流階段，提供三種方法來(lái)進(jìn)行管渠管段的流量演算：恒定流演算、運(yùn)動(dòng)波演算和動(dòng)態(tài)波演算。由于研究區(qū)地形地勢(shì)以及排水管網(wǎng)實(shí)際規(guī)劃的影響，研究區(qū)在暴雨積澇過(guò)程中回流現(xiàn)象比較顯著。因此本實(shí)驗(yàn)中選用的是動(dòng)態(tài)波演算方法。SWMM的模擬結(jié)果如排放口負(fù)荷、管段流量、管段超載、溢流節(jié)點(diǎn)(檢查井)在某一時(shí)間段內(nèi)的水量容積變化以及洪流的發(fā)生等，詳盡地展現(xiàn)了研究區(qū)暴雨積澇情況，是后續(xù)3D場(chǎng)景可視化模擬的基礎(chǔ)。

3 模型參數(shù)選擇及取值

SWMM模型既具有通用性也具有特殊性，對(duì)不同地域需要有效地加以取舍和選擇不同的計(jì)算參數(shù)，以更好地滿足區(qū)域適用性[3]。其中部分參數(shù)數(shù)據(jù)，如滲透性/不滲透性洼地蓄水量(mm)、曼寧粗糙系數(shù)、管渠進(jìn)/出水偏移量(m)等，并不能直接通過(guò)實(shí)測(cè)獲得，而是通過(guò)經(jīng)驗(yàn)方法或者簡(jiǎn)化的計(jì)算方法獲得，因此在模型應(yīng)用之前還需要對(duì)這部分參數(shù)進(jìn)行率定[4]。本實(shí)驗(yàn)采用調(diào)參“試錯(cuò)法”，即在一定范圍內(nèi)依次改變模型中的參數(shù)，直到其偏離程度被調(diào)整到可容許范圍內(nèi)為止，此時(shí)參數(shù)值可作為最終值。SWMM模型參數(shù)設(shè)置主要分為三部分，包括雨量站設(shè)置、城市匯水區(qū)參數(shù)設(shè)置和排水管網(wǎng)參數(shù)設(shè)置。

3.1 雨量站設(shè)置

雨量資料是由氣象部門提供的2015年XX雨量站降雨實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，為了保證模擬過(guò)程順利進(jìn)行，將降雨資料編輯篩選整理成符合模型需求的時(shí)間序列文件，時(shí)間步長(zhǎng)為 10 min。

3.2 匯水區(qū)參數(shù)設(shè)置

主要匯水區(qū)參數(shù)中出水口節(jié)點(diǎn)、特征寬度(m)、地表平均坡度(%)、不滲透面積百分比(%)是確定性參數(shù)，利用本試驗(yàn)區(qū)基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)計(jì)算得到。其余參數(shù)為不確定性參數(shù)，文獻(xiàn)建議取值范圍即經(jīng)驗(yàn)參考值，如表1所示。

匯水區(qū)不確定性參數(shù)建議取值范圍 表1

3.3 排水管網(wǎng)/管渠參數(shù)設(shè)置

主要排水管網(wǎng)參數(shù)中內(nèi)底標(biāo)高(m)、最大深度(m)、管渠進(jìn)出水口節(jié)點(diǎn)、管渠形狀以及管渠進(jìn)/出水偏移量(m)利用基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)計(jì)算得到。其余3個(gè)不確定性參數(shù)的建議取值范圍，如表2所示：

管渠不確定性參數(shù)建議取值范圍 表2

4 參數(shù)率定過(guò)程及模擬結(jié)果分析

利用試驗(yàn)區(qū)域地表覆蓋、衛(wèi)星影像、城建普查、大比例尺地形圖以及高精度DEM等數(shù)據(jù)，劃分子匯水區(qū)并計(jì)算其透水面和不透水面的面積。應(yīng)用ArcGIS對(duì)試驗(yàn)區(qū)排水管網(wǎng)概化，建立排水管網(wǎng)物理模型，如圖2所示。

圖2 試驗(yàn)區(qū)管網(wǎng)概化及子匯水區(qū)劃分

模型參數(shù)率定結(jié)果 表3

圖3 暴雨積澇區(qū)域示意圖

通過(guò)不斷調(diào)整輸入?yún)?shù)，最后當(dāng)匯水區(qū)和管渠不確定性參數(shù)取值接近參考值范圍的中間值時(shí)，SWMM模型模擬執(zhí)行結(jié)果報(bào)告顯示，模型的地表徑流量誤差為-0.52%，流量演算誤差為0.4%，這說(shuō)明對(duì)于徑流和演算具有可忽略的質(zhì)量守恒連續(xù)性誤差，模擬的質(zhì)量很好[5～7]。另外，通過(guò)收集相關(guān)歷史資料并進(jìn)行實(shí)地訪調(diào)查，發(fā)現(xiàn)當(dāng)參數(shù)取值接近參考值范圍的中間值時(shí)，模擬演算得到的暴雨積澇區(qū)域與實(shí)際發(fā)生積澇的位置最相符，模擬效果比較理想。表3為模型參數(shù)率定結(jié)果，圖3為模擬演算得到的暴雨積澇區(qū)域。

5 結(jié) 語(yǔ)

SWMM模型包含的各項(xiàng)參數(shù)比較完整地描述了城市雨洪的形成過(guò)程。本文結(jié)合城市小區(qū)域高精度、大比例尺基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)探索了SWMM模型參數(shù)率定，通過(guò)試錯(cuò)法對(duì)匯水區(qū)以及排水管渠的不確定性參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，使模擬結(jié)果與實(shí)際情況相符合。該率定方法可為城市小區(qū)域利用SWMM模型建立積澇預(yù)報(bào)預(yù)警、防災(zāi)具有指導(dǎo)意義。

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Research in the Parameter Calibration for Rainstorm Waterlogging Simulation in Small Urban Areas

Shi Xiao1，Huang Liang1，Peng Yang2，Qiu Shuai3，Chen Xin3

(1.Jiangsu Weather Service Center，Nanjing 210000，China； 2.Nanjing Normal University，Nanjing 210046，China； 3.Nanjing Institute of Surveying，Mapping&Geotechnical Investigation，Co.，Ltd，Nanjing 210019，China)

With the rapid development of urbanization，more and more urban rainstorm waterlogging has occurred. The development of SWMM model and its application in the city are more mature，and the physical concepts of parameters which the model contains are relatively clear. This study explores a method of parameter calibration for rainstorm waterlogging simulation in small urban areas under the support of large-scale，high-resolution spatial geographic data and GIS technology，and analyzes the influence of different parameter calibration on the simulation effect of the model to improve the accuracy of SWMM model applied to the rainstorm waterlogging in small urban areas.

small urban area；SWMM；parametercalibration；GIS

1672-8262(2017)02-16-03

P208.2

A

2017—02—21

史瀟(1989—)，女，碩士，助理工程師，研究方向：3S與氣象應(yīng)用，氣象災(zāi)害等。 基金項(xiàng)目：江蘇省測(cè)繪地理信息科研項(xiàng)目資助(JSCHKY2015012)