基于GIS 和SWMM 模型的城市內(nèi)澇水文規(guī)律分析

田子陽(yáng)，褚俊英，周祖昊，林永壽，蔣云鐘

（1.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院 流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100044； 2.加州大學(xué)戴維斯分校，加州 戴維斯 95616； 3.青海西寧環(huán)境綜合治理利用世行貸款項(xiàng)目建設(shè)辦公室，青海 西寧 810001）

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與人口規(guī)模不斷擴(kuò)大，城鎮(zhèn)化水平穩(wěn)步提升，同時(shí)多變量綜合影響下也引發(fā)了一系列水文效應(yīng)。 一方面，全球氣候變暖所帶來(lái)的“熱島”“雨島”等效應(yīng)導(dǎo)致城市暴雨頻率和強(qiáng)度不斷提高；另一方面，城市下墊面不斷硬化，不透水面積顯著增加，原有老舊管道設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)低（設(shè)計(jì)時(shí)采用舊有系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，簡(jiǎn)化了很多雨水管道的水文現(xiàn)象［1］）、排水需求急劇增大等原因使其需要進(jìn)行提標(biāo)改造，而考慮到經(jīng)濟(jì)性與區(qū)域因素，老舊管道分布較多的老城區(qū)不適宜大面積鋪設(shè)新管［2］。 因此，進(jìn)行城市尺度水文規(guī)律分析具有較高的應(yīng)用價(jià)值。

此前，對(duì)于水文規(guī)律的研究多集中于流域尺度［3-5］，研究方法較為單一，通常為GIS 分析法［5-7］和數(shù)學(xué)模型法［8-9］。 其中GIS 分析法對(duì)源數(shù)據(jù)的精確度要求較高，而數(shù)學(xué)模型法雖然有多種建模方法，但各類方法均有不同程度的限制，且在模型選取上存在一定的主觀性［10］。 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，采用數(shù)學(xué)模型模擬城市暴雨逐漸成為城市水文分析的趨勢(shì)。 美國(guó)環(huán)境保護(hù)署（EPA）提出的第一個(gè)較為完善的暴雨雨洪模型SWMM 因其開(kāi)源、可不斷改進(jìn)的特點(diǎn)被國(guó)內(nèi)外學(xué)者廣泛應(yīng)用于城市暴雨雨洪模擬與城市水文分析，如Brendel 等［11］采用SWMM 與GSSHA 模型對(duì)比分析羅阿諾克市內(nèi)兩個(gè)相鄰社區(qū)的水文響應(yīng)關(guān)系，結(jié)果表明SWMM 模型在提供城市雨水管網(wǎng)水力條件詳細(xì)信息方面具有較高價(jià)值；盧垚等［12］利用SWMM 模型對(duì)子匯水區(qū)的地表產(chǎn)流、徑流系數(shù)、徑流峰值等雨洪特征展開(kāi)研究。 隨著智慧城市建設(shè)的推進(jìn)，目前研究多集中于三方面：①對(duì)氣象衛(wèi)星、遙感觀測(cè)、城市管網(wǎng)等多源可視化數(shù)據(jù)的整合［13-14］；②水文水動(dòng)力學(xué)模型的架構(gòu)與緊密耦合方法，如提高城市產(chǎn)匯流計(jì)算精度［15-16］、建立能夠適應(yīng)復(fù)雜城市下墊面的城市水文模型［17］等；③對(duì)水文水動(dòng)力學(xué)模型的參數(shù)率定及算法優(yōu)化［18］。

綜上，系統(tǒng)地分析城市水文規(guī)律的重要性日益凸顯［19］。 考慮到研究區(qū)西寧市缺乏先進(jìn)的水文分析方法和完備的水文規(guī)律資料，筆者基于GIS 和SWMM 模型構(gòu)建城市水文水動(dòng)力學(xué)模型對(duì)研究區(qū)內(nèi)地表產(chǎn)匯流平衡、出口流量、節(jié)點(diǎn)溢流情況等水文規(guī)律進(jìn)行分析，并提出一種基于實(shí)際傳輸流量與排水能力關(guān)系的分區(qū)排水能力評(píng)估方法。

