基于SWMM的暴雨徑流過程模擬

張可 章禹琦 都怡辰 張浩 曹一

摘 要：當(dāng)今社會(huì)發(fā)展迅速城市化進(jìn)程也在逐步加快，同時(shí)隨著氣候的變化和熱島效應(yīng)的明顯加劇，城市的暴雨事件頻頻發(fā)生并造成嚴(yán)重的財(cái)產(chǎn)損失和人員傷亡，所以內(nèi)澇災(zāi)害的預(yù)警要求也隨之提高。文章通過介紹并利用SWMM模型的原理和方法，借助其中的各模塊對(duì)鄭州大學(xué)新校區(qū)的各種重現(xiàn)期設(shè)計(jì)暴雨條件來進(jìn)行產(chǎn)匯流的模擬分析，確定各級(jí)預(yù)報(bào)預(yù)警的閾值，最終形成預(yù)警預(yù)報(bào)系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：城市內(nèi)澇;SWMM模型;子匯水區(qū);預(yù)警系統(tǒng)

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，國(guó)家各地的城市化進(jìn)程都不斷地加快，城區(qū)面積也隨之不斷的擴(kuò)張。城市化的過程當(dāng)中城市下墊面狀態(tài)發(fā)生改變，不透水面積越來越大，雨水下滲受阻，降水成流更加迅速且徑流系數(shù)大幅度提高，易造成洪澇災(zāi)害[1]。同時(shí)隨著全球氣候變暖，城市熱島效應(yīng)的進(jìn)一步加劇，極端降水頻頻出現(xiàn)，城市暴雨內(nèi)澇災(zāi)害日趨嚴(yán)重，大中型城市在防御內(nèi)澇災(zāi)害方面的脆弱性日趨明顯。而且與農(nóng)村相比，城市的人口和資產(chǎn)高度集中，災(zāi)害損失更加嚴(yán)重，如7.12北京市特大暴雨、7.23武漢市特大暴雨等，都造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失和一定的人員傷亡。合理的預(yù)警預(yù)報(bào)可以對(duì)市政排水設(shè)施的建設(shè)、城市暴雨災(zāi)害防治和城市雨洪資源化起到有效的指導(dǎo)作用，所以內(nèi)澇災(zāi)害預(yù)警以及相應(yīng)的水情預(yù)報(bào)一直是城市內(nèi)澇災(zāi)害研究的重點(diǎn)。

1.SWMM模型簡(jiǎn)介

SWMM全稱為暴雨洪水管理模型，1971年由美國(guó)環(huán)境保護(hù)署和佛羅里達(dá)大學(xué)首次開發(fā)出來，是一個(gè)用來模擬城市某一單一降水事件或長(zhǎng)期的水量和水質(zhì)模擬。經(jīng)過好幾代的更新，目前SWMM已經(jīng)在的版本上進(jìn)行了全新的升級(jí)，目前已更新至SWMM5.1版本功能已經(jīng)非常強(qiáng)大，有良好穩(wěn)定的運(yùn)行環(huán)境，并且具有模擬精度較高、計(jì)算操作方便且模擬結(jié)果值得信賴等突出的優(yōu)點(diǎn)。該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)匯流模塊等，可以用來模擬城市內(nèi)徑流的水文過程、模擬徑流以及水流在管道中的流動(dòng)以及選擇適當(dāng)?shù)乃|(zhì)模擬指標(biāo)和項(xiàng)目對(duì)產(chǎn)匯流等過程中的水污染負(fù)荷量進(jìn)行模擬，可以通過相應(yīng)的數(shù)據(jù)對(duì)任意時(shí)間中劃分的子流域或每個(gè)管網(wǎng)及河道中的水質(zhì)、水量等情況進(jìn)行適當(dāng)?shù)哪M和分析。

