基于匯水區(qū)分級(jí)劃分的城市洪澇模擬

王小杰，夏軍強(qiáng)，董柏良，侯精明，李啟杰

(1. 武漢大學(xué)水資源與水電工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430072；2. 西安理工大學(xué)省部共建西北旱區(qū)生態(tài)水利國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710048 )

洪澇災(zāi)害是影響范圍最廣、死亡人數(shù)最多的自然災(zāi)害之一[1]。近幾十年來(lái)，受全球氣候變化和人類活動(dòng)的雙重影響，城市洪澇災(zāi)害問題日益嚴(yán)重[2]。據(jù)中國(guó)住房與城鄉(xiāng)建設(shè)部統(tǒng)計(jì)，2008—2010年全國(guó)60%以上城市發(fā)生過(guò)不同程度的洪澇災(zāi)害，其中有近140個(gè)城市洪澇災(zāi)害超過(guò)3次以上[3]。據(jù)《中國(guó)水旱災(zāi)害公報(bào)》統(tǒng)計(jì)顯示，2008—2018年全國(guó)年均有158座城市發(fā)生洪澇災(zāi)害，造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡[4]。其中，2012年“7·21”北京特大暴雨洪澇災(zāi)害造成79人死亡和116.4億元經(jīng)濟(jì)損失[2- 3]；2016年7月武漢洪澇災(zāi)害造成全市12個(gè)區(qū)75.7萬(wàn)人受災(zāi)，直接經(jīng)濟(jì)損失22.7億元[5]；2021年“7·20”鄭州特大暴雨洪澇災(zāi)害，全市因?yàn)?zāi)死亡失蹤380人，直接經(jīng)濟(jì)損失409億元[6]。日益嚴(yán)重的城市洪澇災(zāi)害是影響城市安全和健康有序發(fā)展的重要因素。城市洪澇問題受到了國(guó)家高度重視，已成為國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)領(lǐng)域之一。城市暴雨洪澇模擬作為制定城市防洪減災(zāi)措施的重要依據(jù)之一，是城市洪澇致災(zāi)機(jī)理分析與暴雨洪澇預(yù)報(bào)的重要手段，如何提高城市暴雨洪澇模擬的精度與準(zhǔn)確性已逐漸成為城市洪澇研究領(lǐng)域的難點(diǎn)與熱點(diǎn)[7]。

目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者在城市暴雨洪澇模擬方面取得了一系列研究成果[8- 9]，城市雨洪模型是研究暴雨洪澇問題的重要手段，常用的城市雨洪模型有SWMM、MIKE、Info Works ICM、HSP、STORM等[8- 10]，其中由美國(guó)環(huán)境保護(hù)署(EPA)發(fā)布的免費(fèi)開源軟件SWMM不僅能模擬單一降雨事件，還可以對(duì)長(zhǎng)期的降雨徑流進(jìn)行動(dòng)態(tài)演算，利于二次開發(fā)，在城市降雨徑流模擬中得到了廣泛應(yīng)用[11- 13]。常曉棟等[13]采用SWMM模型構(gòu)建了山前平原型城市雨洪模型，分析子匯水區(qū)不同匯流方式及河道糙率對(duì)模擬結(jié)果的影響；侯精明等[14]基于SWMM模型構(gòu)建了含低影響開發(fā)(LID)措施調(diào)控作用的城市雨洪模型，模擬不同重現(xiàn)期降雨下LID措施和傳統(tǒng)開發(fā)情況下的徑流控制及峰值削減效果；周云峰等[15]利用基于方差分解的Sobol方法，計(jì)算不同雨強(qiáng)下SWMM中各參數(shù)對(duì)徑流量、峰值流量以及峰現(xiàn)時(shí)間的靈敏度；趙剛等[16]將改進(jìn)填洼模型與SWMM模型進(jìn)行耦合，使改進(jìn)后的模型可以快速模擬洪水淹沒狀況；欒清華等[17]提出了缺乏管網(wǎng)流量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)城區(qū)暴雨徑流SWMM模型的構(gòu)建方法，提高了城區(qū)復(fù)雜下墊面數(shù)字化的精細(xì)化程度以及雨洪徑流的模擬精度；朱治州等[18]提出了SWMM模型子匯水區(qū)劃分中顧及多要素的城市地表匯水區(qū)分級(jí)劃分法，結(jié)果表明基于該方法的劃分結(jié)果基本符合實(shí)際匯水情況。SWMM模型構(gòu)建過(guò)程中，經(jīng)常會(huì)遇到城市雨水井節(jié)點(diǎn)資料難以獲取等問題，而雨水井節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)是影響城市暴雨洪澇模擬積水結(jié)果的重要因素。子匯水區(qū)是SWMM模型的水文計(jì)算單元，子匯水區(qū)劃分方法的準(zhǔn)確性是影響城市洪澇模擬的關(guān)鍵因素[18]。目前，SWMM模型的研究主要集中在低影響開發(fā)措施調(diào)控作用、模型積水深度計(jì)算改進(jìn)、參數(shù)率定及靈敏度分析等方面，對(duì)模型的地表空間離散化和無(wú)資料時(shí)雨水井節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)確定方法研究較少。