1 計(jì)算模型

1.1 模型結(jié)構(gòu)

構(gòu)建城市水文水動(dòng)力學(xué)模型，對(duì)城市水循環(huán)過(guò)程進(jìn)行量化模擬，該模型由4 個(gè)子模型構(gòu)成，具體包括基于GIS 的城市水文響應(yīng)單元（Hydro-logical Response Unit，HRU）劃分子模型、城市降雨產(chǎn)流子模型、城市坡面匯流子模型、城市排水系統(tǒng)子模型。 這些子模型之間的關(guān)聯(lián)和耦合如圖1 所示。 其中，城市降雨產(chǎn)流子模型和城市坡面匯流子模型主要采用水文學(xué)方法計(jì)算，城市排水系統(tǒng)子模型采用一維水動(dòng)力學(xué)方法計(jì)算。

圖1 城市水文水動(dòng)力學(xué)模型總體框架

基于上述各子模型的模擬結(jié)果，可以對(duì)研究區(qū)內(nèi)的雨量平衡進(jìn)行計(jì)算，具體公式如下：

式中：i為降雨強(qiáng)度，mm／h；fp為當(dāng)前下滲能力，mm／h；dt為時(shí)間，h；StR為研究區(qū)總調(diào)蓄量，m3；R為地表徑流量，mm；AR為研究區(qū)總面積，m2；O為出口總量，m3；F為溢流總量，m3；SR為研究區(qū)管道存余總量，m3。

1.2 子模型

1.2.1 基于GIS 的城市水文響應(yīng)單元?jiǎng)澐肿幽Ｐ?/p>

城市水文響應(yīng)單元?jiǎng)澐肿幽Ｐ椭饕歉鶕?jù)研究區(qū)域的特征進(jìn)行城市水文響應(yīng)單元?jiǎng)澐帧?現(xiàn)有城市水文響應(yīng)單元?jiǎng)澐址椒?，一方面較為依賴高精度DEM 圖，利用ArcGIS 劃分后往往不能得到理想效果，還需要進(jìn)一步調(diào)整與修正；另一方面，劃分方法較為簡(jiǎn)單，不能與現(xiàn)有下墊面分類標(biāo)準(zhǔn)匹配。 故本文基于GIS，綜合土地利用類型和對(duì)應(yīng)不透水率參數(shù)進(jìn)行HRU 劃分。

主要操作流程為：①獲取研究區(qū)土地利用圖；②根據(jù)《土地利用現(xiàn)狀分類》（GB／T 21010—2017），利用ArcGIS 對(duì)各下墊面分類進(jìn)行修正；③依據(jù)《城市內(nèi)澇防治規(guī)劃標(biāo)準(zhǔn)》中不同下墊面類型的不透水率，在ArcGIS 中對(duì)研究區(qū)內(nèi)各HRU 進(jìn)行分類并批量賦值。該方法的優(yōu)點(diǎn)是：①擺脫現(xiàn)有研究較為依賴城市高精度DEM 圖的問(wèn)題；②依據(jù)土地利用類型劃分的HRU較為規(guī)整，下墊面類型一致，擺脫了原有HRU 繁雜的調(diào)整操作，提高了HRU 刻畫精度的同時(shí)減少了工作量；③依據(jù)土地利用類型圖劃分的HRU 與城市管道分布圖往往較為契合，同時(shí)其包含的建筑范圍可以利用ArcGIS 對(duì)DEM 圖進(jìn)行修正［20］，以滿足二維模型建模需要。

1.2.2 城市降雨產(chǎn)流子模型

城市降雨產(chǎn)流子模型主要對(duì)城市降雨產(chǎn)流過(guò)程進(jìn)行模擬。 降雨產(chǎn)流是指降雨扣除損失產(chǎn)生凈雨的過(guò)程。 在HRU 劃分的基礎(chǔ)上，進(jìn)行城市降雨產(chǎn)流過(guò)程模擬。 本文采用SWMM 模型中將每個(gè)HRU 概化成一個(gè)非線性蓄水池的方法模擬降雨產(chǎn)流，即只有當(dāng)蓄水池蓄水量超過(guò)最大洼地蓄水量時(shí)降雨產(chǎn)流才會(huì)發(fā)生，其流量通過(guò)曼寧公式計(jì)算得出：