2.SWMM模型原理簡(jiǎn)介

SWMM模型是一個(gè)綜合性的數(shù)學(xué)模型，可以通過對(duì)下墊面以及管網(wǎng)等數(shù)據(jù)信息的綜合分析，將待分析的目標(biāo)區(qū)域劃分為若干個(gè)子流域即子匯水區(qū)，然后分別進(jìn)行模擬計(jì)算來模擬城市降水產(chǎn)匯流的各個(gè)過程，最后將各子匯水區(qū)的計(jì)算結(jié)果疊加得到最終的出流過程。

前面提到該模型主要由降雨、地表產(chǎn)流、地表匯流和管道匯流等模塊組成的。降雨模塊可以用實(shí)測(cè)或預(yù)報(bào)得到的降水?dāng)?shù)據(jù)資料來推求，也可以使用設(shè)計(jì)典型暴雨、通過對(duì)峰前峰后不同的暴雨強(qiáng)度過程進(jìn)行計(jì)算得到相應(yīng)的數(shù)據(jù)。

地表產(chǎn)流要將子流域的下墊面分別劃分為透水地面、有蓄水的不透水地面和無蓄水的不透水地面三個(gè)部分，透水地面的產(chǎn)流是根據(jù)霍頓模型中的霍頓下滲公式計(jì)算得到下滲率，并與雨強(qiáng)對(duì)比并計(jì)算得到透水地面的地表產(chǎn)流量;有蓄水的不透水地面的地表產(chǎn)流量為降雨量減去地表滯蓄在地表的水量;無蓄水的不透水地面的地表產(chǎn)流量即為降水量。將根據(jù)下墊面情況劃分得到的三部分得到的三部分的地表產(chǎn)流量進(jìn)行相加匯總即為單個(gè)子流域的總地表產(chǎn)流量。

匯流過程主要分為地表匯流和管網(wǎng)匯流。地表匯流主要是把研究區(qū)域近似的視為非線性水庫模型進(jìn)行處理，并根據(jù)子匯水區(qū)的各種常數(shù)數(shù)據(jù)通過非線性水庫中的連續(xù)性方程、曼寧公式聯(lián)立，并通過有限差分法和迭代法等數(shù)學(xué)方法進(jìn)行對(duì)應(yīng)的求解。管網(wǎng)匯流主要是通過對(duì)圣維南方程組進(jìn)行匯流演算，從而得到子匯水區(qū)出口的流量過程。

3.SWMM模型模擬研究區(qū)徑流過程

3.1研究區(qū)概況

選擇鄭州大學(xué)新校區(qū)為模型模擬的研究區(qū)。鄭州大學(xué)新校區(qū)位于鄭州市西部，氣候特征即為鄭州市的氣候特征，屬于比較典型的北溫帶大陸性季風(fēng)氣候。冬季寒冷氣候干燥;夏季高溫多雨且降水較為集中，易發(fā)生極端降水，洪澇災(zāi)害頻發(fā)，氣候特征明顯，四季分明。校內(nèi)包括教學(xué)、住宿、綠化等多種不同職能的區(qū)域，不透水地面面積約為校區(qū)總面積的50.2%，透水面積約占47.4%，其余為水體。

3.2地表模型的構(gòu)建

良好地表模型的構(gòu)建是進(jìn)行后續(xù)合理分析的基礎(chǔ)工作，直接影響著最后分析的結(jié)果和得到的結(jié)論。

下載鄭州市DEM數(shù)字模擬地形圖，在GIS中將鄭州大學(xué)新校區(qū)所在區(qū)域裁剪出。利用鄭州大學(xué)新校區(qū)DEM數(shù)字模擬地形圖，根據(jù)實(shí)際勘察地下管網(wǎng)資料構(gòu)建鄭州大學(xué)新校區(qū)整體地形及地下管網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)。由于建筑物均為不積水，所以建筑物的高程均可以提升到一定高度[2]。另外在保證真實(shí)準(zhǔn)確和科學(xué)性的情況下對(duì)系統(tǒng)中的管網(wǎng)進(jìn)行適當(dāng)?shù)母呕?，保留所有排水口以及主干給排水管道、去除末端小尺寸管線，將地下管網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)簡(jiǎn)化。并根據(jù)實(shí)際的地形和管網(wǎng)等劃分若干子流域，并根據(jù)地形坡度來確定匯流的方向。

