城鎮(zhèn)化對杭州臨安區(qū)小河流洪水特性的影響研究

(浙江豐鐸建設(shè)有限公司，浙江 杭州 311300)

伴隨著城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快，一系列氣象水文環(huán)境也隨之發(fā)生變化。城鎮(zhèn)化對小河流下墊面的改變等人類活動的影響，使得洪水特性較天然流域發(fā)生較大變化，對山區(qū)特殊的氣候地理環(huán)境，影響尤為突出，給城鎮(zhèn)化后河道的行洪安全帶來極大隱患，因此需要對城鎮(zhèn)化前后山區(qū)小河流的洪水特性進(jìn)行研究[1-4]。

山區(qū)小河流在天然情況下，河水特性主要受降雨因素的影響，由于山區(qū)河流流域面積小，調(diào)洪能力有限，極易發(fā)生洪水；同時受下墊面和生態(tài)環(huán)境的影響比較敏感。城鎮(zhèn)化之前的山區(qū)地形起伏較大，溪流深切，且植被覆蓋率、地表透水率等均較大；而城鎮(zhèn)化后，下墊面條件均產(chǎn)生較大變化，再加上城市雨水管網(wǎng)的匯入等綜合因素的影響，使得產(chǎn)匯流發(fā)生改變，從而改變河道的洪水特性，對工程設(shè)計產(chǎn)生影響。本文采用分布式水文模型SWMM[5-9]對杭州西部山區(qū)城鎮(zhèn)化前后的小河流洪水特性進(jìn)行了對比研究，可為類似地區(qū)的城市河道工程設(shè)計洪水計算提供理論指導(dǎo)及經(jīng)驗借鑒。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于杭州西部臨安區(qū)，其中南苕溪發(fā)源于太湖源鎮(zhèn)臨目馬尖崗，該地區(qū)呈南高北低、中間低東西高的整體態(tài)勢，地下水主要為松散土體孔隙水和基巖裂隙水，巖層主要為砂巖、泥巖；研究區(qū)屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，多年平均降水量為1100mm，降雨主要集中于5—8月，平均蒸發(fā)量為1080mm,多年平均日照數(shù)為1200h,平均氣溫為18.8℃。近年來，由于社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展較快，推動其城鎮(zhèn)化進(jìn)程，其城鎮(zhèn)化前后的用地布局比例見表1。

表1 城鎮(zhèn)化前后的用地布局比例情況

2 SWMM模型理論

2.1 SWMM模型簡介

SWMM模型(即暴雨洪水管理模型)是一個動態(tài)的降水-徑流模擬模型，主要用于模擬城市某一單一降水事件或長期的水量和水質(zhì)模擬；SWMM模型含有多個子模塊，每個模塊之間既可相互獨立，又可相互聯(lián)系。本文主要采用降雨、產(chǎn)流、地表匯流以及管網(wǎng)匯流4個模塊。其中，降雨模塊常用的方法有CHM法(即芝加哥暴雨過程線法)、Huff 法、矩法和三角形法等，本文采用芝加哥暴雨過程曲線法；產(chǎn)流模塊則是將研究區(qū)域分為透水和不透水區(qū)域，主要包括下滲和填洼兩部分計算過程(本文采用Horton公式計算后損)；匯流模塊采用非線性水庫法，建立計算公式；管網(wǎng)模塊采用常規(guī)水動力學(xué)方法，建立并求解圣維南方程組。

2.2 城鎮(zhèn)化前后SWMM 模型建立

研究區(qū)城鎮(zhèn)化前主要以綠地、耕地為主，建筑物較少，植被覆蓋率高，對徑流擁有較強(qiáng)的截蓄能力，對地下水的補(bǔ)給也較強(qiáng)，因此產(chǎn)流歷時比較長，產(chǎn)流量較小，徑流系數(shù)低，故將研究區(qū)劃分為8個模型塊。而研究區(qū)城鎮(zhèn)化后，由于城市管網(wǎng)的匯入以及工程建設(shè)導(dǎo)致的地形變化，匯水面積有所增加(較城鎮(zhèn)化前增加約0.65km2),不透水面積增大導(dǎo)致雨水下滲較少，洪峰值增大，徑流系數(shù)也隨之增大，故而將研究區(qū)劃分為16個模型塊。研究區(qū)城鎮(zhèn)化前后的模型分塊結(jié)果見圖1。

圖1 研究區(qū)城鎮(zhèn)化前后模型分塊情況

當(dāng)?shù)囟嗄杲涤杲y(tǒng)計資料顯示，降雨歷時為2h的降雨場次最多，故分別選擇重現(xiàn)期為5a、20a、50a、100a的降雨情景(歷時時間均為2h)，雨峰系數(shù)r取值為0.375，采用CHM法模擬得到的降雨過程歷時曲線見圖2[10]，從圖2可以看到，隨著重現(xiàn)期的增大，其最大降雨強(qiáng)度從4mm/min增加至6.5mm/min，但出現(xiàn)最大降雨強(qiáng)度的時間均在40～50min之間，這和實際情況相符。

