基于SWMM模型及GIS技術(shù)的城市雨洪調(diào)控情景模擬

黃誠 張曉祥 韓煒 劉昌軍

摘要：為解決城市區(qū)域在發(fā)生暴雨后的內(nèi)澇問題和探討低影響開發(fā)（LID）措施對城市雨洪的調(diào)控效果，選取近年內(nèi)澇頻發(fā)的鎮(zhèn)江市老城區(qū)作為研究區(qū)域，采用SWMM模型構(gòu)建該地區(qū)排水系統(tǒng)模型，模擬了符合當(dāng)?shù)胤篮闃?biāo)準(zhǔn)的30 a一遇暴雨條件下管網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行情況;然后，以淹沒較為嚴(yán)重的匯水區(qū)為研究對象，布設(shè)4種LID措施及不同組合模擬8種情景下徑流控制情況;最后，在基于遙感技術(shù)提取的建筑物屋頂上隨機(jī)布設(shè)20%，50%，80%的綠色屋頂設(shè)施（GR），從空間尺度對比匯水區(qū)徑流系數(shù)對不同比例LID措施的響應(yīng)。結(jié)果表明：① 在遭遇30 a一遇暴雨情景下，研究區(qū)內(nèi)超過半數(shù)的節(jié)點(diǎn)和管網(wǎng)發(fā)生溢流或超載現(xiàn)象。② LID措施對控制城市雨洪有較好的效果，以S424匯水區(qū)為例，在徑流量控制效果上，透水鋪裝>LID組合>綠色屋頂>雨水花園;在洪峰流量削減率上，透水鋪裝和雨水花園效果較好。③ 隨著LID措施布設(shè)比例的增加，控制徑流的效果越來越好，當(dāng)區(qū)域內(nèi)隨機(jī)布設(shè)80%的綠色屋頂后，匯水區(qū)平均徑流系數(shù)Ψ縮減60.39%。LID設(shè)計(jì)方案對海綿城市雨洪調(diào)控效果明顯，可為當(dāng)?shù)貎?nèi)澇治理提供參考。

關(guān) 鍵 詞：雨洪調(diào)控; 情景模擬; 低影響開發(fā); SWMM模型; GIS; 海綿城市; 鎮(zhèn)江市

中圖法分類號： K909;TU992

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2022.04.006

0 引 言

隨著城市化進(jìn)程的推進(jìn)，城市道路不透水面積和城市人口持續(xù)增加，破壞了原有的水文生態(tài)，在遭遇短歷時(shí)暴雨后，極易形成城市內(nèi)澇[1]。以2014年為例，全國遭受不同程度的洪澇災(zāi)害，因?yàn)?zāi)死亡485人，受災(zāi)人口7 382萬人，受淹或內(nèi)澇城市125座，直接經(jīng)濟(jì)損失1 500多億元[2]。近20 a鎮(zhèn)江市發(fā)展迅速，城市下墊面發(fā)生劇烈變化，暴雨內(nèi)澇問題愈發(fā)突出，2015年7月，暴雨洪澇造成鎮(zhèn)江市12.74萬人受災(zāi)。日前，國務(wù)院辦公廳印發(fā)《關(guān)于加強(qiáng)城市內(nèi)澇治理的實(shí)施意見》中提出用統(tǒng)籌、系統(tǒng)的方法解決城市內(nèi)澇問題[3]，鎮(zhèn)江市作為第一批海綿城市建設(shè)試點(diǎn)城市之一，在綠色基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和道路房屋改造方面具有一定的基礎(chǔ)，可為城市雨洪研究提供有力支持。

