基于SWMM模型的大理市山地公園子匯水區(qū)雨洪特征分析

盧垚　楊茗琪

摘要 選取大理市下關(guān)組團(tuán)5例山地公園的56例子匯水區(qū)為研究樣本，通過SWMM5.1軟件建立研究樣本的雨洪管理模型。模擬025、1、3、5、10 a 5種不同降雨重現(xiàn)期下的徑流排放過程，對(duì)G型、H型、C型3類子匯水分區(qū)的地表產(chǎn)流、徑流峰值、徑流系數(shù)進(jìn)行對(duì)比分析。以研究樣本現(xiàn)狀雨洪特征為依據(jù)，為今后集雨型設(shè)施提供相應(yīng)設(shè)計(jì)策略。

關(guān)鍵詞 大理市;山地公園;SWMM模型;子匯水區(qū)

中圖分類號(hào) TU984文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A文章編號(hào) 0517-6611（2020）13-0202-05

Abstract 56 cases of watersheds in 5 mountain parks in the Xiaguan Group of Dali City were selected as the research samples， and the rainwater management model of the research samples was established by using SWMM5.1 software. Simulations were performed on 0.25， 1， 3， 5， and 10 a. The runoff discharge process were designed during five rainfall recurrence period， and the surface runoff，runoff peak，and runoff coefficient of G，H，C，and 3 subcatchment subregions were compared. Based on the research sample current rainfall characteristics， the research provided corresponding design strategies for future raincollection facilities.

Key words Dali City;Mountain Park;SWMM model;Subcatchment area

過度城市化致使大量原生環(huán)境被破壞，硬質(zhì)化地表面積增大，使得雨水無法下滲至土壤層回補(bǔ)地下水，并超過城市排水管網(wǎng)負(fù)荷，在短時(shí)間內(nèi)形成大量地表徑流，引發(fā)洪澇災(zāi)害[1];山地城市因其特殊的山地環(huán)境，降雨徑流量通常區(qū)別于平原城市[2]。大理市作為山地城市的代表，同時(shí)也處于城市化高度擴(kuò)張的階段，與國內(nèi)多數(shù)城市現(xiàn)狀[3-5]類似，因?yàn)閭鹘y(tǒng)“快排”模式破壞了原有生態(tài)系統(tǒng)，導(dǎo)致內(nèi)澇時(shí)常發(fā)生，雨水徑流污染加劇。筆者通過SWMM5.1軟件建立山地城市公園雨洪管理模型，并對(duì)現(xiàn)狀地表徑流場景進(jìn)行模擬分析。

1 研究區(qū)概況及樣本選擇

1.1研究區(qū)概況

大理市位于云南省滇西中部，為典型的亞熱帶高原季風(fēng)氣候[6]，降雨量年際變化相對(duì)明顯，雨季于6月下旬末開始，降雨集中于主汛期7～8月，對(duì)城市內(nèi)澇造成壓力。大理市是典型的山地城市，山地面積占67.27%，部分公園綠地修建于山地之上，具有較強(qiáng)的典型性。

1.2 研究樣本的選擇

以大理市下關(guān)組團(tuán)為研究區(qū)域，選取組團(tuán)內(nèi)5例山地公園作為研究樣本，樣本面積為2～58 hm2。平均坡度以平緩坡和陡坡為主，坡度從2°到29°不等。5例山地公園在規(guī)模、坡度分布上均具備典型性。其中，洱海公園占地面積57.79 hm2，平均坡度為3°～29°，水體面積0.1 hm2;雄風(fēng)塔公園占地面積7.96 hm2，平均坡度為7°～21°，無水體;龍山公園占地面積8.95 hm2，平均坡度為3°～17°，水體面積0.02 hm2;明珠公園占地面積8.78 hm2，平均坡度為2°～10°，無水體;文廟公園占地面積2.62 hm2，平均坡度為3°～14°，無水體。

2 子匯水區(qū)劃分及分類

2.1 子匯水區(qū)劃分原則

對(duì)于構(gòu)建合理的雨洪管理模型，對(duì)5例公園進(jìn)行子匯水分區(qū)，成為其中的核心步驟之一，且劃分時(shí)應(yīng)遵循以下4項(xiàng)原則[7]：①匯流方向應(yīng)依據(jù)現(xiàn)狀地形坡度確定，且各子匯水區(qū)的地表徑流和排水系統(tǒng)在地形上僅有唯一的匯流出口。②子匯水區(qū)的邊界劃分通常以研究區(qū)實(shí)際的高程分界點(diǎn)、地形脊線、排水管網(wǎng)、園路等因素作為劃分依據(jù)。③若子匯水區(qū)中存在鋪裝場地，一般而言包括1～2處場地空間，應(yīng)充分結(jié)合場地的實(shí)際情況，其面積從幾百平方米到幾公頃不等。④若匯水區(qū)均為綠地，無場地空間，且考慮到綠地相對(duì)其他類型下墊面產(chǎn)流量相對(duì)偏低。為了便于對(duì)比各子匯水區(qū)間徑流特征的差異，通常劃分規(guī)模從幾千平方米到幾公頃不等。