本文提出考慮城市實(shí)際空間信息的匯水區(qū)分級(jí)劃分方法和雨水井節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)確定方法，以武漢市青山區(qū)為研究區(qū)域，構(gòu)建SWMM模型；采用2場(chǎng)實(shí)際暴雨漬水?dāng)?shù)據(jù)對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行率定與驗(yàn)證，并將基于空間信息分級(jí)劃分法的模擬結(jié)果與傳統(tǒng)泰森多邊形法和水文分析結(jié)合泰森多邊形法的模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。

1 暴雨洪水管理模型的改進(jìn)

1.1 SWMM模型

SWMM模型是1971年由美國(guó)環(huán)境保護(hù)署設(shè)計(jì)研發(fā)的動(dòng)態(tài)降水- 徑流模擬模型，已廣泛應(yīng)用于城市暴雨洪澇研究以及排水系統(tǒng)規(guī)劃、分析和設(shè)計(jì)[19]。該模型把研究區(qū)域劃分為一系列子匯水區(qū)，子匯水區(qū)接受大氣中的降水，一部分降水下滲進(jìn)入不飽和土壤，一部分降水在子匯水區(qū)中形成地表徑流，地表徑流經(jīng)雨水井節(jié)點(diǎn)進(jìn)入排水管道匯流，排水管道輸送徑流至排水口排出。

子匯水區(qū)是該模型的水文計(jì)算單元，通常劃分為透水區(qū)域、蓄水和無(wú)蓄水不透水區(qū)域。子匯水區(qū)中降水下滲進(jìn)入不飽和土壤區(qū)域有3種模擬方式：霍頓(Horton)方程、格林- 安普特(Green- Ampt)模型和徑流曲線數(shù)法?；纛D方程比較適合城區(qū)，且率定參數(shù)少，在國(guó)內(nèi)外得到了廣泛使用，本研究采用霍頓方程進(jìn)行下滲計(jì)算[13]。地表徑流量進(jìn)入排水管道運(yùn)動(dòng)有3種演算模型：恒定波法、運(yùn)動(dòng)波法和動(dòng)力波法。動(dòng)力波法適合任何排水管網(wǎng)較短時(shí)間步長(zhǎng)模擬，結(jié)果準(zhǔn)確，適用性較強(qiáng)，本研究采用動(dòng)力波法進(jìn)行管網(wǎng)匯流計(jì)算[11,13]。

1.2 城市子匯水區(qū)劃分

1.2.1 基于空間信息的匯水區(qū)分級(jí)劃分

致謝：本文得到了廣東省有色地質(zhì)勘查院粵北分院肖元貴、郭蘭宣高級(jí)工程師的大力支持；廣東省有色金屬地質(zhì)局王軍同志在圖件及文稿修改方面給予了大量幫助，在此謹(jǐn)表衷心的感謝！

(1) 基于研究區(qū)域下轄行政區(qū)域和排水管道流向的一級(jí)匯水區(qū)劃分。行政區(qū)域是國(guó)家為了進(jìn)行分級(jí)管理而實(shí)行的區(qū)域劃分，各行政區(qū)負(fù)責(zé)管轄區(qū)域內(nèi)的防汛排澇及雨季防汛搶險(xiǎn)[20]，街道等下轄行政區(qū)域是分級(jí)管理的基礎(chǔ)單位。城市子匯水區(qū)進(jìn)行劃分時(shí)，首先應(yīng)根據(jù)出水口及排水管道流向進(jìn)行一級(jí)匯水區(qū)初步劃分[17]；其次，應(yīng)該基于研究范圍內(nèi)下轄行政區(qū)域?qū)σ褎澐值囊患?jí)匯水區(qū)進(jìn)行再次劃分，完成一級(jí)匯水區(qū)的精細(xì)劃分。

(2) 基于排水管道和城市道路的二級(jí)匯水區(qū)劃分。城市雨水一般是沿著城市道路匯流，并通過(guò)雨水井進(jìn)入排水管網(wǎng)，匯流至排水管道出水口排入河渠或通過(guò)泵站排入江河[21]。在一級(jí)匯水區(qū)劃分的基礎(chǔ)上，首先應(yīng)以排水管道為邊界將每個(gè)匯水區(qū)進(jìn)行二級(jí)匯水區(qū)初步劃分；其次，根據(jù)城市快速路、主干路、次干路、支路邊界線對(duì)已初步劃分的二級(jí)匯水區(qū)進(jìn)行再次劃分，完成二級(jí)匯水區(qū)的精細(xì)劃分。