3.2產(chǎn)匯流計(jì)算與淹沒分析

利用暴雨強(qiáng)度公式設(shè)計(jì)重現(xiàn)期為0.5年、2年、5年、10年的180分鐘暴雨過程作為主要輸入數(shù)據(jù)。根據(jù)實(shí)際的數(shù)據(jù)資料并查閱的相關(guān)文獻(xiàn)以及SWMM模型的用戶手冊(cè)確定SWMM模型計(jì)算運(yùn)行中的各區(qū)域的曼寧系數(shù)、管道及透水區(qū)和不透水區(qū)的粗糙系數(shù)、透水不透水區(qū)的滯蓄量、最大最小入滲率和衰減系數(shù)等各種參數(shù)，并利用實(shí)測(cè)降水的數(shù)據(jù)來對(duì)系數(shù)進(jìn)行校準(zhǔn)和驗(yàn)證。利用地表產(chǎn)流模塊通過霍爾頓公式進(jìn)行地表產(chǎn)流分析及計(jì)算，并通過地表匯流模塊和管網(wǎng)匯流模塊利用非線性微分方程曼寧公式并求解圣維南方程組來進(jìn)行匯流演算。借助SWMM中的適當(dāng)函數(shù)對(duì)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的溢流總量進(jìn)行計(jì)算統(tǒng)計(jì)分析，并將研究區(qū)的DEM柵格將集水區(qū)劃分為若干個(gè)小的網(wǎng)格，分別計(jì)算每個(gè)小的網(wǎng)格中的積水體積最后相加獲得總積水的體積，并根據(jù)水位庫容曲線的原理進(jìn)行分析，最終可以得到所需要的淹沒深度和淹沒范圍等結(jié)果。

3.4設(shè)立預(yù)警閾值

各閾值級(jí)別分別設(shè)置為一級(jí)預(yù)警雨洪流量達(dá)到管道溢流量校園內(nèi)開始出現(xiàn)內(nèi)澇點(diǎn);二級(jí)預(yù)警內(nèi)澇點(diǎn)的積深超過3厘米、有對(duì)人們正常生活影響不大的微量積水;三級(jí)預(yù)警內(nèi)澇點(diǎn)的積深超過0.1米，會(huì)使人們的出行感覺不便，但造成的影響并不明顯;四級(jí)預(yù)警內(nèi)澇點(diǎn)積深超過0.25米，會(huì)對(duì)交通、生活、生產(chǎn)等各個(gè)方面均產(chǎn)生一定的不良影響，屬于重度內(nèi)澇水平。根據(jù)所有降雨資料中的降雨情況下的產(chǎn)匯流情況，及通過算法求得的內(nèi)澇積深，確定不同降雨條件下的雨洪預(yù)警閾值，最終形成預(yù)警預(yù)報(bào)系統(tǒng)。

4.總結(jié)

利用DEM數(shù)據(jù)構(gòu)建地表模型，對(duì)不同重現(xiàn)期的設(shè)計(jì)暴雨利用SWMM模型中的各部分模塊進(jìn)行產(chǎn)流計(jì)算和匯流演算，并計(jì)算集水區(qū)的淹沒深度和淹沒范圍，可以得出鄭州大學(xué)新校區(qū)的管網(wǎng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)偏低，隨著極端降水量級(jí)的不斷增加逐漸不能滿足排泄要求。設(shè)立各級(jí)預(yù)警預(yù)報(bào)的閾值，得到不同重現(xiàn)期的預(yù)警結(jié)果。

參考文獻(xiàn)：

[1]董欣，杜鵬飛，李志一等.SWMM模型在城市不透水區(qū)地表徑流模擬中的參數(shù)識(shí)別與驗(yàn)證[J].環(huán)境科學(xué)，2008，29（6）：1495-1501.

[2]王慧亮，吳澤寧，胡彩虹.基于GIS與SWMM耦合的城市暴雨洪水淹沒分析[J].人民黃河，2017，39（8）：31-43.