基于SCS和DEM模型的海淀區(qū)雨洪格局構(gòu)建研究

宋玉玲

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 北京 100083)

一、引言

近年來(lái)隨著城市化的快速發(fā)展,城市不透水面積逐年增長(zhǎng)，雨水資源流失、地下水位下降等問(wèn)題，于此同時(shí)，洪水流速加快、城市內(nèi)澇、環(huán)境污染等一系列問(wèn)題也頻現(xiàn)[1]。內(nèi)澇產(chǎn)生的主要原因是城市化造成的增源、減匯與快排等[2]。城市開發(fā)后，人工排水體系完全改變了原有自然水系的產(chǎn)匯流過(guò)程，導(dǎo)致原有自然水文系統(tǒng)與調(diào)蓄內(nèi)澇基本無(wú)關(guān)[3-4]。城市水安全格局研究能夠?yàn)楹＞d城市建設(shè)，提高城市雨洪控制能力提供新的研究方法和思路，城市雨洪模擬已成為當(dāng)前城市水文研究的熱點(diǎn)之一。

綜合水安全格局分為水源保護(hù)安全格局和雨洪安全格局，水源保護(hù)安全格局是對(duì)水源地和水源涵養(yǎng)區(qū)設(shè)置一定距離的緩沖區(qū)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。雨洪安全格局是模擬不同極端降雨重現(xiàn)期的雨洪淹沒(méi)分析，從而得到淹沒(méi)范圍，并借助相關(guān)模型進(jìn)行城市易澇區(qū)、易澇點(diǎn)的分析[5]。湯鵬等[6]用SCS-CN水文模型模擬單場(chǎng)雨量后城市各類用地的雨水徑流分布數(shù)據(jù)，根據(jù)總量最多的3類用地模擬反應(yīng)建成區(qū)內(nèi)易澇的地塊。鄭暢等[7]應(yīng)用SCS模型對(duì)四川盆地丘陵區(qū)局地徑流進(jìn)行計(jì)算和分析，探討分析徑流空間變化、徑流年內(nèi)分配、徑流年際變化等。焦勝等[8]應(yīng)用ArcGIS空間分析和SCS水文模型模擬極端降雨的雨洪淹沒(méi)區(qū)和雨洪廊道，確定蘇圫垸低影響開發(fā)設(shè)施位置及規(guī)模。龐旋等[1]利用SWMM構(gòu)建城市雨洪模型，模擬不同降雨和管網(wǎng)徑流，評(píng)估北京未來(lái)城年徑流總量控制目標(biāo)實(shí)現(xiàn)情況，提出不同海綿城市的空間布局。朱寒松等[9]通過(guò)對(duì)研究區(qū)域設(shè)計(jì)LID措施，構(gòu)建SWMM模型模擬不同方案對(duì)研究區(qū)域的徑流、洪峰等的削減效果。

這些學(xué)者分別從削減徑流排水、防止內(nèi)澇以及雨水的資源化利用為研究目的，根據(jù)地質(zhì)、環(huán)境等因素考慮問(wèn)題，在實(shí)際雨水控制與利用工程的建設(shè)中，國(guó)家和地方現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范是具體工作開展的準(zhǔn)繩，因此，本文以《DB11T-969-2016-城鎮(zhèn)雨水系統(tǒng)規(guī)劃》設(shè)計(jì)暴雨徑流計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)作為參考，綜合考慮地形、環(huán)境等因素，提供不同土地類型的CN值，代入SCS-CN水文模型，結(jié)合數(shù)字高程，運(yùn)用GIS空間分析功能,結(jié)合徑流系數(shù)和水系格局對(duì)洪水過(guò)程進(jìn)行模擬，并以海淀區(qū)為例，構(gòu)建雨洪格局。研究結(jié)果能夠?yàn)槌鞘斜┯甑膬?nèi)澇和防治提供借鑒和參考，為城市未來(lái)道路規(guī)劃、措施布局提供科學(xué)依據(jù)。

二、研究區(qū)域概況與數(shù)據(jù)來(lái)源

海淀區(qū)分布在北京市西部和西北地區(qū)。東接西城區(qū)，朝陽(yáng)區(qū)，南接豐臺(tái)區(qū)，西接石景山區(qū)，門頭溝區(qū)，北接昌平區(qū)?？偯娣e431平方公里，邊境線長(zhǎng)146.2公里。它的南北長(zhǎng)約30公里，東西寬29公里，約占北京總面積的2.6%。區(qū)境介于39°53’～40°09′N，116°03′～117℃23’E之間。海淀區(qū)位于華北平原的北部，是古永定河沖積區(qū)的一部分，兼有山地平原和西高東低的地勢(shì)。海淀區(qū)位于暖溫帶半干潤(rùn)、半濕旱大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，四季分明，年平均降雨量為66.8天，年平均日照量為1900.4毫米，年平均日照量為2444.9h，海淀區(qū)面積居北京近郊區(qū)第一，土地使用類型以林地為主，水域等。