(3) 基于住宅、商業(yè)、綠地公園等地塊的三級(jí)匯水區(qū)劃分。住宅、商業(yè)、綠地公園等地塊是城市規(guī)劃管理部門根據(jù)某地具體用途劃分的用地基本單元。在二級(jí)匯水區(qū)劃分的基礎(chǔ)上，參照高清影像圖和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研獲取的地表建筑物邊界，以各個(gè)住宅小區(qū)、商場(chǎng)、綠地公園等為邊界將相應(yīng)二級(jí)匯水單元進(jìn)一步劃分為三級(jí)匯水區(qū)；住宅、商業(yè)等地塊的排水管道和雨水井往往沿住宅、商業(yè)區(qū)內(nèi)的道路鋪設(shè)，對(duì)于占地較大的住宅、商業(yè)區(qū)等，根據(jù)區(qū)域內(nèi)部道路對(duì)其匯水區(qū)進(jìn)行再次劃分，完成三級(jí)匯水區(qū)的精細(xì)劃分。最后，根據(jù)研究區(qū)域內(nèi)管道排水流向確定相鄰匯水單元的上下游關(guān)系，完成模型子匯水區(qū)劃分(圖1)。

1.2.2 基于泰森多邊形法的匯水區(qū)劃分

美國(guó)氣候?qū)W家Thiessen提出的泰森多邊形法是對(duì)空間平面的一種剖分，其特點(diǎn)是多邊形內(nèi)的任何位置離該多邊形的樣點(diǎn)距離最近，離相鄰多邊形內(nèi)樣點(diǎn)的距離遠(yuǎn)，且每個(gè)多邊形內(nèi)有且僅有1個(gè)樣點(diǎn)?；谔┥噙呅畏▌澐值膮R水區(qū)保證了每個(gè)子匯水區(qū)有且僅有1個(gè)對(duì)應(yīng)的雨水井節(jié)點(diǎn)，且雨水井節(jié)點(diǎn)到對(duì)應(yīng)的子匯水區(qū)距離最短。這種方法相對(duì)簡(jiǎn)單，比較節(jié)省時(shí)間，被廣泛應(yīng)用于城市雨洪模型中匯水區(qū)的劃分。

1.2.3 基于水文分析結(jié)合泰森多邊形法的匯水區(qū)劃分

泰森多邊形法雖然應(yīng)用廣泛，但沒有考慮管道流向和地形分布等情況[18]?；谒姆治鼋Y(jié)合泰森多邊形法的匯水區(qū)劃分則對(duì)這一情況進(jìn)行了考慮。該方法首先結(jié)合地形和排水管道采用水文分析工具初步劃出較大的子流域；其次在已劃分的子流域內(nèi)，根據(jù)雨水井節(jié)點(diǎn)的分布，采用泰森多邊形法對(duì)每個(gè)子流域進(jìn)行細(xì)分；最后，將劃分的匯水區(qū)與遙感影像圖進(jìn)行疊加，根據(jù)出水口及排水管道流向?qū)澐值膮R水區(qū)進(jìn)行調(diào)整，使匯水區(qū)的流向與實(shí)際排水流向一致，完成模型子匯水區(qū)的劃分(圖2)。為了使匯水區(qū)劃分的結(jié)果更加接近真實(shí)流向，本研究在基于水文分析劃分子流域時(shí)，將排水管道作為河渠水系，通過(guò)AGREE算法對(duì)DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行校正[22]?；谒姆治鼋Y(jié)合泰森多邊形法所劃分的子流域考慮了管道流向和地形分布等情況，但未考慮土地利用類型變化。

圖1 基于空間信息的匯水區(qū)分級(jí)劃分步驟Fig.1 Catchment hierarchical partition based on the method of spatial information

圖2 基于水文分析結(jié)合泰森多邊形法的匯水區(qū)劃分步驟Fig.2 Catchment partition based on the Thiessen polygon method combined with hydrological analysis

1.3 雨水井節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)確定

子匯水區(qū)的地表徑流通過(guò)雨水井節(jié)點(diǎn)進(jìn)入排水管網(wǎng)，雨水井節(jié)點(diǎn)是連接子匯水區(qū)與排水管網(wǎng)的重要樞紐。雨水井節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)往往不完整且難以獲取，對(duì)城市洪澇的高精度模擬提出了挑戰(zhàn)，本文針對(duì)研究區(qū)域雨水井節(jié)點(diǎn)資料短缺現(xiàn)象，根據(jù)《室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范：GB 50014—2006》(2016年版)[23]和少數(shù)已知的雨水井節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，對(duì)無(wú)資料的雨水井節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，盡可能地使計(jì)算結(jié)果更加接近真實(shí)情況。

