基于城市雨洪模型的地表匯流方式選擇
----以鄭州市為例

李 東，薦圣淇，張 穎，胡彩虹

(鄭州大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院，鄭州 450001)

城市大規(guī)模的擴(kuò)張，使城市下墊面透水性能大大降低，減少了雨水向地下入滲，導(dǎo)致峰現(xiàn)時(shí)間提前，匯流速度加快，徑流量明顯增大，因此引起城市防洪能力下降，導(dǎo)致城市洪澇災(zāi)害發(fā)生次數(shù)不斷增加，且危害等級呈不斷提高趨勢[1-3]。2016年7月武漢發(fā)生了特大暴雨，導(dǎo)致城區(qū)各處路段被淹，嚴(yán)重威脅著人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全，給國家的經(jīng)濟(jì)帶來了巨大的損失。近幾年，城市內(nèi)澇現(xiàn)象日益頻繁，暴雨滯水時(shí)間長、深度大、波及范圍廣等特點(diǎn)，給城市居民生活帶來了極大的不便和安全隱患。

近年來，鄭州市極端天氣頻發(fā)，短時(shí)間、突發(fā)性的局部地區(qū)暴雨災(zāi)害發(fā)生的頻率較高，由此造成的內(nèi)澇災(zāi)害危險(xiǎn)性極大，因此在城市建設(shè)過程中必須注重城市洪水的模擬，提前做好相關(guān)預(yù)報(bào)工作，增強(qiáng)城市的防洪能力。然而，城市洪水模擬過程是一個(gè)復(fù)雜且不確定的過程，只是用簡單的運(yùn)算方法是不能對城市洪水過程進(jìn)行真實(shí)的模擬，諸多研究表明，傳統(tǒng)的水動力學(xué)算法計(jì)算繁瑣，條件要求復(fù)雜，在實(shí)際應(yīng)用中較難實(shí)，只依靠水文學(xué)方法計(jì)算雖然較為簡單，但是物理機(jī)制卻不明晰[4-9]。因而，探索有效降低城市內(nèi)澇災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)的新型城市雨洪管理模式就顯得尤為重要[10]。其中SWMM模型在城市雨洪管理中應(yīng)用較為廣泛，在基于SWMM模型的城市雨洪管理研究中，大部分特征參數(shù)設(shè)置已經(jīng)頗為成熟[11,12]，但對于匯水區(qū)地表匯流方式模式的選擇對城市雨洪模擬結(jié)果影響的研究甚少。城市雨洪管理模型地表匯流方式的選擇是模擬降水在地表徑流流經(jīng)路徑的選擇，選擇合理的地表匯流方式可以提高模型模擬結(jié)果的精度。趙冬泉分析了子匯水區(qū)劃分的程度以及流經(jīng)路徑模擬結(jié)果的影響，結(jié)果表明子匯水區(qū)劃分程度和流經(jīng)路徑的不同，對模擬結(jié)果的時(shí)間過程曲線有較大的影響[13]。

目前，由于對城市雨洪管理模型中的地表匯流方式的研究不足, 不同地表匯流方式的選擇對模擬結(jié)果的影響往往會被忽視。本文以鄭州市為研究區(qū)域，根據(jù)鄭州市的遙感影像和城市管網(wǎng)等數(shù)據(jù)，構(gòu)建了子匯水區(qū)為2200個(gè)的鄭州市雨洪管理模型，通過在SWMM模型匯水模塊中設(shè)置不同的地表匯流方式，分析了不同匯流方式的選擇對城市雨洪管理模型的模擬結(jié)果的影響。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

鄭州位于河南省中部，西南方向地勢較高，而東北方向地勢較低，城市西部與東部地面的自然高差達(dá)到30多米。鄭州屬于北溫帶大陸季風(fēng)氣候，冷暖氣團(tuán)交替頻繁，年平均降水量為635.6 mm，汛期集中于每年的7月到9月，汛期降雨量占全年總降雨量的60%～70%。鄭州市水系屬于黃河水系(見圖1)，該城區(qū)雨水的排放，主要是就近排入河道，城區(qū)內(nèi)的雨水分別從賈魯河、金水河、索須河、魏河、東風(fēng)渠、七里河、熊兒河等河道匯入賈魯河后，排出市外(中牟站)。鄭州市區(qū)面積1 010 km2，本次研究范圍為鄭州市繞城高速環(huán)繞的建成區(qū)部分，面積約550 km2。