式中：Q為流量，m3／s；W為HRU 的寬度，m；d為蓄水池水深，m；dp為蓄水池最大蓄深，m；S為坡度；n為曼寧糙率系數(shù)。

對(duì)城市降雨產(chǎn)流過(guò)程的模擬中，不透水面的模擬相對(duì)簡(jiǎn)單，而對(duì)透水面的入滲過(guò)程模擬極其重要，一般采用經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ湍M該過(guò)程，SWMM 模型中提供的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ陀? 種，即徑流曲線模型、Green-Ampt 模型、Horton 模型［21］。 在大量實(shí)際應(yīng)用中，Horton 模型均取得了較好的效果［22］，故本研究采用Horton 模型進(jìn)行入滲計(jì)算。 具體計(jì)算公式為

式中：f0為最小下滲能力，mm／h；fc為最大下滲能力，mm／h；k為下滲能力衰減系數(shù)，h-1；t為時(shí)間，h。

1.2.3 城市坡面匯流子模型

城市坡面匯流子模型主要對(duì)城市地表的匯流過(guò)程進(jìn)行模擬。 地表匯流是指降雨到地面后除去各項(xiàng)損失后產(chǎn)生的凈雨從產(chǎn)流區(qū)各處向雨水管網(wǎng)和河道匯集的過(guò)程。 本研究基于HRU 進(jìn)行地表匯流演算，各HRU進(jìn)行逐一匯流計(jì)算，水流進(jìn)入相應(yīng)的管網(wǎng)或河道。 本文采用SWMM 模型進(jìn)行城市坡面匯流過(guò)程的模擬。

1.2.4 城市排水系統(tǒng)子模型

城市的排水系統(tǒng)由入水口（雨水篦子）、地下排水管網(wǎng)和出水口處排水泵站、河道等組成。 SWMM 模型中有3 種方法用于管渠匯流計(jì)算，即恒定流法、運(yùn)動(dòng)波法和動(dòng)力波法，具體如下：①恒定流法，假定水流在每一時(shí)刻的流動(dòng)都是恒定且均勻的，是最簡(jiǎn)單的匯流計(jì)算方法；②運(yùn)動(dòng)波法，可以模擬水流在管渠中的空間和時(shí)間變化，但不能考慮回水、各項(xiàng)損失、有壓流動(dòng)等；③動(dòng)力波法，按照求解完整圣維南方程組進(jìn)行匯流計(jì)算，可以模擬管渠回水、損失和有壓流動(dòng)等，是最準(zhǔn)確但也最復(fù)雜的方法。 城市排水系統(tǒng)子模型采用動(dòng)力波法進(jìn)行計(jì)算，各連接管網(wǎng)和渠道滿足連續(xù)性和動(dòng)量平衡，各個(gè)節(jié)點(diǎn)滿足水量平衡。

（1）連接管網(wǎng)和渠道的控制方程分為連續(xù)性方程和動(dòng)量平衡方程。

連續(xù)性方程：

式中：K＝gn2；R為過(guò)水?dāng)嗝娴乃Π霃剑琺；V為流速，絕對(duì)值表示摩擦阻力方向與水流方向相反，m／s。

（2）管網(wǎng)和渠道的節(jié)點(diǎn)控制方程為

式中：Qt為進(jìn)出節(jié)點(diǎn)的流量，m3／s；Ask為節(jié)點(diǎn)的自由表面積，m2。

考慮到實(shí)際情況中，除雨水單獨(dú)排放外，還有雨污合流的情況存在（其常見(jiàn)于城市內(nèi)的老城區(qū)），故在排水系統(tǒng)子模型中，為避免因忽略“雨污合流”時(shí)的排水量而導(dǎo)致雨水排水結(jié)果失真，需考慮污水流量所占據(jù)的城市排水系統(tǒng)的排水能力，即在子模型中，通過(guò)實(shí)際測(cè)量與數(shù)據(jù)輸入，對(duì)合流管道的標(biāo)高、管道內(nèi)污水流量和流速等參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)描述。