(1) 確定節(jié)點(diǎn)位置。節(jié)點(diǎn)位置確定的原則為2段管渠相交處和2段道路相交處設(shè)置節(jié)點(diǎn)。每個(gè)排水管網(wǎng)系統(tǒng)管道末端設(shè)置1個(gè)出水口，每個(gè)子匯水區(qū)對(duì)應(yīng)1個(gè)節(jié)點(diǎn)。每個(gè)子匯水區(qū)對(duì)應(yīng)的封閉區(qū)域出口處根據(jù)需要設(shè)置節(jié)點(diǎn)。

(2) 節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)計(jì)算。SWMM模型構(gòu)建中需要確定各節(jié)點(diǎn)的內(nèi)底標(biāo)高與最大深度。節(jié)點(diǎn)的最大深度可通過(guò)節(jié)點(diǎn)地面高程與內(nèi)底標(biāo)高之差計(jì)算得到。采用研究區(qū)域1∶1 000高精度DEM數(shù)據(jù)提取各節(jié)點(diǎn)的地面高程。排水管道沿排水流向按照一定的設(shè)計(jì)坡度沿程遞減鋪設(shè)，節(jié)點(diǎn)的內(nèi)底標(biāo)高可根據(jù)排水管道長(zhǎng)度、規(guī)范規(guī)定相應(yīng)管徑的最小設(shè)計(jì)坡度[23]和已知的上游節(jié)點(diǎn)內(nèi)底標(biāo)高進(jìn)行計(jì)算。管網(wǎng)的最小設(shè)計(jì)坡度是由排水管道的管徑?jīng)Q定的，如0.4 m管徑對(duì)應(yīng)的最小設(shè)計(jì)坡度為0.001 5，1 m管徑對(duì)應(yīng)的最小設(shè)計(jì)坡度為0.000 6[23]。節(jié)點(diǎn)內(nèi)底標(biāo)高的計(jì)算公式如下：

hj=hi-lijSij

(1)

式中：hj為節(jié)點(diǎn)j的內(nèi)底標(biāo)高；hi為j上游節(jié)點(diǎn)i的內(nèi)底標(biāo)高；lij為連接2個(gè)節(jié)點(diǎn)的管道長(zhǎng)度；Sij為連接2個(gè)節(jié)點(diǎn)的管道最小設(shè)計(jì)坡度。

(3) 節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)確定。根據(jù)節(jié)點(diǎn)地面高程和節(jié)點(diǎn)內(nèi)底標(biāo)高計(jì)算節(jié)點(diǎn)深度，節(jié)點(diǎn)深度應(yīng)符合設(shè)計(jì)規(guī)范。規(guī)范規(guī)定，管頂最小覆土深度宜為人行道下0.6 m，車行道下0.7 m，即雨水井深度不應(yīng)小于管徑加埋深，檢查井深度不應(yīng)小于1.8 m。根據(jù)排水流向?qū)Ω鞴?jié)點(diǎn)深度依次進(jìn)行檢查，對(duì)不符合的節(jié)點(diǎn)深度進(jìn)行管道坡度的調(diào)整，其中，對(duì)于地形起伏變化較大的地區(qū)以城市道路坡度作為管道坡度，使所有節(jié)點(diǎn)深度均滿足規(guī)范要求，得到各節(jié)點(diǎn)的最終數(shù)據(jù)。

1.4 積水深度計(jì)算

基于SWMM模型的城市暴雨洪澇模擬，能夠獲取研究區(qū)域內(nèi)各溢流節(jié)點(diǎn)的積水流量過(guò)程，但無(wú)法直接獲知各溢流節(jié)點(diǎn)的積水深度。當(dāng)研究區(qū)域內(nèi)各溢流節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生積水時(shí)，SWMM模型默認(rèn)節(jié)點(diǎn)上部積水區(qū)為蓄水設(shè)施，待排水系統(tǒng)非完全充滿時(shí)，蓄水設(shè)施的積水再隨之排出[7,19]。結(jié)合節(jié)點(diǎn)積水產(chǎn)生機(jī)理和相關(guān)參考文獻(xiàn)[7,21]，將節(jié)點(diǎn)積水水體等效概化為圓錐體，進(jìn)而推導(dǎo)計(jì)算各溢流節(jié)點(diǎn)積水深度。

各溢流節(jié)點(diǎn)積水深度計(jì)算的步驟：

(1) 將各溢流節(jié)點(diǎn)上部的積水區(qū)域概化為圓錐體的蓄水設(shè)施，蓄水設(shè)施的體積為

(2)