圖1 鄭州市區(qū)水系圖Fig.1 Water system map of Zhengzhou City

1.2 降雨資料

本次研究的目的是針對鄭州市區(qū)的具體情況，構(gòu)建城市暴雨洪水模型，模擬鄭州市在不同匯流情況下的徑流情況。因此，對于實(shí)測降雨資料的選擇應(yīng)以滿足模型的功能性為主，降雨資料主要選擇短歷時(shí)的大暴雨。本研究選取降雨徑流序列范圍為2010-2014年，選取3場短歷時(shí)暴雨，分別為20110726、20120707、20120827，由于SWMM模型輸入格式為降雨強(qiáng)度，因此將收集到的降雨量數(shù)據(jù)整理成降雨強(qiáng)度，其中降雨強(qiáng)度20120827>20110726>20120707。

1.3 SWMM原理

SWMM模型是一個(gè)基于水動力學(xué)的降水-徑流模型，主要用于城市某一單一降水事件或長期的水量和水質(zhì)模擬[14]。SWMM模型主要包括降雨模塊、地表產(chǎn)流模塊、地表匯流模塊和管網(wǎng)匯流模塊。

(1)降雨模塊。SWMM模型的主要輸入變量是降雨，輸入的降雨可以為不同重現(xiàn)期的設(shè)計(jì)降雨，也可以為實(shí)測降雨資料，還可以為雷達(dá)測雨數(shù)據(jù)。

(2)地表產(chǎn)流模塊。當(dāng)降雨落到地面以后，需要計(jì)算產(chǎn)流量，不同下墊面的產(chǎn)流量具有不同的計(jì)算方式。按照透水性不同將各子匯水區(qū)分成不透水區(qū)面積和透水區(qū)面積兩部分。其中不透水區(qū)面積又將其分為有洼蓄量不透水區(qū)面積、無洼蓄量不透水區(qū)面積。

(3)地表匯流模塊。將各個(gè)子匯水區(qū)的凈雨過程轉(zhuǎn)化為子匯水區(qū)的出流過程即為SWMM模型的地表匯流模塊，通過將三種不同的下墊面，即有洼蓄不透水地面、無洼蓄不透水地面和透水地面近似處理為非線性水庫。

(4)管網(wǎng)匯流模塊。降雨流經(jīng)各子流域地表后，匯入人工水溝及管道中，采用圣維南方程計(jì)算排水管網(wǎng)的匯流，考慮到水流方式的復(fù)雜程度，本次模型選擇動力波進(jìn)行求解。

1.4 排水管網(wǎng)的概化及子匯水區(qū)的劃分

城市排水管網(wǎng)主要包括雨水口、管道、檢查井、雨水泵站、排放口等幾個(gè)部分，城市排水管網(wǎng)深埋于地下，管道布置復(fù)雜，整體概化管網(wǎng)會給模型帶來較大的誤差。因此需要將實(shí)際的管網(wǎng)簡化為管網(wǎng)模型，使管網(wǎng)數(shù)據(jù)能夠更加符合模型的所需，在保證真實(shí)準(zhǔn)確和科學(xué)性的情況下，通常采取以下措施：

(1)不合并道路兩側(cè)的平行管線，在模型中設(shè)置雙排管道，以及只保留管徑在200 mm以上的管段，其他的略去；

(2)由于本次模擬的研究區(qū)域較大，小尺寸的管線數(shù)量多，為了減少模型計(jì)算的誤差，一般只保留雨水主干管道和干管線；

(3)模型的節(jié)點(diǎn)設(shè)置，一般除了在雨水檢查井處設(shè)置節(jié)點(diǎn)，當(dāng)管段的管長超過2 000 m或管線的轉(zhuǎn)角超過60°時(shí)也應(yīng)該增設(shè)節(jié)點(diǎn)，以增加相應(yīng)管段。

子匯水區(qū)的劃分通常遵循地形、地貌特征、管網(wǎng)布局及雨水就近排放的原則，首先根據(jù)鄭州市的實(shí)際地表匯流情況將城區(qū)整個(gè)匯水區(qū)劃分為若干個(gè)小的子匯水區(qū)；再確定各個(gè)子匯水區(qū)上地表徑流的流經(jīng)路徑，建立子匯水區(qū)與周圍其他子匯水區(qū)或管網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的相應(yīng)關(guān)系。其劃分主要遵循以下的原則：