海綿城市指的是城市面對暴雨等自然災(zāi)害能夠短時(shí)間將其減弱并適應(yīng)環(huán)境達(dá)到減災(zāi)防災(zāi)的效果[4]。國內(nèi)對海綿城市的理論研究以城市水文學(xué)為基礎(chǔ)[5-6]。劉昌明等[7]提出LID設(shè)計(jì)應(yīng)遵循因地制宜、就地消納的原則，充分利用現(xiàn)有的地理要素，采用多種工程措施，維系城市良性水循環(huán)。目前在城市暴雨洪水模擬方面已取得了一系列研究成果，其中較具代表性的是美國開發(fā)的暴雨管理模型（Storm Water Management Model，SWMM），SWMM模型適用于水文水力條件復(fù)雜、以管網(wǎng)系統(tǒng)為主的城市地區(qū)。低影響開發(fā)（Low Impact Development，LID）是美國提出的新型雨洪管理的理念，主要是對徑流進(jìn)行源頭管理，近年來越來越多地運(yùn)用到海綿城市的建設(shè)中[8]。LID措施主要包括透水鋪裝、雨水花園、植草溝、綠色屋頂?shù)萚9]，已有許多學(xué)者對LID措施在海綿城市的應(yīng)用進(jìn)行研究[10-11];此外，不同組合的LID措施對城市雨洪的最優(yōu)控制效果也有較多研究[12-13]，但以上研究在城市下墊面的精度、LID布設(shè)合理性以及專題成果圖的可視化表達(dá)方面還有所欠缺。

遙感技術(shù)為開展水文水資源領(lǐng)域的研究提供了優(yōu)越的數(shù)據(jù)源和前提條件[14]?；诖?，本文以鎮(zhèn)江市老城區(qū)為研究區(qū)域，基于遙感正射影像提取匯水區(qū)高精度的下墊面作為模型輸入，利用地理信息系統(tǒng)（GIS）合理概化，最終構(gòu)建SWMM模型;同時(shí)將GIS運(yùn)用于模型參數(shù)確定優(yōu)化、LID布設(shè)合理性、專題地圖要素展示及可視化表達(dá)，其結(jié)果可為老城區(qū)更新改造、補(bǔ)齊防澇設(shè)施短板提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)域與SWMM建模

1.1 研究區(qū)概況與模型概化

鎮(zhèn)江市地處江蘇省西南部，屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，年降水量約1 088.2 mm，且多集中在夏季，具有“雨量大、時(shí)間短”的特點(diǎn)。同時(shí)該地屬于“一水橫陳，三面連崗”的河谷盆地，特殊的降雨條件和地理位置使得鎮(zhèn)江面臨外洪與內(nèi)澇的夾擊，汛期時(shí)常出現(xiàn)上有客洪侵襲、下受江潮頂托、南有山洪壓頂、北受臺(tái)風(fēng)的威脅[15]。在2015年6月，由于連日的暴雨，導(dǎo)致鎮(zhèn)江市珍珠橋涵洞積水超過80 cm，給市民生活造成較大的影響。本文以城市中心受災(zāi)區(qū)域作為模擬區(qū)域，面積93.40 hm2，根據(jù)遙感正射影像（見圖1（a））得到該區(qū)域精細(xì)的下墊面類型（見圖1（d）），經(jīng)過概化后得到包含17個(gè)匯水區(qū)、34個(gè)交叉節(jié)點(diǎn)以及48根管道的集成SWMM模型（見圖1（c））。研究區(qū)內(nèi)大小河道共4條，地勢整體較為平坦，局部北高南低，高程6.58～15.50 m（見圖1（b）），坡度0.55°～6.85°，排水為雨污分流制，當(dāng)?shù)毓芫W(wǎng)系統(tǒng)防洪標(biāo)準(zhǔn)為30 a一遇。

1.2 SWMM建模

1.2.1 設(shè)計(jì)雨量及雨型

根據(jù)中國GB 50014-2006《室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范（2014年版）》和2014年6月鎮(zhèn)江市政府修訂后的暴雨強(qiáng)度公式（1）進(jìn)行設(shè)計(jì)。

i=38.3623+39.0267lgT（t+19.1377）0.975（1）

式中：i為設(shè)計(jì)暴雨強(qiáng)度，L/（s·hm2）;t為降雨歷時(shí)，min;T為設(shè)計(jì)暴雨重現(xiàn)期，a。設(shè)計(jì)雨型采用芝加哥雨型，使用符合當(dāng)?shù)胤篮闃?biāo)準(zhǔn)重現(xiàn)期T=30 a，降雨歷時(shí)t=240 min，峰值比例r=0.4，累計(jì)降雨總量100.70 mm作為降雨輸入。

1.2.2 模型參數(shù)