通過(guò)對(duì)子模型模擬結(jié)果的歸納與整合，可以對(duì)研究區(qū)管道與分區(qū)排水能力進(jìn)行分析評(píng)估。 考慮到部分排水分區(qū)內(nèi)無(wú)排水口，而位于下游的分區(qū)需要承擔(dān)上游分區(qū)傳輸來(lái)的排水壓力，故需要對(duì)排水分區(qū)內(nèi)的實(shí)際傳輸流量進(jìn)行計(jì)算。 依據(jù)計(jì)算結(jié)果，本文提出一種基于實(shí)際傳輸流量與排水能力關(guān)系的分區(qū)排水能力評(píng)估方法，其核心是：在研究區(qū)的總傳輸流量及總排水能力一定的情況下，實(shí)際傳輸流量占比越大，同時(shí)不同重現(xiàn)期下排水能力占比越小，表明該區(qū)域排水能力越??；實(shí)際傳輸流量占比越小，同時(shí)不同重現(xiàn)期下排水能力占比越大，表明該區(qū)域排水能力越大，應(yīng)對(duì)不同重現(xiàn)期暴雨較為靈活。 其具體操作步驟為：①根據(jù)有關(guān)原則劃定研究區(qū)的雨水排水分區(qū)；②利用ArcGIS，根據(jù)不同的降雨重現(xiàn)期，對(duì)每個(gè)分區(qū)內(nèi)的各排水口排水能力、各節(jié)點(diǎn)入流量進(jìn)行匯總，得到分區(qū)統(tǒng)計(jì)結(jié)果；③根據(jù)排水分區(qū)的分布及管道的流量傳輸方向，疊加計(jì)算得到各分區(qū)的實(shí)際傳輸流量；④統(tǒng)計(jì)各區(qū)實(shí)際傳輸流量占比與不同重現(xiàn)期下排水能力占比，將排水能力占比與實(shí)際傳輸流量占比相減，對(duì)結(jié)果進(jìn)行排序，即得到分區(qū)排水能力的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

2 研究區(qū)域概況

2.1 研究區(qū)域

西寧市位于青海省東部，坐落于湟水中游河谷盆地，四面環(huán)山，三川會(huì)聚，是青海省的省會(huì)也是青海省第一大城市，是全省政治、經(jīng)濟(jì)、科技、文化、交通中心，主要的工業(yè)基地，因取“西陲安寧”之意而得名。 因其扼青藏高原東方之門戶，自古就是西北交通要道和軍事重地，素有“西海鎖鑰”“海藏咽喉”之稱。 又因其作為古“絲綢之路”南路和“唐蕃古道”的必經(jīng)之地，具有源遠(yuǎn)流長(zhǎng)的歷史文化、得天獨(dú)厚的自然資源和絢麗多彩的民俗風(fēng)情，成為青藏高原一顆璀璨的明珠。

依據(jù)西寧市有關(guān)資料，研究范圍包括西寧市城東區(qū)、城中區(qū)（含城南新區(qū)）、城西區(qū)、城北區(qū)、海湖新區(qū)和國(guó)家經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū)，研究區(qū)總面積380 km2（如圖2 所示）。 研究區(qū)域?yàn)槌鞘忻芗ǔ蓞^(qū)，以居民房屋、商業(yè)用地為主，建筑密度高，總不透水地面占總面積的近66.5%，綠地率僅為26.8%。 以國(guó)家氣象局西寧站1954—2018 年共65 a 的日均降水量觀測(cè)數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)得到西寧站多年平均降水量為389.7 mm，最大值為541.2 mm（1967 年），最小值為196.2 mm（1966 年）。