(1)根據(jù)鄭州市的地形資料，匯流方向由研究區(qū)的坡度進(jìn)行確定；

(2)依據(jù)鄭州市區(qū)的建筑物分布、道路和河流水系情況，劃分各個(gè)子匯水區(qū)，再結(jié)合道路的檢查井的位置采用泰森多邊形法進(jìn)行細(xì)分子匯水區(qū)；

(3)子匯水區(qū)徑流就近匯入管網(wǎng)節(jié)點(diǎn)(檢查井)或匯入鄰近子匯水區(qū)。

1.5 模型參數(shù)的選擇

劉興坡[15]對SWMM模型中的水文參數(shù)的靈敏度進(jìn)行分析，研究表明：各參數(shù)的靈敏度在不同的情景下排序不同，對徑流過程影響最敏感的參數(shù)是子匯水區(qū)不透水面積比例，然后是不透水區(qū)洼蓄量、管道曼寧粗糙系數(shù)子匯水區(qū)面積、特征寬度、不透水區(qū)粗糙系數(shù)、平均坡度、初始入滲率、透水區(qū)洼蓄量、透水區(qū)粗糙系數(shù)、無洼蓄不透水面積比例、衰減常數(shù)和穩(wěn)定入滲率。

本次研究中，子匯水區(qū)透水面積比例根據(jù)遙感數(shù)據(jù)已經(jīng)確定，子匯水區(qū)面積和坡度根據(jù)GIS已確定，特征寬度的計(jì)算方法采用周毅[16]對漫流寬度計(jì)算研究中的方法，其他參數(shù)取值見表1。

表1 參數(shù)取值Tab.1 Parameter values

本次模型參數(shù)驗(yàn)證采用Nash-Sutcliff確定性系數(shù)NS表示，首先設(shè)置河道的初始流量為零，與中牟站實(shí)測流量進(jìn)行對比時(shí)，通過計(jì)算得出，實(shí)測流量與模擬流量的NS達(dá)到0.8以上，其他各誤差分析均符合國家標(biāo)準(zhǔn)。

1.6 匯流方式

本研究采用SWMM模型，根據(jù)地面的透水性質(zhì)將匯水區(qū)分成可滲透子匯水區(qū)和不可滲透子匯水區(qū)，并通過Subarea Routing匯流方式來標(biāo)識各子區(qū)之間的流經(jīng)路徑[17]。SWMM模型中匯水區(qū)的地表匯流方式分別為PERVIOUS、 IMPERVIOUS和OUTLET[18]。PERVIOUS指兩個(gè)子區(qū)之間的坡面徑流由不可滲透區(qū)流向可滲透區(qū)；IMPERVIOUS指兩個(gè)子區(qū)之間的坡面徑流的流動是由可滲透區(qū)流向不可滲透區(qū)；OUTLET不可滲透區(qū)和可滲透區(qū)產(chǎn)生的徑流均直接流向匯水節(jié)點(diǎn)。

當(dāng)子匯水區(qū)的地表匯流方式選用PERVIOUS模式時(shí)，模型演算面積比(Percent Routed)可較好地表征子匯水區(qū)內(nèi)有效不可滲透區(qū)和非有效不可滲透區(qū)的比例。鄭州市區(qū)人口密度大，建筑物密集，地表不透水率較大，不可滲透區(qū)高度集中，其不可滲透區(qū)域大多直接由不透水溝渠和雨水檢查井匯入管網(wǎng)，最后排入河道，少數(shù)不透水區(qū)徑流則經(jīng)透水區(qū)域匯入管網(wǎng)或河道，故其不可滲透區(qū)要以有效不可滲透區(qū)為主。當(dāng)子匯水區(qū)的地表匯流方式選用PERVIOUS時(shí)，模型演算面積比一般選擇15%，當(dāng)子匯水區(qū)的地表匯流方式選用IMPERVIOUS和OUTLET時(shí)，模型演算面積比一般選擇默認(rèn)的100%。

2 結(jié)果分析

2.1 管網(wǎng)概化及子匯水區(qū)劃分結(jié)果

根據(jù)鄭州市區(qū)現(xiàn)狀和規(guī)劃管網(wǎng)情況，依據(jù)排水管網(wǎng)的空間拓?fù)潢P(guān)系，對鄭州市區(qū)的排水管網(wǎng)進(jìn)行概化。將鄭州市區(qū)管網(wǎng)概化結(jié)果為2 431個(gè)節(jié)點(diǎn)，2 451條管段，其中道路與管網(wǎng)雙層管網(wǎng)1 083條。鄭州市排水系統(tǒng)概化結(jié)果見圖2。