2.2 子匯水區(qū)分類

按上述劃分原則將研究的公園樣本總共劃分為56個(gè)子匯水區(qū)?；谄湎聣|面類型、坡度、匯流出口、不透水率等要素差異，將56例子匯水區(qū)劃分為3類，分別為G型（綠地型）、H型（混合型）和C型（場地型）。其中，G型下墊面以綠地為主，無鋪裝場地，硬質(zhì)不透水率小于15%，匯流出口在園路或水體，共計(jì)31例，平均坡度為10°～15°，面積為1 000～74 000 m2;H型下墊面由硬質(zhì)鋪裝、場地、綠地或水體組成，硬質(zhì)不透水率小于50%，匯流出口在場地、園路或水體，共計(jì)22例，平均坡度為3°～12°，面積為2 000～41 000 m2;C型下墊面以場地為主，硬質(zhì)不透水率大于90%，匯流出口在場地，共計(jì)3例，平均坡度為5°～8°，面積4 000～8 000 m2（表1）。

3 SWMM產(chǎn)流分析模型的構(gòu)建

利用SWMM模型平臺(tái)，基于公園地形特征、排水設(shè)施分布進(jìn)行匯水分區(qū)布局[8-9]。按照子匯水分區(qū)劃分原則，將5個(gè)公園的56例子匯水區(qū)在SWMM平臺(tái)上進(jìn)行劃分界定，并依據(jù)現(xiàn)狀資料布設(shè)匯流出口節(jié)點(diǎn)及排水系統(tǒng)，完成公園匯水區(qū)域概化（圖1）。

4 模擬結(jié)果與分析

4.1 現(xiàn)狀地表徑流場景模擬結(jié)果

地表徑流模擬結(jié)果是反映研究區(qū)內(nèi)下墊面類型對(duì)徑流量的影響。理論上，地表徑流量是指降雨量減去蒸發(fā)量、地表蓄水量和入滲量以外，經(jīng)地面匯入河流的雨水[10-11]?；?.25、1、3、5、10 a不同重現(xiàn)期研究區(qū)地表徑流模擬結(jié)果見表2。

由表2可知，降雨重現(xiàn)期越大，總降雨量、總徑流量、總?cè)霛B量和徑流系數(shù)均逐漸增大，但即使降雨強(qiáng)度一直不斷增加，但總蒸發(fā)量和總?cè)霛B量一直較為穩(wěn)定。這表明研究區(qū)內(nèi)的地表對(duì)降雨徑流的蒸發(fā)和入滲能力有限，特別是當(dāng)重現(xiàn)期P大于1 a時(shí)，蒸發(fā)和入滲情況基本達(dá)到飽和狀態(tài)。

年徑流量控制率與降雨強(qiáng)度的關(guān)系呈負(fù)相關(guān)。當(dāng)重現(xiàn)期為0.25 a時(shí)，年徑流量控制率為77.67%。隨著重現(xiàn)期的增大，年徑流量控制率呈緩慢下降趨勢;當(dāng)重現(xiàn)期為10 a時(shí)，年徑流量控制率僅為36.31%。

由表2中0.25、1、3、5、10 a不同降雨重現(xiàn)期下模擬的地表徑流數(shù)據(jù)可知，降雨量的強(qiáng)度將直接影響地表徑流大小，二者具有較大的關(guān)聯(lián)性。當(dāng)重現(xiàn)期P=0.25 a時(shí)，總降雨量達(dá)到10.243 mm，徑流峰值達(dá)到3.3 m3/s;當(dāng)重現(xiàn)期P=1 a時(shí)，總降雨量達(dá)到27.164 mm，徑流峰值達(dá)到19.5 m3/s;當(dāng)重現(xiàn)期P=3 a時(shí)，總降雨量達(dá)到40.568 mm時(shí)，徑流峰值達(dá)到37 m3/s;當(dāng)重現(xiàn)期P=5 a時(shí)，總降雨量達(dá)到46.806 mm，徑流峰值達(dá)到47 m3/s;當(dāng)重現(xiàn)期P=10 a時(shí)，總降雨量達(dá)到55266 mm，徑流峰值達(dá)到59 m3/s。以上數(shù)據(jù)充分表明，當(dāng)降雨強(qiáng)度增大時(shí)徑流量也呈正相關(guān)遞增。5次不同降雨重現(xiàn)期下徑流峰值發(fā)生的時(shí)間介于70～75 min。