城市開發(fā)建設(shè)會(huì)顯著改變地表的微地形特征，進(jìn)而對子匯水區(qū)的劃分與地表徑流特征產(chǎn)生重要影響，科學(xué)劃定匯水分區(qū)、快速提取相關(guān)水文參數(shù)是城市水文模型構(gòu)建的重要基礎(chǔ)[16]?；谘芯繀^(qū)DEM（見圖1（b））和下墊面數(shù)據(jù)（見圖1（d）），最終細(xì)分為17個(gè)子匯水區(qū)。此外，模型下滲模式選擇Horton，匯水區(qū)匯流模式采用Outlet模式。最后，利用SWMM模擬地表徑流過程需要一系列的輸入?yún)?shù)，包括確定性參數(shù)和經(jīng)驗(yàn)性參數(shù)。確定性參數(shù)主要是匯水區(qū)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)（如坡度、寬度、不透水率等），其中坡度由ArcGIS坡度提取工具得到，而寬度由面積除以流長得到，本文采用邊界上距離出口最遠(yuǎn)的某個(gè)折點(diǎn)來計(jì)算流長，匯水區(qū)不透水率由下墊面類型和其不透水率[17]決定。而經(jīng)驗(yàn)性參數(shù)需要通過文獻(xiàn)[15]、SWMM模型手冊以及當(dāng)?shù)厮牟块T資料得到各個(gè)參數(shù)的范圍。為提高參數(shù)的準(zhǔn)確性，根據(jù)實(shí)地調(diào)查情況及當(dāng)?shù)厮膹臉I(yè)人員實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和類似區(qū)域已公開發(fā)表的研究成果確定模型參數(shù)（見表1）。將得到的各個(gè)參數(shù)作為輸入，利用連續(xù)方程（公式（2））和曼寧公式（公式（3））求解蒸發(fā)、下滲、徑流等輸出結(jié)果。

dVdh=Adhdt=Ai″-Q0 （2）

式中：V為總積水量，m3;h為地表水深，m;A為匯水區(qū)面積，m2;t為降雨時(shí)間，s;i″為凈降雨強(qiáng)度，mm/s;Q0為徑流流量，m3/s。

Q0=W×1n×d-dp53×S12 （3）

式中：W為匯水區(qū)特征寬度，m;n為曼寧粗糙系數(shù);d為地表水深，m;dp為地表蓄水最大深度，mm;S為匯水區(qū)平均深度，m。

2 現(xiàn)有排水狀況分析

采用公式（1）設(shè)計(jì)30 a一遇暴雨作為模型輸入對研究區(qū)現(xiàn)有的管網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行模擬，得到的結(jié)果如表2～3所列。

由表2可知，在遭遇30 a一遇降雨時(shí)，超載時(shí)間超過1 h的節(jié)點(diǎn)數(shù)有19個(gè)，占56%;發(fā)生溢流的節(jié)點(diǎn)數(shù)量為22個(gè)，占65%，其中溢流時(shí)間超過1 h的節(jié)點(diǎn)數(shù)為7個(gè)，占21%。從表3可以看出超載時(shí)間超過1 h的管道數(shù)有20條，占42%;最大流量與完全正常流量比例大于1的管道數(shù)有17條，占35%。如圖2所示，現(xiàn)有的排水管網(wǎng)系統(tǒng)超過一半的節(jié)點(diǎn)和管網(wǎng)出現(xiàn)溢流和超載現(xiàn)象，其中較為嚴(yán)重的區(qū)域主要分布在研究區(qū)南部地勢較低的S419、S424、S435匯水區(qū)。

3 不同情景下LID模擬結(jié)果

3.1 參數(shù)設(shè)置

根據(jù)對現(xiàn)有排水管網(wǎng)的模擬結(jié)果，考慮對發(fā)生溢流較嚴(yán)重的區(qū)域布設(shè)LID措施，統(tǒng)計(jì)3個(gè)匯水區(qū)的下墊面數(shù)據(jù)，如表4所列（考慮到該區(qū)域水體較少忽略不計(jì)）。

將3個(gè)匯水區(qū)內(nèi)30%的綠地改造為雨水花園，30%道路改造為透水鋪裝，對于屋頂占比較高的區(qū)域改造30%綠色屋頂以及布設(shè)LID的組合措施（10%雨水花園+10%透水鋪裝+10%綠色屋頂）;根據(jù)下墊面數(shù)據(jù)布設(shè)不同比例的LID措施，改造的比例分別為0.18，0.30，0.45，0.60。LID自然狀態(tài)中主要參數(shù)取值參考SWMM手冊和相關(guān)文獻(xiàn)[16]，如表5所列。