式中：V為圓錐體的體積；d為積水深度；s為平均坡度。

(2) 將各溢流節(jié)點(diǎn)的積水流量過(guò)程作為該溢流節(jié)點(diǎn)蓄水設(shè)施的進(jìn)流量。

(3) 計(jì)算各溢流節(jié)點(diǎn)蓄水設(shè)施的深度變化，即為該溢流節(jié)點(diǎn)的積水深度變化過(guò)程。

2 應(yīng)用案例

2.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)域主要位于武漢市青山區(qū)，西起羅家港，北臨長(zhǎng)江，東接?xùn)|湖港與武豐湖，南至友誼大道，為城市水系統(tǒng)研究的典型片區(qū)(圖3)。研究區(qū)域還包括了友誼大道向北與東湖港向南的少部分洪山區(qū)，該區(qū)域范圍較小，在本研究中作為青山區(qū)冶金街道部分計(jì)算。研究區(qū)域雨水主要通過(guò)羅家路、港西和港西二期泵站排入長(zhǎng)江，少部分直接排入羅家港、東湖港等渠道。武漢市青山區(qū)是武漢市的重工業(yè)城區(qū)、國(guó)家重要鋼鐵生產(chǎn)和化工基地。城區(qū)的下墊面由高低不一的建筑物和復(fù)雜的道路所組成，用材又多為磚、水泥、鋼筋和瀝青等，下滲能力較低，容易造成城市內(nèi)澇積水現(xiàn)象[24]。

2.2 模型構(gòu)建

根據(jù)當(dāng)?shù)氐呐潘芫W(wǎng)和地形資料，構(gòu)建研究區(qū)域暴雨洪澇模型。由于實(shí)測(cè)資料獲取的限制，本文只獲得了研究區(qū)域內(nèi)荊州街、隨州街、工業(yè)路、工業(yè)一路和工業(yè)三路部分雨水井與出水口數(shù)據(jù)，針對(duì)缺少實(shí)測(cè)資料的雨水井節(jié)點(diǎn)，采用雨水井節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)確定方法計(jì)算各節(jié)點(diǎn)內(nèi)底標(biāo)高和最大深度。根據(jù)獲得的節(jié)點(diǎn)資料，將研究區(qū)域內(nèi)圓形排水管道的雨水井最大深度限制為4 m，排水管涵的雨水井最大深度限制為6 m。從荊州街、工業(yè)路等已知節(jié)點(diǎn)沿管道流向依次計(jì)算未知的雨水井?dāng)?shù)據(jù)，得到的出水口底部標(biāo)高與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)基本一致，且計(jì)算的節(jié)點(diǎn)深度和管道坡度均符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，表明該方法在雨水井節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)缺失的城市暴雨洪澇模擬中具有一定的可靠性和適用性。為了保證研究結(jié)果的準(zhǔn)確性，3種方法的節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)均采用基于空間信息的匯水區(qū)分級(jí)劃分法所得結(jié)果，即3種方法劃分的節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)和管道數(shù)據(jù)均相同，為790個(gè)節(jié)點(diǎn)和792條管線。

圖3 研究區(qū)域概況Fig.3 Sketch of the study area

基于空間信息的匯水區(qū)分級(jí)劃分法在研究區(qū)域的具體應(yīng)用，包括3個(gè)步驟：首先根據(jù)出水口及相應(yīng)連接的排水管線將研究區(qū)初步劃分為羅家港北部排水片區(qū)(和平大道以北及建設(shè)一路以西的標(biāo)注范圍)、羅家港南部排水片區(qū)(和平大道以南及建設(shè)一路以西的標(biāo)注范圍)、港西排水片區(qū)(建設(shè)一路以東、工業(yè)四路以西及建設(shè)十路以西的標(biāo)注范圍)、武豐湖排水片區(qū)(建設(shè)十路以東的標(biāo)注范圍)以及東湖港排水片區(qū)(工業(yè)四路以東的標(biāo)注范圍)(見圖3)。在初步劃分的排水片區(qū)基礎(chǔ)上，依據(jù)研究區(qū)域中各街區(qū)范圍(圖3)，完成一級(jí)匯水區(qū)的劃分。其次，根據(jù)排水管道和城市道路對(duì)已劃分的一級(jí)匯水區(qū)進(jìn)行二級(jí)匯水區(qū)深層次劃分。最后，根據(jù)住宅、商業(yè)、綠地公園等地塊進(jìn)行三級(jí)匯水區(qū)的精細(xì)劃分，最終把研究區(qū)域劃分為705個(gè)子匯水區(qū)(圖4(a))?；谔┥噙呅畏ǖ膮R水區(qū)劃分，采用泰森多邊形工具，根據(jù)雨水井節(jié)點(diǎn)的分布實(shí)現(xiàn)了匯水區(qū)的劃分，研究區(qū)域劃分結(jié)果見圖4(b)?；谒姆治鼋Y(jié)合泰森多邊形法的匯水區(qū)劃分，首先利用水文分析工具實(shí)現(xiàn)較大子流域的初步劃分，其次利用泰森多邊形法在每個(gè)子流域內(nèi)實(shí)現(xiàn)匯水區(qū)的精細(xì)劃分，研究區(qū)域劃分結(jié)果如圖4(c)所示。