圖2 研究區(qū)域范圍

2.2 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

利用城市水文響應(yīng)單元?jiǎng)澐肿幽Ｐ停Y(jié)合西寧市土地利用狀況，劃分得到HRU 共計(jì)3 326 個(gè)，并通過(guò)ArcGIS 計(jì)算得到各匯水區(qū)面積、平均坡度、寬度等數(shù)據(jù)。

在HRU 劃分的基礎(chǔ)上，依據(jù)以下基本原則劃定西寧市雨水排水分區(qū)：①遵循西寧市城市排水規(guī)劃目標(biāo)和排水體制；②利用西寧市有利地形、洪溝等便利條件；③充分保留與利用原有城市雨水排水設(shè)施，盡量以行政區(qū)和河道等自然條件劃分；④結(jié)合西寧市正在建設(shè)的海綿城市規(guī)劃，根據(jù)海綿城市管控分區(qū)進(jìn)行雨水分區(qū)的管理與建設(shè)。 西寧市主城區(qū)劃分成36 個(gè)排水分區(qū)，其中：城西10 個(gè)、城北9 個(gè)、城東10 個(gè)、城南7個(gè)，如圖3 所示。

圖3 西寧市排水分區(qū)分布

基于西寧市排水公司提供的雨水管網(wǎng)和污水管網(wǎng)的空間分布與屬性等基礎(chǔ)資料，建立西寧市管網(wǎng)的拓?fù)潢P(guān)系，概化管網(wǎng)1 243 段，其中雨水管渠1 045 段，概化管網(wǎng)節(jié)點(diǎn)1 234 個(gè)（見(jiàn)圖4、圖5），概化排放口126個(gè)，并為概化管段及節(jié)點(diǎn)添加相應(yīng)屬性數(shù)據(jù)。 由于西寧市地下管網(wǎng)情況錯(cuò)綜復(fù)雜，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)較為匱乏，因此開(kāi)展了原型觀測(cè)試驗(yàn)，對(duì)典型合流管道標(biāo)高進(jìn)行測(cè)定，對(duì)典型合流管道流量與流速進(jìn)行測(cè)定，以模擬合流制管道內(nèi)的污水流量所占據(jù)的排水能力。

圖4 中心城區(qū)管道概化分布

圖5 中心城區(qū)概化管網(wǎng)節(jié)點(diǎn)分布

西寧市主城區(qū)高程數(shù)據(jù)采用30 m×30 m 高精度DEM 圖，土地利用數(shù)據(jù)主要依據(jù)《西寧市土地利用總體規(guī)劃（2006—2020 年）》（2016 年修訂版）。 利用ArcGIS 進(jìn)行空間分析，識(shí)別高程、坡度等基本信息。

不同重現(xiàn)期降雨數(shù)據(jù)通過(guò)收集國(guó)家氣象局西寧站等5 個(gè)雨量站1954—2018 年逐日數(shù)據(jù)，結(jié)合青海省氣候中心2017 年編制的《西寧城區(qū)暴雨強(qiáng)度公式推算技術(shù)報(bào)告》進(jìn)行推算。

2.3 模型參數(shù)率定及驗(yàn)證

結(jié)合美國(guó)EPA 的SWMM 模型應(yīng)用手冊(cè)與相關(guān)文獻(xiàn)資料確定城市水文水動(dòng)力學(xué)模型各參數(shù)的取值范圍并設(shè)置初始值。 將排干時(shí)間、霍頓最大下滲速率、霍頓穩(wěn)定下滲速率、霍頓衰減常數(shù)、曼寧系數(shù)、粗糙系數(shù)等作為率定參數(shù)，采用20130823、20140627、20170726、20180630、20190830 共5 場(chǎng)典型暴雨的降雨量和積水深觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)西寧市水文水動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行參數(shù)率定，參數(shù)率定結(jié)果見(jiàn)表1。收集西寧市主城區(qū)14 個(gè)雨量站3 h 降雨數(shù)據(jù)，并在模型中確定各雨量站位置及對(duì)應(yīng)降雨數(shù)據(jù)。