3.2 模擬分析

分別模擬布設(shè)相同比例的雨水花園、透水鋪裝、綠色屋頂和LID組合措施4種方案匯水區(qū)的降雨徑流過程（以下墊面較為平均的S424匯水區(qū)為例），結(jié)果如圖3所示;根據(jù)下墊面條件布設(shè)透水鋪裝（以道路占比31.23%S419匯水區(qū)為例），模擬改造比例分別為0.18，0.30，0.45，0.60后匯水區(qū)降雨徑流過程，結(jié)果如圖4所示。在此基礎(chǔ)上，在3個(gè)匯水區(qū)布設(shè)相同條件LID措施對比其洪峰流量削減率，如圖5所示，可以看出布設(shè)方案對徑流總量和洪峰流量均有一定的削減作用。從圖3可知，S424在布設(shè)透水鋪裝后取得較好的成效，控制徑流總量效果上，透水鋪裝>LID組合>綠色屋頂>雨水花園，相較于原始狀態(tài)均達(dá)到防洪減災(zāi)的效果。雖透水鋪裝徑流總量大于LID組合，但洪峰流量削減率比LID組合高16%，此外綠色屋頂在該匯水區(qū)內(nèi)的洪峰削減率較差，僅為8%（見圖5）。隨著LID比例的增加，對子匯水區(qū)內(nèi)徑流總量和洪峰流量都有明顯的削減作用，從圖4可知，當(dāng)改造比例為0.45時(shí)已經(jīng)達(dá)到較好的防洪效果，且在徑流量方面與0.60的效果差距不大，但此時(shí)洪峰流量的削減率相差12%，因此需要根據(jù)實(shí)際情況考慮是否繼續(xù)改造。透水鋪裝下滲率較高，其效果對于遲滯徑流和削減徑流有著較好的效果，并且隨著LID比例增加，可達(dá)到的效果越好。由3個(gè)匯水區(qū)在各情景下的洪峰流量削減率可以看出，在改造60%的LID措施后，洪峰流量的削減率可以達(dá)到65%以上，進(jìn)一步說明布設(shè)LID可達(dá)到較好的防洪減災(zāi)成效。

由于研究區(qū)內(nèi)居民區(qū)密集、房屋眾多，為更加精細(xì)地分析不同比例的LID措施在空間上對城市雨洪控制的影響，以城市低影響開發(fā)和城鎮(zhèn)綠色基建的關(guān)鍵措施綠色屋頂（GR）為例進(jìn)行模擬，能夠直觀地看出空間上不同比例的LID對縮減地表徑流的作用。利用綠色屋頂對房屋屋頂進(jìn)行改造，綠色屋頂設(shè)施增加了雨水的下滲，并對落到屋頂上的雨水有存儲(chǔ)和吸收的作用，對地表徑流減緩有著積極的作用，適用于密集的居民區(qū)。本研究根據(jù)正射影像提取出精細(xì)的屋頂數(shù)據(jù)，共設(shè)計(jì)4種方案，在研究區(qū)內(nèi)隨機(jī)布設(shè)0（原始），20%，50%，80%的綠色屋頂措施（見圖6），根據(jù)布設(shè)條件在SWMM中重新構(gòu)建模型，以30 a一遇的設(shè)計(jì)暴雨作為降雨輸入，模擬4種情景下區(qū)域內(nèi)徑流系數(shù)的變化，結(jié)果表明布設(shè)綠色屋頂對縮減地表徑流有顯著作用。徑流系數(shù)Ψ為一定匯水面積內(nèi)總徑流量與降水量的比值，它說明有多少降雨形成了徑流，綜合反映了匯水區(qū)內(nèi)地理要素對徑流的影響。隨著布設(shè)比例增加，各匯水區(qū)徑流系數(shù)減小，當(dāng)布設(shè)比例達(dá)到80%，平均徑流系數(shù)Ψ為0.324 5，減小了60.39%，各匯水區(qū)的徑流系數(shù)級別的空間分布如圖7所示，但研究區(qū)南部有兩個(gè)匯水區(qū)徑流系數(shù)變化不大，可能因?yàn)樵谠搮R水區(qū)內(nèi)還有其他因素影響徑流，如不透水路面。LID措施控制徑流效果總體較好，但在設(shè)計(jì)方案過程中，要采用降低環(huán)境影響、多種LID措施共用等原則合理改造，充分發(fā)揮LID措施滯留和調(diào)蓄雨水優(yōu)勢，做到最佳的設(shè)計(jì)方案。