3種方法劃分的子匯水區(qū)均符合SWMM模型的建模需求，但三者劃分的結(jié)果具有明顯的差異。以基于空間信息分級(jí)劃分法、水文分析結(jié)合泰森多邊形法和泰森多邊形法劃分的局部區(qū)域(對(duì)應(yīng)圖4(c)紅色框線的標(biāo)注范圍)結(jié)果為例進(jìn)行對(duì)比(圖4(d))?；诳臻g信息分級(jí)劃分法所得匯水區(qū)考慮了行政區(qū)域、建筑物邊界、排水管道等對(duì)匯流過(guò)程的影響，水文分析結(jié)合泰森多邊形法考慮了地形分布、管道流向和雨水井分布，泰森多邊形法只考慮了雨水井分布。例如S85，和平大道與園林巷2條道路為兩街道行政區(qū)域分界處，不同建筑物分布在2條道路的兩側(cè)，且和平大道道路中間鋪設(shè)了高架橋墩，存在2根平行排水管道，屬于不同排水片區(qū)，分級(jí)劃分法所得結(jié)果體現(xiàn)了這一情況，水文分析結(jié)合泰森多邊形法僅考慮了管道流向情況，泰森多邊形法則未對(duì)此情況進(jìn)行考慮，因此基于空間信息分級(jí)劃分法所劃分的匯水區(qū)更符合實(shí)際匯流情況。

圖4 不同匯水區(qū)劃分方法的結(jié)果對(duì)比Fig.4 Comparison between the results using different subcatchment division methods

3 模型率定與結(jié)果分析

3.1 參數(shù)率定

2016年7月武漢市遭遇了嚴(yán)重的城市洪澇，6月30日至7月7日降雨量達(dá)到武漢市氣象記錄周降雨量最高值(圖5(a))。本文選取2016年6月30日至7月3日(簡(jiǎn)稱20160702)、2016年7月5—7日(簡(jiǎn)稱20160706)2場(chǎng)降雨和5年一遇3 h/24 h降雨作為模型參數(shù)率定和驗(yàn)證的降雨過(guò)程。2016年7月2日24 h降雨量153.1 mm，相當(dāng)于5年一遇24 h降雨量(162 mm)；7月6日24 h降雨量241.5 mm，相當(dāng)于20年一遇24 h降雨量(249 mm)。參照《武漢市排水防澇系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(2013年版)[25]，采用武漢市暴雨強(qiáng)度公式結(jié)合芝加哥雨型生成5年一遇3 h降水；根據(jù)武漢市24 h暴雨逐時(shí)雨量分配，得到20160702、20160706 場(chǎng)次降水情景和5年一遇24 h降水情景，如圖5(b)所示。

圖5 研究區(qū)域?qū)崪y(cè)與設(shè)計(jì)的降雨量過(guò)程Fig.5 Measured and designed rainfall hydrographs in the study area

采用綜合徑流系數(shù)作為目標(biāo)函數(shù)對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行初步率定[11,26]，選取2016年7月2日、2016年7月6日實(shí)際暴雨漬水點(diǎn)和2016年青山區(qū)5年一遇3 h(88 mm)/24 h(162 mm)降雨漬水風(fēng)險(xiǎn)圖，對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行詳細(xì)率定與驗(yàn)證。管道長(zhǎng)度、子匯水區(qū)面積、特征寬度等參數(shù)可通過(guò)實(shí)際測(cè)量或計(jì)算得到。地表漫流曼寧系數(shù)、洼地蓄水、管渠曼寧系數(shù)等經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，根據(jù)SWMM模型用戶手冊(cè)[19]和相關(guān)文獻(xiàn)查詢[13- 15]確定各類參數(shù)范圍，以綜合徑流系數(shù)作為模型參數(shù)校準(zhǔn)的目標(biāo)函數(shù)，使模型子匯水區(qū)徑流系數(shù)符合規(guī)范[25]；反復(fù)調(diào)試各類參數(shù)，直至模擬的積水點(diǎn)與實(shí)際漬水點(diǎn)最為接近，模型參數(shù)率定結(jié)果如表1所示。

