基于SWMM模型的城市雨洪模擬建模方法研究

徐慧珺

(江蘇省基礎(chǔ)地理信息中心，江蘇 南京 210013)

城市雨洪是指城市區(qū)域高強度、短歷時降雨情形下，由于城市排水不暢導(dǎo)致的城市地面產(chǎn)生積水積澇的現(xiàn)象。通過文獻(xiàn)查閱和網(wǎng)絡(luò)新聞報道不完全統(tǒng)計[1- 4]，2010—2016年間，全國共243個地級市受到了大暴雨的侵害，其中33個省會級城市發(fā)生約208起城市積澇的現(xiàn)象，造成了巨大的社會經(jīng)濟(jì)財富損失，甚至引起了人員傷亡。隨著城市化建設(shè)的快速發(fā)展和城市區(qū)域不透水面積的擴(kuò)大，雨洪引起的城市內(nèi)澇問題已成為交通擁堵、人口擁擠、環(huán)境污染等城市問題之后的又一大城市病。

南京市作為長三角地區(qū)及華東地區(qū)唯一的特大城市，在2010—2016年間，幾乎每年都遭受內(nèi)澇災(zāi)害，城市雨洪帶來了巨大的社會財富的損失，嚴(yán)重影響了人民的出行和安全，帶來了消極的社會反響。

城市雨洪災(zāi)害的發(fā)生具有隨機性和突發(fā)性，雨洪的發(fā)生、發(fā)展和降水、地形、區(qū)域排水網(wǎng)絡(luò)的條件等因素密切相關(guān)，利用雨洪模型進(jìn)行城市雨洪的定量運算是雨洪預(yù)報、城市排水管網(wǎng)措施評價以及災(zāi)害評估的有效手段，得到了廣泛應(yīng)用[5- 21]。城市雨洪的模擬，通常采用分布式水文建模的方法，利用區(qū)域地形進(jìn)行離散單元的劃分，本文以廣泛應(yīng)用的SWMM(storm water management model)模型在典型區(qū)的應(yīng)用實例[12]，重點探討在城市雨洪的分布式數(shù)據(jù)建模中，綜合考慮地表和地下排水系統(tǒng)的空間離散單元合理劃分方法，以及在缺乏實測數(shù)據(jù)時的模型參數(shù)的經(jīng)驗校準(zhǔn)方法。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)概況

本文選取棲霞區(qū)南京師范大學(xué)仙林校區(qū)作為研究區(qū)，面積約為1.17km2，南北兩個校區(qū)，整體地勢呈西北高東南低，西南和北部邊緣為低丘，南部和中部為緩降的平地，是人工建筑為主的教學(xué)和生活區(qū)。氣候?qū)賮啛釒駶櫄夂?，四季分明，雨水充沛，年平均降雨?106mm，其中夏、秋季經(jīng)常性發(fā)生強降水，造成部分區(qū)域集水成澇。研究區(qū)和典型的城市下墊面不同，西北地帶分布著以自然植被覆蓋的丘陵、崗地，南邊為三用河，區(qū)域內(nèi)不透水層面積約為50.2%，是典型的自然植被和人工建筑交集覆蓋的區(qū)域。

1.2 利用SWMM模型進(jìn)行城市雨洪建模的數(shù)據(jù)需求及來源

(1)降雨資料：降雨數(shù)據(jù)共分為2種，包括實際觀測雨量數(shù)據(jù)和合成雨量數(shù)據(jù)，其中合成雨量數(shù)據(jù)通過當(dāng)?shù)氐谋┯陱姸裙絒13- 14]，結(jié)合芝加哥雨型得到[15]，用于基于徑流系數(shù)的模型參數(shù)率定過程。

(2)地表、地下排水管網(wǎng)數(shù)據(jù)：包括圖形數(shù)據(jù)和相關(guān)屬性數(shù)據(jù)。圖形數(shù)據(jù)主要包括地表雨水管口(井)、雨水管連接節(jié)點、雨水管段及地表明渠空間分布等，如圖1所示。屬性數(shù)據(jù)為輸水管段、雨水井、管網(wǎng)節(jié)點所具有的長度、管徑、高程，窨井深度、地面高程等信息。