4 結(jié) 論

（1） 鎮(zhèn)江城區(qū)現(xiàn)有排水管網(wǎng)的排水能力在應(yīng)對當(dāng)?shù)胤篮闃?biāo)準(zhǔn)30 a一遇的暴雨時(shí)，超過一半的節(jié)點(diǎn)和管線發(fā)生溢流或超載現(xiàn)象，在地勢低洼的幾個(gè)匯水區(qū)積水嚴(yán)重，需布設(shè)LID措施提升防洪能力。

（2） 在單個(gè)匯水區(qū)內(nèi)，4種LID措施在削弱徑流總量和洪峰流量方面均有效果。透水鋪裝效果最佳，其后依次是LID組合、綠色屋頂、雨水花園，可以看出透水道路下滲率較高，對降雨滲透較為顯著。對比布設(shè)不同比例的LID措施，隨著LID措施比例的增加對徑流的控制效果提升，當(dāng)布設(shè)60%的LID措施后，洪峰流量的削減率最高達(dá)到76%。

（3） 從整個(gè)研究區(qū)來看，與原始方案相比，布設(shè)LID措施對地表徑流控制有較好的效果。在研究區(qū)域內(nèi)隨機(jī)布設(shè)20%，50%，80%綠色屋頂設(shè)施，區(qū)域平均徑流系數(shù)分別減少9.26%，27.63%，60.39%。

研究結(jié)果有助于加強(qiáng)鎮(zhèn)江城區(qū)海綿城市、韌性城市的建設(shè)，可為提升城市重點(diǎn)地區(qū)排水防澇能力提供一定的技術(shù)支撐。

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（編輯：謝玲嫻）

Scenarios simulation of urban stormwater regulation based on SWMM model and GIS

in Zhenjiang City

HUANG Cheng1，2，3，ZHANG Xiaoxiang1，2，3，HAN Wei2，3，LIU Changjun4，5

（1.College of Hydrology and Water Resources，Hohai University，Nanjing 210098，China; 2.Center for Geospatial Intelligence and Watershed Science，Hohai University，Nanjing 210098，China; 3.Institute of Geographical Information Science and Engineering，Hohai University，Nanjing 210098，China; 4.Research Center on Flood and Drought Disaster Reduction of the Ministry of Water Resources，Beijing 100038，China; 5.Research Center on Flood and Drought Disaster Reduction，China Institute of Water Resources and Hydropower Research，Beijing 100038，China）

Abstract：

To solve urban waterlogging after rainstorm and understand the effect of low impact development （LID） measures on urban stormwater control infrastructure，the downtown of Zhenjiang City，which frequently suffers from waterlogging in recent years，was selected as the study area.The SWMM model was used to construct a drainage system model for the area，and the model simulated the operation of the pipe network system under a 30-year heavy rain that met the local flood control standards.And then taking the heavily submerged catchment area as the research object，4 LID measures and their different combinations were used to simulate the runoff control situation under 8 scenarios.Finally，20%，50%，and 80% green roof （GR） facilities were randomly arranged on the roof of buildings that were extracted by remote sensing，and the response of the runoff coefficient of the catchment area to different proportions of LID measures was compared.The results showed that：① More than half of the nodes and pipe networks were overflowed and overloaded under a 30-year heavy rain scenario.② LID measures showed a good effect on the control of urban rainwater.Taking S424 catchment area as an example，in terms of runoff control，Permeable Pavement>LID Combination>Green Roof>Rain Garden.In terms of peak flow reduction rate，Permeable Pavement and Rain Garden were more effective.③ With the increase of proportion of LID measures，the effect of runoff control was getting better and better.When 80% of the green roofs were randomly arranged in the area，the average runoff coefficient Ψ of the catchment area was reduced by 60.39%.The LID design scheme has obvious effects on the rain and flood regulation in sponge cities，and can provide a reference for local waterlogging management.

Key words：

stormwater regulation;scenarios simulation;low impact development （LID）;SWMM model;GIS;sponge city;Zhenjiang City