本文根據(jù)鄭州市的管網(wǎng)布設(shè)情況，基于子匯水區(qū)概化原則，劃分的子匯水區(qū)既要滿足模型模擬精度，又要保證劃分子匯水區(qū)的簡易性，。因此經(jīng)過綜合分析，把面積為550 km2的研究區(qū)劃分為2 200個(gè)子匯水區(qū)(見圖3)。

2.2 匯流方式模擬結(jié)果

本次研究采用SWMM模型中的PERVIOUS、 IMPERVIOUS和OUTLET三種地表匯流方式對鄭州市暴雨洪水過程進(jìn)行模擬，采用20110726，20120707，20120827三場短歷時(shí)暴雨對應(yīng)的實(shí)測流量數(shù)據(jù)與模型模擬的徑流過程進(jìn)行對比分析，結(jié)果如圖4所示。

圖4 實(shí)測流量數(shù)據(jù)與模型模擬的徑流過程Fig.4 Data of measured flow and model simulated runoff process

當(dāng)SWMM模型中的地表匯流方式選擇OUTLET時(shí)，模擬的徑流過程和洪峰流量比實(shí)測值明顯偏高，這三場暴雨的洪峰流量相對誤差分別為8.2%，11.2%，6.8%，OUTLET匯流方式將所有不可滲透區(qū)均當(dāng)做與排水系統(tǒng)直接相連的有效不可滲透區(qū)處理，而忽略了非有效不可滲透區(qū)的存在，非有效不可滲透區(qū)域徑流匯流時(shí)通常流經(jīng)多處可滲透區(qū)域，這個(gè)匯流過程往往伴隨大面積下滲，因此OUTLET匯流演算方式模擬的結(jié)果與實(shí)測結(jié)果存在較大的差異。

當(dāng)SWMM模型中的地表匯流方式選擇PERVIOUS時(shí)，模擬的徑流過程和洪峰流量與實(shí)測的結(jié)果差異較小，這三場暴雨的洪峰流量相對誤差分別為1.9%，2.8%，2.1%，主要表現(xiàn)在暴雨強(qiáng)度選取不同，模擬的結(jié)果與實(shí)測的結(jié)果存在差異。當(dāng)選擇高強(qiáng)度短歷時(shí)暴雨模擬時(shí)，模擬得到的洪峰流量和洪水過程往往大于實(shí)測值；當(dāng)選擇低強(qiáng)度短歷時(shí)暴雨模擬時(shí)，洪峰流量和洪水過程往往小于實(shí)測值。

當(dāng)SWMM模型中的地表匯流方式的選擇IMPERVIOUS時(shí)，IMPERVIOUS和OUTLET匯流方式下模擬的徑流過程和洪峰流量相差甚少，但相比PERVIOUS模式下的模擬結(jié)果和實(shí)測結(jié)果存在較大的差異。

3 結(jié) 論

本文基于鄭州市的實(shí)測降雨數(shù)據(jù)，在子匯水區(qū)劃分為2 200個(gè)的情況下，通過在SWMM模型的匯水模塊中設(shè)置OUTLET，IMPERVIOUS，PERVIOUS 3種地表匯流方式，定量分析了地表匯流方式對鄭州市徑流過程和洪峰流量的影響。結(jié)果表明：

(1)應(yīng)用SWMM模型，針對鄭州市現(xiàn)有和規(guī)劃的城市排水管網(wǎng)系統(tǒng)，當(dāng)子匯水區(qū)數(shù)量劃分為2 200個(gè)時(shí)較適合鄭州市實(shí)際狀況。

(2)當(dāng)SWMM模型中的地表匯流方式選擇IMPERVIOU和OUTLET時(shí)，匯水區(qū)地表徑流的模擬結(jié)果相似，但相比Perviou模式下的模擬結(jié)果和實(shí)測結(jié)果明顯偏大。

(3)當(dāng)SWMM模型中的地表匯流方式的選擇PERVIOUS時(shí)，匯水區(qū)地表徑流的模擬結(jié)果與實(shí)測結(jié)果存在較小的差異。因此，鄭州市地表匯流方式的選擇PERVIOUS進(jìn)行模擬較為合理。

(4)由于本次模擬過程中所需要的數(shù)據(jù)資料條件有限，資料的不完整性導(dǎo)致模型模擬精度偏低，故應(yīng)搜集更加詳細(xì)準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)資料進(jìn)一步驗(yàn)證。

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