圖1 研究區(qū)地形及管線概況圖

(3)基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)：主要包括研究區(qū)的地面覆蓋類型、數(shù)字高程模型等數(shù)據(jù)，輔助進(jìn)行子匯水區(qū)離散化劃分和相關(guān)水文屬性參數(shù)的計算。

文中所用各類數(shù)據(jù)的來源及屬性見表1。

表1 雨洪模擬所需數(shù)據(jù)及來源

1.3 地下排水管網(wǎng)的概化和流向分析

利用SWMM模型進(jìn)行雨洪模擬，需要將區(qū)域劃分成子匯水區(qū)進(jìn)行模擬計算。每一個子匯水區(qū)內(nèi)需對應(yīng)相應(yīng)的排水系統(tǒng)，進(jìn)行地表徑流、地下徑流及地下管網(wǎng)輸移水量計算[16- 18]。建模步驟如圖2所示。其中空間離散單元的合理劃分是正確進(jìn)行雨洪模擬的前提，和自然流域不同，城市下墊面排水網(wǎng)絡(luò)主要以地下排水管網(wǎng)為主，因此在空間離散化環(huán)節(jié)需要將地表的產(chǎn)匯和地下的輸移正確結(jié)合起來。研究區(qū)地下管網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，2個區(qū)域共包含了5001個地下管段和4990個雨水井節(jié)點，需要對復(fù)雜的地下管網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行梳理，明確管網(wǎng)的流向結(jié)構(gòu)特征，概化出能反映區(qū)域排水的主干網(wǎng)絡(luò)和基本的流向結(jié)構(gòu)，才能結(jié)合地表高程信息進(jìn)行合理的空間單元的劃分。

圖2 SWMM模型分布式數(shù)據(jù)建模流程圖

1.3.1研究區(qū)地下排水管網(wǎng)系統(tǒng)概化

原始的地下排水管網(wǎng)圖為cad格式，首先將其轉(zhuǎn)換為shp格式并利用GIS軟件建立管段間的拓?fù)潢P(guān)系，對于管段和管段間的雨水井(連接節(jié)點)建立相應(yīng)的描述屬性表(管徑、長度、標(biāo)高等屬性)，從排水口向上搜索，根據(jù)管徑和道路信息進(jìn)行主干排水管網(wǎng)的提取。研究區(qū)北部邊緣區(qū)為自然植被覆蓋的低丘和坡面，坡面流通過地面明渠逐級匯入地下管網(wǎng)或附近的湖塘，在空間離散單元的劃分中，需要明確表達(dá)自然坡面的產(chǎn)匯流過程，因此，需要將地面明渠和地下排水網(wǎng)絡(luò)連接整合一體，輔助離散單元的劃分。通過上述步驟逐級概化的排水管網(wǎng)和地表明渠如圖3所示。

圖3 研究區(qū)排水管網(wǎng)概化圖

1.3.2排水管網(wǎng)流向確定

從平面看，地表地下管網(wǎng)構(gòu)成了交叉相連的復(fù)雜環(huán)狀網(wǎng)路，正確、實際描述水流匯集、管網(wǎng)傳輸過程是雨洪模擬的關(guān)鍵，前提則是要進(jìn)行排水管網(wǎng)水流流向的確定。轉(zhuǎn)換成shp格式的管網(wǎng)數(shù)據(jù)包含了圖形及相應(yīng)的屬性表。管網(wǎng)屬性為長度、管徑，及兩端節(jié)點的高程。由于排水管網(wǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，數(shù)據(jù)量大，為了提高數(shù)據(jù)建模的效率和準(zhǔn)確性，文中設(shè)計了管網(wǎng)流向計算模型和應(yīng)用程序，輔助進(jìn)行地下管網(wǎng)流向分析并構(gòu)建管網(wǎng)系統(tǒng)的拓?fù)潢P(guān)系。