研究使用地理空間數(shù)據(jù)云提供30m DEM數(shù)據(jù)，并采用 ArcGIS10.5的鑲嵌工具進(jìn)行處理，經(jīng)裁剪獲得研究區(qū)的高程數(shù)據(jù)。北京市規(guī)劃與自然資源委員會(huì)提供的北京市道路區(qū)縣圖及2018年11月的土地使用數(shù)據(jù)，其中包括序號(hào)、土地使用分區(qū)代碼、土地使用分區(qū)代號(hào)、土地使用分區(qū)名稱等屬性字段，土地使用類型可分為17種，即水系、林地和建設(shè)土地、文化遺產(chǎn)等。

三、研究方法

(一)SCS-CN模型

SCS模型是美國(guó)水土保持局根據(jù)美國(guó)自然地理和水文氣象條件于1954年開發(fā)的小流域設(shè)計(jì)洪水模型，此模型考慮下墊面對(duì)地表徑流的影響，參數(shù)少，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，在國(guó)內(nèi)外得到廣泛應(yīng)用[10]。

SCS模型綜合了流域降雨，土壤類型，利用方法和管理水平，前期土壤濕潤(rùn)情況和徑流之間的聯(lián)系[11]。它是以集水區(qū)實(shí)際滲透量(F)與真正的徑流量(Q)之比為基礎(chǔ)的，以集水區(qū)降雨前潛在的滲透量(S)與真正的徑流量(QM)之比的假定基礎(chǔ)上建立的：

(1)

式中假定潛在徑流量為降雨量(P)與與潛在徑流量所產(chǎn)生的前后由植物積水截流、初損害滲水和潛在填洼地積水等所構(gòu)成的潛在集水區(qū)的其初損害流量Ia相同，即：

QM=P-Ia

(2)

實(shí)際入滲量為降雨量減去初損和徑流量：

F=P-Ia-Q

(3)

式中P為月降雨總量,mm;Ia為初損,mm，主要指節(jié)流、表層蓄水、下滲等；F為累積下滲或稱為后損，mm；Q為月徑流量，mm;S為可能最大滯留量，mm,是后損F的上限，由(1)(2)(3)式可得出：

(4)

一般按集水區(qū)該場(chǎng)降雨的初損為該場(chǎng)降雨潛在入滲量的20%，即：

Ia=0.2S

(5)

(6)

流域最大水和滯留水測(cè)量函數(shù)S與一個(gè)無(wú)因次測(cè)量參數(shù)中的CN(Curve Number)函數(shù)有關(guān)，CN參數(shù)是用來(lái)反映一個(gè)流域內(nèi)部降雨前水流特征的一個(gè)綜合測(cè)量參數(shù)。早期的耕地土壤水分，坡度，植被，土壤土質(zhì)類型以及后期土地持續(xù)使用等諸多因素都會(huì)具有影響。根據(jù)北京市現(xiàn)行地方設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)《雨水控制與利用工程設(shè)計(jì)規(guī)范》和行政區(qū)域內(nèi)的土地開發(fā)利用行政區(qū)劃調(diào)查結(jié)果，可以分別確定不同土地類型的CN的數(shù)值。S與CN值的關(guān)系如公式所示：

(7)

北京市地方標(biāo)準(zhǔn)《雨水控制與利用工程設(shè)計(jì)規(guī)范》中提供了徑流系數(shù)，其類型與土地使用相對(duì)應(yīng)，見表1。其中，雨量徑流系數(shù)Ψc重要強(qiáng)調(diào)，在一個(gè)降雨時(shí)間內(nèi)，高峰期僅占一小部分，其他降雨時(shí)間較低，比高峰期少一些降雨時(shí)間，本文以Ψc結(jié)合研究地區(qū)下墊面的種類加權(quán)賦值為主，見式：

表1 北京市不同下墊面的徑流系數(shù)

(8)

式中：Ψz為綜合徑流系數(shù)，F(xiàn)為匯水面積(m2),Fi為匯水面上各下墊面面積(m2),Ψi為各類下墊面徑流系數(shù)。流量徑流系數(shù)Ψm，重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)的是暴雨高峰流量時(shí)(瞬時(shí)最大量)，雨水來(lái)不及滲透，這個(gè)參數(shù)主要用于計(jì)算雨水最大管徑[12]。