表1 模型主要參數(shù)率定

3.2 結(jié)果分析

根據(jù)2016年7月2日和2016年7月6日暴雨漬水點(diǎn)資料，選取和平大道三弓路口(No.1)、和平大道園林路口(No.2)、旅大街(No.3)、建設(shè)九路(No.4)(見圖3)為20160702場(chǎng)次暴雨內(nèi)澇典型驗(yàn)證點(diǎn)，選取和平大道三弓路口(No.1)、和平大道建三路口(No.5)、建設(shè)五路橋洞(No.6)、沿港路(No.7)(見圖3)為20160706場(chǎng)次暴雨內(nèi)澇典型驗(yàn)證點(diǎn)，對(duì)比各驗(yàn)證點(diǎn)模擬的最大積水深度與實(shí)際積水程度，結(jié)果如表2所示。根據(jù)《武漢市排水防澇系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(2013年版)[25]可知，路段積水平均深度h≤0.15 m為輕度積水，0.15 m0.4 m為重度積水?；诳臻g信息分級(jí)劃分法劃分的匯水區(qū)，各典型驗(yàn)證點(diǎn)模擬的最大積水深度與實(shí)際漬水程度基本相符；基于水文分析結(jié)合泰森多邊形法劃分的匯水區(qū)，8個(gè)典型驗(yàn)證點(diǎn)模擬的最大積水深度中5個(gè)驗(yàn)證點(diǎn)與實(shí)際漬水程度相符，模擬的最大積水深度與實(shí)際漬水程度最大相對(duì)誤差為20%；基于泰森多邊形法劃分的匯水區(qū)，8個(gè)典型驗(yàn)證點(diǎn)模擬的最大積水深度中6個(gè)驗(yàn)證點(diǎn)與實(shí)際漬水程度相符，模擬的最大積水深度與實(shí)際漬水程度最大相對(duì)誤差為33%。相比之下，基于空間信息分級(jí)劃分法劃分的匯水區(qū)所模擬的最大積水深度與實(shí)際情況更符合。

表2 溢流點(diǎn)最大積水深度對(duì)比

武漢市水務(wù)局發(fā)布了2016年青山區(qū)5年一遇3 h(88 mm)/24 h(162 mm)降雨漬水風(fēng)險(xiǎn)圖，對(duì)比相同設(shè)計(jì)降雨條件下模型模擬的溢流點(diǎn)與風(fēng)險(xiǎn)圖漬水位置分布情況，結(jié)果如表3所示。3種方法劃分的匯水區(qū)所模擬的溢流點(diǎn)與漬水風(fēng)險(xiǎn)圖對(duì)比，研究區(qū)域內(nèi)未模擬出的漬水地區(qū)大體上有旅大街建設(shè)二路附近、建設(shè)六路附近(和平大道與紅鋼三街中間段)和紅鋼二街建設(shè)十路附近等，雖模擬結(jié)果與漬水風(fēng)險(xiǎn)圖存在一定的差異，但模型計(jì)算的溢流點(diǎn)與實(shí)際漬水位置分布總體上是一致的?；诳臻g信息分級(jí)劃分法劃分的匯水區(qū)，模擬產(chǎn)生的220個(gè)溢流點(diǎn)中有80.0%的溢流點(diǎn)位置與漬水風(fēng)險(xiǎn)圖相符；基于水文分析結(jié)合泰森多邊形法劃分的匯水區(qū)，模擬產(chǎn)生的225個(gè)溢流點(diǎn)中有76.4%的溢流點(diǎn)位置與漬水風(fēng)險(xiǎn)圖相符；基于泰森多邊形法劃分的匯水區(qū)，模擬產(chǎn)生的226個(gè)溢流點(diǎn)中有77.4%的溢流點(diǎn)位置與漬水風(fēng)險(xiǎn)圖相符。3種方法劃分的匯水區(qū)所模擬的溢流點(diǎn)位置分布基本相同，但基于空間信息分級(jí)劃分法所得匯水區(qū)模擬的積水深度與實(shí)際淹沒程度更一致。因此，基于空間信息分級(jí)劃分法所得匯水區(qū)的模擬結(jié)果精度更高，為數(shù)據(jù)匱乏地區(qū)的城市洪澇模型建立提供了參考。

表3 模擬溢流點(diǎn)統(tǒng)計(jì)