利用GIS的數(shù)據(jù)模型，將排水管網(wǎng)系統(tǒng)抽象成點、線為主體的空間實體。點實體為管段兩端的雨水井節(jié)點，其屬性包含了相應(yīng)的空間編碼(WTDH)和高程信息要素；線實體即單一的輸水管段，屬性包含起終點號(QDH/ZDH)、起終點高程(QDGC/ZDGC)、長度、管徑等要素。雨水井節(jié)點與管段是多對一的空間關(guān)系，管段之間為通過共同節(jié)點連接關(guān)系。

內(nèi)部管段水流按照從高處到低處的重力流原則，通過比較管段的起終點高程屬性，進(jìn)行管段的流向生成。由于埋設(shè)和測量中的誤差，在管網(wǎng)流向生成過程中，需要對以下2種問題進(jìn)行發(fā)現(xiàn)和修正。

(1)依據(jù)節(jié)點高程屬性重新定義地下管段起終點號。構(gòu)建管段的拓?fù)潢P(guān)系后，現(xiàn)有地下管網(wǎng)數(shù)據(jù)中的起終點號是按照測量順序命名，不代表水流的流向，即會出現(xiàn)起點高程小于終點高程(QDGC

(2)根據(jù)連續(xù)管線的整體流向確定其中單一管段的流向。由于埋設(shè)或勘測誤差，管網(wǎng)數(shù)據(jù)中存在相鄰管段水流流向同一節(jié)點并無出水口的現(xiàn)象。如圖4(b)中，按照重力流向原則，節(jié)點1Y1和1Y3都流向1Y2，且無其他出水路徑。此時需要按照管網(wǎng)的拓?fù)潢P(guān)系及節(jié)點特征，進(jìn)行連續(xù)無分流的整段管線識別，將包含2段或以上管道，且中間無分支的管線定義為連續(xù)管線，如圖4(a)中的①—⑤所示，根據(jù)連續(xù)管線的起點和終點高程確定總體流向，并對中間管段的流向進(jìn)行修正，如圖4(b)所示。

圖4 管段流向修正流程圖

通過以上算法得到的研究區(qū)排水管網(wǎng)流向識別結(jié)果如圖5所示(根據(jù)管網(wǎng)的排水路線差異將研究區(qū)劃分為北區(qū)和東西區(qū))。

圖5 排水管網(wǎng)流向結(jié)果

1.4 子匯水區(qū)離散化

1.4.1建成區(qū)的子匯水區(qū)劃分

對處于平面位置的管網(wǎng)入水口匯水過程及作用范圍進(jìn)行分析，適當(dāng)降低匯入點高程，明確每個入水口對周圍區(qū)域的匯水作用[19]，對建筑物所在的區(qū)域進(jìn)行高程抬升從而還原建筑物在實際地形中的隔水作用；利用Arcgis水文分析模塊進(jìn)行地面流向分析，根據(jù)排水管道平面圖、自動劃分子匯水區(qū)使得水流匯集到就近的雨水入口，使得每個子匯水區(qū)包含一個獨立的匯水管網(wǎng)，按照水流匯集點柵格外圍邊界勾畫完成子匯水區(qū)的劃分。

1.4.2外圍丘陵部分的子匯水區(qū)劃分

利用Arcgis中的水文分析模塊按照地表高程進(jìn)行坡地流向的生成，使得單一坡面水流匯集到最近的坡底明渠入口，按照流向聚集點的所有柵格外邊界勾畫可得到外圍非建成區(qū)的子匯水區(qū)。對于研究區(qū)內(nèi)部的湖泊、水塘單獨勾畫邊界，標(biāo)注流入的明渠，成為特殊的匯水區(qū)。子匯水區(qū)劃分結(jié)果如圖6所示。整個研究區(qū)共劃分323個子匯水區(qū)。由于前期明確了匯水管網(wǎng)的流向和管網(wǎng)之間的拓?fù)潢P(guān)系，因此子匯水區(qū)劃分后其間的匯水關(guān)系也能正確表達(dá)，每個子匯水區(qū)作為SWMM模型運行的空間單元，進(jìn)行地表產(chǎn)匯流的計算，地表徑流匯入子匯水區(qū)的入口，按照管網(wǎng)的拓?fù)潢P(guān)系依次進(jìn)行傳輸計算。