(二)局部等體積法

城市地面上產(chǎn)生徑流，各徑流集合到相應(yīng)的徑流單位出口斷面上的過(guò)程被稱為匯流[13]。研究局部等積方法主要是以等體積概念為理論基礎(chǔ)，考慮各個(gè)城市中在地心引力阻礙下的徑流運(yùn)動(dòng)作用，將主要研究區(qū)域范圍大致劃分成幾個(gè)主要集水區(qū)，以便于模擬在各個(gè)城市中可能存在的阻礙徑流作用，并分別計(jì)算后得出各子集水區(qū)域的等體積，以便于模擬各個(gè)集水區(qū)域的阻礙徑流。暴雨中的洪澇被視為無(wú)源地淹沒(méi)，只考慮到水流的重力特性，而沒(méi)有考慮到合流過(guò)程的具體性。根據(jù)地形特點(diǎn)，徑流由低到高被填滿了整個(gè)洼地[10]。其基本理論是，在一個(gè)時(shí)間內(nèi)，步長(zhǎng)的徑流總數(shù)等于在一個(gè)時(shí)間內(nèi)淹沒(méi)的總積水量[10]。具體解算公式如式(9)所示。

W=??A[Ew(x,y)-Eg(x,y)]dδ

(9)

式中：W為積水淹沒(méi)范圍內(nèi)總水量；A為淹沒(méi)區(qū)域面積；Ew(x,y)為積水水面高程；Eg(x,y)為地面高程；dδ 為淹沒(méi)區(qū)面積微元。由于城市內(nèi)澇地形積水高程流速緩慢，本文近似地將積水淹沒(méi)的城市水面面積簡(jiǎn)化下來(lái)成為水平面，考慮到能夠反映當(dāng)時(shí)城市內(nèi)部地形積水變化的DEM數(shù)據(jù)，則是以符合離散規(guī)則的方格網(wǎng)公式表示城市地面積水高程，經(jīng)離散規(guī)則處理之后可簡(jiǎn)化公式如下：

(10)

式中：Δδ為一個(gè)柵格元的地表面積；N為是所有淹沒(méi)柵格地區(qū)的面積總數(shù)；Eg(i)為第i個(gè)為第i個(gè)求解柵格元的高程，本文首先通過(guò)這個(gè)二分模式方法給出求解柵格Ew，再利用Ew結(jié)合城市地表高程模型求解N的方法。

四、結(jié)果與分析

(一)匯水區(qū)構(gòu)建

匯水區(qū)是研究雨水徑流量的基本單元，在本文中匯水區(qū)的劃分主要是依據(jù)高程數(shù)據(jù)，用ArcGIS工具將DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行鑲嵌，之后裁剪得出研究范圍的數(shù)據(jù)，運(yùn)用水文分析中的填洼工具進(jìn)行填充，主要是將DEM中數(shù)據(jù)誤差等問(wèn)題導(dǎo)致的不平整的洼地平滑處理，基于柵格領(lǐng)域高度確定水流方向，計(jì)算流入柵格的所有值，根據(jù)分類結(jié)果提取河流網(wǎng)絡(luò)，識(shí)別節(jié)點(diǎn)之后劃分流域，共劃分56個(gè)小流域(圖1)。

圖1 海淀區(qū)水系流域分布

(二)CN參數(shù)賦值

CN系數(shù)與研究區(qū)域的土壤類型，土壤滲透性和植被類型密切相關(guān)，其正常值介于0到100之間。具體值會(huì)根據(jù)研究區(qū)域的情況進(jìn)行修改和確定[14]。美國(guó)《國(guó)家灌溉工程手冊(cè)》對(duì)CN系數(shù)作了規(guī)定，本文根據(jù)研究區(qū)的土地用途類型，結(jié)合北京市海淀區(qū)所處的氣候環(huán)境因素，對(duì)《雨水控制與利用工程設(shè)計(jì)規(guī)范》的不同土地利用類型進(jìn)行CN系數(shù)賦值(表2)。

表2 CN系數(shù)參考表

(三)SCS水文模型各類參數(shù)計(jì)算

將劃分的流域tiff圖轉(zhuǎn)為矢量后和研究區(qū)土地用途分區(qū)圖進(jìn)行融合，重新計(jì)算幾何得到各類土地分區(qū)的占地面積，提取劃分的某一個(gè)小流域用地面積進(jìn)行加權(quán)計(jì)算，得到CN值，結(jié)合SCS產(chǎn)流模型計(jì)算徑流量，以第2個(gè)流域?yàn)槔瑓?shù)計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 流域參數(shù)計(jì)算結(jié)果