表1 參數(shù)率定結(jié)果

西寧市排水公司的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明，2020 年8 月29日西寧市博雅路路段積水較為嚴(yán)重，最大積水深達(dá)到1.5 m。 利用構(gòu)建的城市水文水動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行量化模擬，結(jié)果表明，博雅路路段模擬最大積水深1.57 m，相對(duì)誤差為4.67%（小于20%）；柴達(dá)木路路段最大積水深為0.66 m，實(shí)測(cè)積水深0.63 m，相對(duì)誤差為4.54%（小于20%）。 西寧市城區(qū)12 個(gè)現(xiàn)狀調(diào)查的積水點(diǎn)中，11 個(gè)積水點(diǎn)與模擬結(jié)果位置吻合，積水點(diǎn)重合率約91.7%，表明模型具有一定可靠性。

3 城市內(nèi)澇水文規(guī)律分析

依據(jù)中華人民共和國(guó)水利部發(fā)布的《水文情報(bào)預(yù)報(bào)規(guī)范》（SL 250—2000），采用相對(duì)誤差作為預(yù)報(bào)誤差指標(biāo)，對(duì)模型精度進(jìn)行評(píng)定。 利用2020 年8 月29日西寧市實(shí)測(cè)暴雨與積水深觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬驗(yàn)證，

3.1 西寧市城區(qū)地表產(chǎn)匯流平衡分析

隨著城市化進(jìn)程的加快，西寧市下墊面硬化面積不斷增加，改變了原有城市水循環(huán)路徑，帶來(lái)明顯的水文效應(yīng)。 選取兩個(gè)降雨重現(xiàn)期，即2 a 一遇和5 a 一遇，進(jìn)行模擬計(jì)算，具體模擬結(jié)果見(jiàn)表2。 西寧市城區(qū)道路和建筑物密集，地表不透水面積比例較大，導(dǎo)致地表徑流量較大，2 a 一遇和5 a 一遇降雨對(duì)應(yīng)的徑流系數(shù)（徑流總量／總降雨量）分別為47.2%和50.7%。 從徑流總量的構(gòu)成看，出口排放量占徑流總量的比重較大，降雨重現(xiàn)期為2 a 和5 a 時(shí)分別為57.5%和55.1%；由于排水管網(wǎng)的設(shè)計(jì)排水能力較低，節(jié)點(diǎn)溢流總量較大，降雨重現(xiàn)期為2 a 和5 a 時(shí)分別占徑流總量的34.2%和38.3%。 隨著降雨重現(xiàn)期的增大，節(jié)點(diǎn)溢流總量及其所占比重呈現(xiàn)增大趨勢(shì)。 節(jié)點(diǎn)溢流總量的大小反映了地面積水情況，當(dāng)降雨重現(xiàn)期達(dá)到5 a 時(shí)，節(jié)點(diǎn)溢流總量最大，其對(duì)應(yīng)的地面積水情況也最嚴(yán)重。

表2 不同重現(xiàn)期下雨量平衡模擬結(jié)果

3.2 出口流量分析

對(duì)比不同降雨重現(xiàn)期的城市排水系統(tǒng)出口流量過(guò)程（見(jiàn)圖6），可以看出，隨著降雨重現(xiàn)期的增大，地表徑流量增大，城市排水系統(tǒng)導(dǎo)致出口流量增大。 降雨重現(xiàn)期為2 a 時(shí)，城市排水系統(tǒng)出口總量為53.5 萬(wàn)m3，出口流量峰值為114.1 m3／s，出現(xiàn)在開(kāi)始降雨后約43 min；降雨重現(xiàn)期為5 a 時(shí)，城市排水系統(tǒng)的出口總量為73.0 萬(wàn)m3，出口流量峰值為155.3 m3／s，出現(xiàn)在開(kāi)始降雨后約45 min。

圖6 不同降雨重現(xiàn)期下管網(wǎng)出口流量過(guò)程線

由同一降雨重現(xiàn)期的出口流量過(guò)程線可以看出，城市排水系統(tǒng)出口流量呈先快速增大后緩慢減小的趨勢(shì)，這符合降雨徑流的一般規(guī)律。