根據(jù)《武漢市排水防澇系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》[25]，結(jié)合雨水管渠設(shè)計(jì)暴雨重現(xiàn)期和城區(qū)防澇標(biāo)準(zhǔn)要求，采用武漢市暴雨強(qiáng)度公式結(jié)合芝加哥雨型生成5 a、10 a、20 a、50 a和100 a重現(xiàn)期下2 h短歷時(shí)暴雨，進(jìn)行不同降雨情景下研究區(qū)域內(nèi)澇積水模擬，結(jié)果如圖6所示。隨著降雨重現(xiàn)期的增大，3種方法劃分的匯水區(qū)所模擬的積水時(shí)間和積水量逐漸增加，基于空間信息分級(jí)劃分法所得匯水區(qū)模擬的積水量與其他2種方法模擬的積水量差呈增加的趨勢(shì)。不同降雨重現(xiàn)期下，基于空間信息分級(jí)劃分法所得匯水區(qū)模擬的溢流點(diǎn)個(gè)數(shù)和積水量總體相對(duì)較少。3種方法劃分的匯水區(qū)所模擬的溢流點(diǎn)積水量大多數(shù)小于100 m3，約占溢流點(diǎn)總數(shù)的48%以上，隨著降雨重現(xiàn)期的增大，占比總體呈減少趨勢(shì)。降雨重現(xiàn)期不超過(guò)20 a時(shí)，3種方法劃分的匯水區(qū)所模擬的溢流點(diǎn)積水時(shí)間主要集中在10～30 min，約占溢流點(diǎn)總數(shù)的41%以上，隨著降雨重現(xiàn)期的增大，占比在逐漸減少。其中，5 a降雨重現(xiàn)期下，模擬的溢流點(diǎn)積水時(shí)間基本上未超過(guò)1 h，且發(fā)生積水的節(jié)點(diǎn)占比較低，表明5年一遇暴雨情景下的積水對(duì)研究區(qū)域影響程度相對(duì)較??；10 a和20 a降雨重現(xiàn)期下，積水時(shí)間在1～2 h的溢流點(diǎn)約占溢流點(diǎn)總數(shù)的17%～30%，且模擬的溢流點(diǎn)積水時(shí)間均未超過(guò)2 h，表明在10年一遇和20年一遇暴雨下研究區(qū)域的局部地區(qū)內(nèi)澇積水較為嚴(yán)重。降雨重現(xiàn)期大于20 a時(shí)，3種方法劃分的匯水區(qū)所模擬的溢流點(diǎn)積水時(shí)間主要集中在1～2 h，約占溢流點(diǎn)總數(shù)的41%以上，表明研究區(qū)域遭遇大于20年一遇暴雨時(shí)會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的內(nèi)澇積水，且隨降雨重現(xiàn)期的增大，內(nèi)澇積水程度越嚴(yán)重。特別是100 a降雨重現(xiàn)期下，溢流點(diǎn)積水時(shí)間最長(zhǎng)超過(guò)2 h，總溢流量超過(guò)40萬(wàn)m3，可引起嚴(yán)重災(zāi)情，在一定范圍內(nèi)給行人和車輛安全帶來(lái)影響。

圖6 不同降雨重現(xiàn)期下積水模擬Fig.6 Simulated numbers of overflow points and ponding volumes under the rainfall hydrographs with different return periods

4 結(jié) 論

針對(duì)城區(qū)復(fù)雜下墊面和雨水井?dāng)?shù)據(jù)缺失情況，分別提出了基于實(shí)際空間信息的匯水區(qū)分級(jí)劃分法和雨水井節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)確定方法。以武漢市青山區(qū)為研究對(duì)象，采用2場(chǎng)實(shí)際暴雨漬水?dāng)?shù)據(jù)對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行了率定與驗(yàn)證，主要結(jié)論如下：

(1) 雨水井節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)確定方法是根據(jù)《室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范：GB50014—2006》(2016年版)[23]和已知的雨水井節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)對(duì)無(wú)資料的雨水井節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算的雨水井節(jié)點(diǎn)深度和管道坡度均符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，且采用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了驗(yàn)證，表明該方法在雨水井節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)缺失的城市暴雨洪澇模擬中具有一定的可靠性和適用性。

(2) 基于空間信息分級(jí)劃分法、水文分析結(jié)合泰森多邊形法和泰森多邊形法所劃分的匯水區(qū)，8個(gè)典型驗(yàn)證點(diǎn)模擬的最大積水深度中分別有100%、63%和75%驗(yàn)證點(diǎn)與實(shí)際漬水程度相符，模擬的溢流點(diǎn)中分別有80.0%、76.4%和77.4%的溢流點(diǎn)位置與5年一遇降雨漬水風(fēng)險(xiǎn)圖相符。基于空間信息分級(jí)劃分法所得的匯水區(qū)比較符合真實(shí)匯水情況，且模擬的結(jié)果比其他2種方法更加準(zhǔn)確。

(3) 5年一遇降雨重現(xiàn)期下，3種方法劃分的匯水區(qū)所模擬的積水對(duì)研究區(qū)域影響程度相對(duì)較小，但遇到高于此重現(xiàn)期的暴雨，局部地區(qū)會(huì)出現(xiàn)不同程度的內(nèi)澇。降雨重現(xiàn)期大于20 a時(shí)，模擬的溢流點(diǎn)積水時(shí)間主要集中在1～2 h，會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的內(nèi)澇。特別是100 a重現(xiàn)期下，溢流點(diǎn)積水時(shí)間最長(zhǎng)超過(guò)2 h，可引起嚴(yán)重災(zāi)情，在一定范圍內(nèi)給行人和車輛安全帶來(lái)影響。