根據(jù)經(jīng)驗及參考資料，本文對研究區(qū)城鎮(zhèn)化前后的產(chǎn)流模塊計算參數(shù)取值情況見表2。匯流及管網(wǎng)模塊均為前文所提的常規(guī)計算方法。

圖2 模擬不同重現(xiàn)期下的降雨歷時曲線

參數(shù)名稱區(qū) 域城鎮(zhèn)化前城鎮(zhèn)化后粗糙系數(shù)不透水區(qū)域0.14～0.40.14～0.4透水區(qū)域0.0270.027～0.1河道0.0350.022洼蓄值不透水區(qū)域1.27～2.54mm2.54mm透水區(qū)域2.54～5.08mm5.08mm

續(xù)表

3 城鎮(zhèn)化前后SWMM降雨徑流模擬結(jié)果對比分析

3.1 模擬結(jié)果對比分析

不同重現(xiàn)期下，城鎮(zhèn)化前后洪峰流量歷時曲線見圖3。從圖3可以看出城鎮(zhèn)化前后的洪水特性有較大區(qū)別，且主要表現(xiàn)在以下3個方面：

a.城鎮(zhèn)化對洪水峰值的影響：城鎮(zhèn)化后，下墊面發(fā)生較大變化，流域內(nèi)草地、耕地等透水面積減少，路面、建筑物等不透水面積增加，對洪水的蓄滯作用減弱，同時由于下墊面及地形條件變化，導(dǎo)致各模型計算參數(shù)值(如曼寧系數(shù)、粗糙系數(shù))發(fā)生變化，故而使得城鎮(zhèn)化前后的洪水峰值有較大改變，城鎮(zhèn)化后的流域出口斷面洪峰流量值均較城鎮(zhèn)化前有所增加，增幅約4.9%～17%，見圖4。

b.城鎮(zhèn)化對洪水歷時的影響：城鎮(zhèn)化后，流域下墊面發(fā)生重大變化，特別是對匯流條件產(chǎn)生較大影響，地形條件、不透水區(qū)域面積以及管道匯流參數(shù)等是影響洪水歷時的主控因素，不透水區(qū)域面積越大，該區(qū)域的產(chǎn)流時間越短，凈雨量匯入管道的時間越小，即縮短了流域洪水峰值到來的時間，從圖3城鎮(zhèn)化前后峰值出現(xiàn)的時間長短及整個歷時上均可以看出。經(jīng)對比計算，相同雨情條件下，城鎮(zhèn)化后的洪水歷時較城鎮(zhèn)化前縮短約4.2%～8.3%。

圖3 不同重現(xiàn)期下的洪水過程歷時曲線

圖4 城鎮(zhèn)化前后洪峰流量對比

c.城鎮(zhèn)化對洪水過程的影響：從圖3可以看出，由于流域下墊面因素的重大改變，使得產(chǎn)流時間減短，同時滯蓄作用減弱，使得洪水退卻時間也提前，形成來得快、去得快的洪水過程特性，即城鎮(zhèn)化后的洪水過程曲線更“尖瘦”。

3.2 模擬結(jié)果可靠性及合理性分析

為了驗證SWMM模型在該地區(qū)的適用性和合理性，采用水利部推薦使用的推理公式與SWMM模型計算結(jié)果進(jìn)行對比分析。推理公式見下式：

式中Qm——計算洪峰流量；

ψ——計算徑流系數(shù)值(文中取值)；

SP——匯流歷時時間；

F——計算匯流的面積大小。

將相關(guān)計算參數(shù)代入公式，得到城鎮(zhèn)化前后的洪峰流量，與模型計算結(jié)果對比，見表3。從表中可以看出，不論是城鎮(zhèn)化前還是城鎮(zhèn)化后，都與水利部推薦適用的推理公式計算得到理論洪峰流量相差不大，城鎮(zhèn)化前、后計算結(jié)果相差僅1.7%和1.2%，可見SWMM模型計算結(jié)果合理可靠。

表3 城鎮(zhèn)化前后SWMM模型洪水計算結(jié)果與推薦公式計算結(jié)果對比

4 結(jié) 論

文章運(yùn)用SWMM模型對杭州臨安地區(qū)山區(qū)小河流城鎮(zhèn)化前后的洪水特性進(jìn)行了詳細(xì)分析，主要結(jié)論如下:

a.城鎮(zhèn)化前后下墊面條件的變化，是影響流域洪水特性變化的主要原因，下墊面及地形的變化，導(dǎo)致徑流系數(shù)發(fā)生較大改變，從而流域的產(chǎn)匯流發(fā)生重大改變。

b.城鎮(zhèn)化后與城鎮(zhèn)化前相比，其洪峰流量值增大約4.9%～17%，洪水歷時縮短4.2%～8.3%，洪水過程歷時曲線呈“尖瘦”狀，即表現(xiàn)為來得快、去得快的洪水過程特征。