圖6 南師大仙林校區(qū)子匯水區(qū)劃分圖

1.5 不確定參數(shù)校準(zhǔn)

由于實地采集數(shù)據(jù)的缺乏，本文不能通過出口徑流實測值與模擬出口徑流值進(jìn)行參數(shù)的校準(zhǔn)實驗。本文采用基于徑流系數(shù)的城市降雨徑流模型參數(shù)率定方法[20]，通過城市雨水管網(wǎng)設(shè)計中采用的綜合徑流系數(shù)(表2)和模型模擬的徑流系數(shù)之間的對比，對模型中的不確定性參數(shù)進(jìn)行校準(zhǔn)。

表2 城市綜合徑流系數(shù)經(jīng)驗值

不確定參數(shù)校準(zhǔn)步驟：

(1)根據(jù)SWMM模型用戶手冊，以不透水區(qū)/透水區(qū)曼寧系數(shù)、不透水區(qū)/透水區(qū)洼蓄量、最大入滲率、最小入滲率和衰減常數(shù)7個參數(shù)作為待校準(zhǔn)參數(shù)。

(2)利用芝加哥雨型過程線分別合成重現(xiàn)期為1、2、3a，降雨時長為120min，雨峰系數(shù)取0.4的研究區(qū)降雨過程線Rain(P1)、Rain(P2)、Rain(P3)。

(3)首先通過用戶手冊和期刊文獻(xiàn)先預(yù)設(shè)7個參數(shù)的初始值，再用合成降雨過程線Rain(P2)進(jìn)行模擬，通過模擬的徑流系數(shù)與城市綜合徑流系數(shù)(表2)的參考值進(jìn)行對比分析，對7個校準(zhǔn)參數(shù)進(jìn)行多次調(diào)整，最終得出模型校準(zhǔn)參數(shù)的“理想解集”，見表3。

表3 Rain(P2)下基于徑流系數(shù)的參數(shù)模擬校準(zhǔn)結(jié)果

(4)選用Rain(P1)和Rain(P3)對上述校準(zhǔn)參數(shù)進(jìn)行驗證。根據(jù)土地利用圖計算，北區(qū)不透水層面積比重約為41.6%，屬于表2中的第3種區(qū)域類型，參數(shù)率定后的模擬結(jié)果得出北區(qū)綜合徑流系數(shù)分別為0.424、0.528；東西區(qū)西北部的低丘坡面匯流基本流入坡面下端的仙林湖，建成區(qū)的不透水層比重約為52.7%，屬于表2中的第2種區(qū)域類型，參數(shù)率定后綜合徑流系數(shù)分別為0.531、0.634，都在各自的綜合徑流系數(shù)規(guī)定范圍內(nèi)。

2 典型降雨事件模擬和驗證

選擇2016年7月1日6：00～10：00的降雨事件為研究對象(簡稱20160701降雨事件)，進(jìn)行雨洪模擬的實證研究，并選用徑流過程線，模擬徑流系數(shù)和溢流點進(jìn)行模擬結(jié)果的驗證。

2.1 徑流過程線驗證

20160701降雨事件從2016年7月1日06：00～10：00，歷時4h，降水總量72.6mm，6：00～7：00降雨強度不斷增加，徑流量也隨之增大，到7：00左右降雨強度最大，徑流量達(dá)到最大，7：00～10：00降雨強度逐漸減小，徑流量也緩慢減少，如圖7所示。模擬結(jié)果的徑流過程線與降水過程線基本擬合。