4.2 各類型子匯水區(qū)現(xiàn)狀地表徑流模擬結(jié)果及分析

通過對(duì)比分析，不同重現(xiàn)期下各類型子匯水區(qū)地表徑流模擬結(jié)果如表3所示。

Note：G.Greenland type;C.Site type;H.Mixed type

4.2.1 地表產(chǎn)流量特征對(duì)比分析。

根據(jù)不同重現(xiàn)期各類子匯水區(qū)的總徑流量（圖2），確定不同重現(xiàn)期可實(shí)施徑流管控的主要對(duì)象。當(dāng)P=0.25 a和P=1 a時(shí)，G型（綠地型）、H型（混合型）、C型（場地型）子匯水區(qū)的單位面積產(chǎn)流呈遞減趨勢。所有樣本中，G型總面積占60%，總徑流量占17%;H型總面積占35%，總徑流量占65%;C型總面積僅占5%，總徑流量為18%。這表明當(dāng)P=0.25和1 a，H型和C型子匯水區(qū)是地表產(chǎn)流量較明顯的類型，同樣也表明在雨洪管理中二者將成為重點(diǎn)管理對(duì)象。G型相對(duì)于前二者，徑流更易于控制。

隨著重現(xiàn)期的增加，在P=3 a、P=5 a、P=10 a時(shí)，C型的的單位面積流量最大，而G型與H型子匯水區(qū)產(chǎn)流特征相對(duì)均衡。在P=3 a、P=5 a、P=10 a重現(xiàn)期的對(duì)比下，G型總徑流量整體上呈遞增趨勢;H型與C型總徑流量整體上均呈遞減趨勢。這表明當(dāng)P=3 a、P=5 a、P=10 a時(shí)G型子匯水區(qū)成為雨洪管理的重要類型。

4.2.2 徑流系數(shù)對(duì)比分析。

不同重現(xiàn)期下對(duì)子匯水區(qū)的徑流系數(shù)進(jìn)行對(duì)比（圖3），顯示出各類子匯水區(qū)下墊面對(duì)暴雨的截流作用。當(dāng)P=0.25 a、P=1 a時(shí)，通常子匯水區(qū)的徑流系數(shù)相對(duì)恒定，說明此時(shí)綠地地表徑流基本下滲。當(dāng)徑流系數(shù)呈現(xiàn)C型>H型>G型的變化特征時(shí)，表明當(dāng)P=3 a、P=5 a、P=10 a時(shí)，3類子匯水區(qū)雨水截流作用越強(qiáng)，硬質(zhì)占比越低。

當(dāng)重現(xiàn)期在P=3 a、P=5 a、P=10 a時(shí)，C型的的徑流系數(shù)最大，H型和G型系數(shù)無明顯差異。隨著重現(xiàn)期的增加，G型的徑流系數(shù)從0.136增加到0.377，H型的徑流系數(shù)從0505增加到0.711，說明G型和H型子匯水區(qū)的下墊面對(duì)雨水截流的強(qiáng)弱差異減弱。

4.2.3 徑流峰值特征對(duì)比分析。

不同重現(xiàn)期下對(duì)子匯水區(qū)的徑流峰值進(jìn)行對(duì)比，顯示出各類子匯水區(qū)的瞬時(shí)流量和發(fā)生徑流峰值的時(shí)間。當(dāng)P=0.25 a和P=1 a時(shí)，C型、H型、G型子匯水區(qū)的徑流峰值呈現(xiàn)由強(qiáng)到弱的趨勢，產(chǎn)生徑流峰值的時(shí)間均為65～77 min，徑流峰值出現(xiàn)后產(chǎn)流量逐漸減少。當(dāng)重現(xiàn)期在P=3 a、P=5 a、P=10 a時(shí)，C型的徑流峰值相對(duì)其他2種類型達(dá)到最大，峰值時(shí)間出現(xiàn)在70 min，G型和H型的徑流峰值無明顯差異。