(四)城市雨洪情景模擬

北京市《雨水控制與利用工程設(shè)計(jì)規(guī)范》顯示北京市二十年、五十年、一百年一遇的24h最大降雨量分別為270mm、50mm、416mm，數(shù)據(jù)是基于《北京市水文手冊(cè)第分冊(cè)暴雨圖集》第二部分的暴雨等值線圖中圖三十一(十年一遇最大24h雨量等值線圖)、圖三十二(二十年一遇最大24h雨量等值線圖)、圖三十三(五十年一遇最大24h雨最等值線圖)和圖三十四(百年一遇最大24h雨量等值線圖)，采用內(nèi)插法計(jì)算得出[11]。由用地面積加權(quán)計(jì)算得到的平均CN值，代入SCS模型計(jì)算公式，采用二十年、五十年、一百年的24h最大降雨量，將海淀區(qū)流域劃分的各個(gè)集水區(qū)看成無(wú)源淹沒(méi)狀態(tài)，運(yùn)用ArcGIS分析工具，由局部等體積法得到不同重現(xiàn)期內(nèi)的淹沒(méi)高程(圖2)。

圖2 海淀區(qū)雨洪格局分布

(五)結(jié)果分析

由雨洪格局分布圖可知，在發(fā)生20年一遇的降雨時(shí)，北安河鄉(xiāng)東部、蘇家坨鄉(xiāng)、上莊鄉(xiāng)、永豐鄉(xiāng)等積水面積較大，蓄水能力差，對(duì)居民日常生活造成影響，溫泉鄉(xiāng)、北安河鄉(xiāng)、聶各莊等開始小幅積水，北下關(guān)、萬(wàn)壽路、永定路基本沒(méi)有積水。

在發(fā)生50年一遇的降雨時(shí)，蘇家坨鄉(xiāng)中部、上莊鄉(xiāng)南部、永豐鄉(xiāng)、青龍街道大部分地區(qū)河流開始溢滿，積水在周邊區(qū)域呈面狀分布，淹沒(méi)范圍相應(yīng)擴(kuò)大。

在發(fā)生100年一遇的降雨時(shí)，海淀區(qū)中部地區(qū)排水較好，基本沒(méi)有積水，蘇家坨鄉(xiāng)、上莊鄉(xiāng)、永豐鄉(xiāng)大部分地區(qū)、紫竹院大部分地區(qū)積水嚴(yán)重，周邊地區(qū)積水形成較快，發(fā)生暴雨時(shí)無(wú)法繼續(xù)排水從而出現(xiàn)城市內(nèi)澇，集中在海淀地區(qū)東北部和東南部。海淀區(qū)總體暴雨洪澇災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為中等以下，城區(qū)由于人口密集加上排水沒(méi)有鄉(xiāng)鎮(zhèn)通暢導(dǎo)致風(fēng)險(xiǎn)較高，為高危險(xiǎn)區(qū)。尤其上地、清河地區(qū)和城區(qū)四環(huán)內(nèi)大部分地區(qū)為暴雨高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)。

五、結(jié)論與討論

(1)本文用《DB11T-969-2016-城鎮(zhèn)雨水系統(tǒng)規(guī)劃》設(shè)計(jì)暴雨徑流計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)作為參考，計(jì)算土地覆蓋類型的權(quán)重，考慮不同地面和區(qū)域規(guī)劃范圍，計(jì)算研究區(qū)域的綜合CN值。根據(jù)洪水風(fēng)險(xiǎn)頻率20年一遇、50年一遇、百年一遇等的相關(guān)數(shù)據(jù)，結(jié)合數(shù)字高程，考慮建筑物對(duì)于城市地形的影響修正,運(yùn)用GIS空間分析功能,結(jié)合徑流系數(shù)和水系格局對(duì)洪水過(guò)程進(jìn)行模擬，得到不同雨洪風(fēng)險(xiǎn)頻率的淹沒(méi)范圍和深度。將SCS模型中徑流的模擬細(xì)化到各個(gè)集水區(qū)域，使得研究結(jié)果更加定量化，可視化，更全面的考慮空間分布，較好的反應(yīng)了流域內(nèi)的淹沒(méi)狀態(tài)，為后續(xù)基于安全格局的城市低影響開發(fā)模式研究奠定了基礎(chǔ)。

(2)將SCS水文模型和DEM結(jié)合來(lái)研究城市雨洪格局，流域劃分依據(jù)提取的河流網(wǎng)絡(luò)流量值，流量值提取閾值越低，提取節(jié)點(diǎn)后劃分流域越多，徑流模擬以每個(gè)流域?yàn)閱卧?。預(yù)處理階段曾劃分20個(gè)流域，20年一遇雨洪模擬效果明顯，其他均無(wú)明顯變化，本文劃分56個(gè)流域是在有限的數(shù)據(jù)條件下無(wú)源淹沒(méi)模擬，接近真實(shí)結(jié)果，流域劃分越細(xì)，模擬效果越好。