圖7 20160701降雨過程線與徑流過程線對比圖

2.2 模擬徑流系數(shù)驗證

20160701降雨事件中，北區(qū)總降雨量為72.6mm，入滲量為25.928mm，填洼量為0.413mm，徑流量為46.470mm，徑流系數(shù)為0.64。北區(qū)不透水面積百分率為41.6%，模擬的徑流系數(shù)比城市綜合徑流系數(shù)參考值0.4～0.6要偏大，究其原因，20160701降雨事件歷時較長且降雨強度大于土壤消退速度，即土壤長時間飽和，當(dāng)土壤飽和時，雨水基本不發(fā)生入滲而大量轉(zhuǎn)化為徑流，所以徑流系數(shù)偏大。東西區(qū)的總降雨量為72.6mm，入滲量為16.812mm，填洼量為4.186mm，徑流量為50.030mm，徑流系數(shù)為0.689，由于東西區(qū)不透水面積百分率為52.7%，模擬徑流系數(shù)結(jié)果在綜合徑流系數(shù)規(guī)定值0.5～0.7范圍內(nèi)，模擬結(jié)果較好。

2.3 溢流點驗證

20160701降雨事件中北區(qū)發(fā)生大量溢流的時間段在12：40～16：20之間，期間積水量較多的溢流點多集中在北區(qū)七號路，而在主路三江北路和紫金路上均較少且積水量較少，其他路段基本沒有溢流。經(jīng)20160701降雨13：30～14：30期間的實地考察，發(fā)生積水的節(jié)點位于主路紫金路上的1Y85節(jié)點和三江北路上的1Y39節(jié)點，以及積水嚴(yán)重的北區(qū)七號路上的1Y1015、1Y1002節(jié)點、1Y987節(jié)點，如圖8所示，與模型模擬溢流點位置相符，表明北區(qū)模擬結(jié)果相對較好。

圖8 20160701降雨事件中北區(qū)溢流點概況

20160701降雨事件中，東西區(qū)發(fā)生大量溢流的時間段在14：25～16：50之間，期間模擬的溢流點主要在九號路東北路段，三號路段，五號路段西段、一號路西段和中段以及東區(qū)宿舍區(qū)內(nèi)，其他路段基本沒有溢流。經(jīng)20160701降雨14：40～16：20的實地考察，經(jīng)常發(fā)生溢流的節(jié)點C2，一號路西側(cè)2Y700和2Y703節(jié)點路段處與模型模擬溢流點位置相符，如圖9所示。

圖9 20160701降雨事件中東西區(qū)溢流點概況圖

而經(jīng)過實際勘察驗證，時常發(fā)生大面積積水的二號路南側(cè)3Y125和3Y121節(jié)點路段在模擬時并無溢流點。經(jīng)勘查，因為二號路3Y125和3Y121節(jié)點路段地勢低洼，降雨匯集在地面形成低洼積水，而周圍雨水井設(shè)置于地勢較高的路段兩側(cè)，路段低洼處的大量積水無法通過地勢較高處的雨水井進(jìn)入排水管網(wǎng)，因此只能匯集在地面產(chǎn)生了大量的積水。而模型只能模擬地面徑流通過雨水節(jié)點流入排水管網(wǎng)中的匯流情況，因此模擬結(jié)果出現(xiàn)了偏差。

3 結(jié)論

(1)通過整合地表明渠、概化地下管網(wǎng)，將自然植被覆蓋區(qū)域的明渠納入?yún)^(qū)域排水系統(tǒng)，便于綜合考慮地表明渠和地下管網(wǎng)共同匯流的作用，從而劃分合理的空間離散單元。

(2)管網(wǎng)流向自動化識別方法的探索構(gòu)建，輔助實現(xiàn)了城市雨洪模擬中子匯水區(qū)的正確劃分。

(3)可利用下墊面的水文特征，通過綜合徑流系數(shù)實現(xiàn)模型主要參數(shù)的率定，文中方法可實際應(yīng)用于城市下墊面或自然坡面和人工建筑綜合覆蓋的區(qū)域，可進(jìn)行實際降水成澇的情景模擬。