4.3 各類型子匯水區(qū)產(chǎn)流影響因素關(guān)聯(lián)性分析

4.3.1 不透水率因素。

當(dāng)重現(xiàn)期為P=0.25 a和P=1 a時(shí)，不透水率越大，單位面積流量越大，二者存在明顯的正比關(guān)系。當(dāng)不透水率越大，徑流系數(shù)也與之也存在正相關(guān)。隨著重現(xiàn)期的增加，不透水率與單位面積流量以及與徑流系數(shù)之間的正相關(guān)關(guān)系不及P=0.25 a和P=1 a時(shí)顯著。當(dāng)P=025 a和P=1 a時(shí)，不透水率是影響徑流系數(shù)和單位面積流量的關(guān)鍵因素。

由于G型子匯水區(qū)不透水率普遍低于H型和C型，故當(dāng)P=0.25 a和P=1 a時(shí)單位面積流量明顯少于其他2種類型。C型子匯水區(qū)分布較為單一，但因下墊面多為硬質(zhì)鋪裝，不透水率較大，故單位面積流量較大。

4.3.2 面積因素。

各類型子匯水區(qū)的平均面積數(shù)據(jù)G型大于H型和C型，且當(dāng)子匯水區(qū)面積越大，徑流總量與徑流峰值越大，三者存在正相關(guān)，并且隨著重現(xiàn)期的增加，正相關(guān)關(guān)系更為顯著。當(dāng)G型子匯水區(qū)面積平均增加15%，隨重現(xiàn)期的增加，各子匯水區(qū)徑流總量約增加1.1%、1.3%、1.6%、23%和5.1%;各子匯水區(qū)徑流峰值約增加0.7%、0.9%、13%、2.3%和3.7%。

4.3.3 坡度因素。

當(dāng)子匯水區(qū)坡度越大時(shí)，單位面積流量、徑流系數(shù)與徑流峰值越小。因?yàn)槠露扰c不透水率二者相關(guān)，且呈負(fù)相關(guān)。通過對(duì)比子匯水區(qū)參數(shù)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)坡度越大時(shí)，不透水率越小。當(dāng)子匯水區(qū)其他參數(shù)不變時(shí)，僅坡度參數(shù)增加，且隨著重現(xiàn)期的不斷增加，子匯水區(qū)總徑流量、徑流系數(shù)、徑流峰值也呈顯著增長趨勢。當(dāng)G型子匯水區(qū)平均坡度增加10%～15%，P=0.25 a和P=1 a時(shí)產(chǎn)流量略有變化。當(dāng)P=3 a、P=5 a和P=10 a時(shí)，子匯水區(qū)總徑流量約增加06%、0.9%和1.7%，徑流系數(shù)增加約0.7%、1.3%和2.1%，徑流峰值增加2.7%、3.6%和5.1%。

5 結(jié)論與討論

利用SWMM模型建立研究區(qū)樣本的雨洪管理模型，模擬了0.25 a、1 a、3 a、5 a、10 a，5種不同設(shè)計(jì)降雨重現(xiàn)期的降雨徑流情況，并對(duì)地表產(chǎn)流、徑流系數(shù)、徑流峰值特征進(jìn)行對(duì)比分析。模擬結(jié)果顯示：①隨著降雨重現(xiàn)期的增加，總降雨量、總徑流量、總?cè)霛B量和徑流系數(shù)均逐步增大，但總蒸發(fā)量和總?cè)霛B量一直較為穩(wěn)定。此現(xiàn)象表明研究區(qū)的地表對(duì)降雨徑流的蒸發(fā)和入滲能力有限，特別當(dāng)重現(xiàn)期P大于1 a時(shí)，蒸發(fā)和入滲情況基本達(dá)到飽和狀態(tài)。②隨著重現(xiàn)期的增加，C型的單位面積流量最大，G型和H型產(chǎn)流相對(duì)均衡。③隨著重現(xiàn)期的增加，G型和H型的下墊面對(duì)雨水截流的強(qiáng)弱差異減弱。④隨著重新期的增加，C型的徑流峰值相對(duì)其他2種類型達(dá)到最大，當(dāng)峰值時(shí)間出現(xiàn)在70 min，G型和H型的徑流峰值無明顯差異。該研究選擇的研究區(qū)雖已具備典型山地城市的特征，但由于地形、地質(zhì)、氣候等影響因素，我國各山地城市及山地公園之間亦存在一定的差異，故該研究結(jié)論不完全適用于其他山地城市，今后在山地城市集雨型設(shè)施研究中還需因地制宜地進(jìn)行思考。

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