3.3 節(jié)點(diǎn)溢流情況分析

降雨經(jīng)過(guò)地面的產(chǎn)匯流過(guò)程形成地表徑流進(jìn)入地下管道，當(dāng)超過(guò)管道排水能力時(shí)雨水從節(jié)點(diǎn)溢出，在地面低洼地區(qū)形成積水，不同降雨重現(xiàn)期下節(jié)點(diǎn)溢流過(guò)程如圖7 所示。 在節(jié)點(diǎn)溢流總量和峰值溢流流量方面，隨著降雨重現(xiàn)期的增大，節(jié)點(diǎn)溢流總量和峰值溢流流量增大。 當(dāng)降雨重現(xiàn)期為2 a 時(shí)，節(jié)點(diǎn)溢流總量為31.8 萬(wàn)m3，節(jié)點(diǎn)峰值溢流流量為220.7 m3／s；當(dāng)降雨重現(xiàn)期為5 a 時(shí)，節(jié)點(diǎn)溢流總量為50.7 萬(wàn)m3，節(jié)點(diǎn)峰值溢流流量為352.2 m3／s。

圖7 不同降雨重現(xiàn)期下節(jié)點(diǎn)溢流過(guò)程

隨著降雨量的增大節(jié)點(diǎn)溢流呈現(xiàn)“無(wú)溢流—開(kāi)始出現(xiàn)—迅速增加—達(dá)到峰值—逐漸減少”的動(dòng)態(tài)過(guò)程。 主要原因是在降雨初期，降雨徑流流量低于管網(wǎng)的排水能力，雨水管網(wǎng)能夠順利排水，節(jié)點(diǎn)不發(fā)生溢流；在降雨中期，當(dāng)降雨強(qiáng)度明顯增大使徑流流量超過(guò)管網(wǎng)的排水能力時(shí)，節(jié)點(diǎn)開(kāi)始出現(xiàn)溢流，溢流流量隨著降雨強(qiáng)度的增大不斷增大直至達(dá)到峰值；在降雨后期，降雨強(qiáng)度的減小使節(jié)點(diǎn)溢流流量減小，隨著降雨結(jié)束溢流流量緩慢減小。

3.4 排水管網(wǎng)能力評(píng)估

3.4.1 管道排水能力評(píng)估

采用管道分級(jí)負(fù)荷進(jìn)行管道排水能力評(píng)估。 其中，管道超負(fù)荷的判別依據(jù)為模型模擬得到的充滿度結(jié)果，即當(dāng)水流壓力過(guò)大時(shí)管道呈現(xiàn)滿載狀態(tài)，使其無(wú)法正常輸水。 考慮到實(shí)際的超負(fù)荷情況，共設(shè)置了3種分級(jí)類型，其中0 為正常排水管道，1 為自身排水能力不足造成滿載的管道，2 為受下游管道頂托造成滿載的管道。 總體上，因降雨強(qiáng)度超過(guò)了西寧市排水管網(wǎng)的設(shè)計(jì)排水能力，管道出現(xiàn)了超載現(xiàn)象，隨著進(jìn)入排水管網(wǎng)徑流量的增加，滿載管道（類型1、類型2）所占比例增大，導(dǎo)致管網(wǎng)排水不暢。 在重現(xiàn)期大部分排水管道呈超負(fù)荷狀態(tài)，其中管道受下游頂托造成滿載的比例（類型2）遠(yuǎn)大于自身排水能力不足造成滿載的比例（類型1），說(shuō)明西寧市主城區(qū)發(fā)生排水管道滿載情況的主要原因是受到下游管道頂托，導(dǎo)致排水困難。

3.4.2 分區(qū)排水能力評(píng)估

根據(jù)不同的降雨重現(xiàn)期，按照排水分區(qū)對(duì)每個(gè)分區(qū)排水口的排水能力進(jìn)行匯總，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。 統(tǒng)計(jì)各區(qū)實(shí)際傳輸流量占總傳輸流量的百分比及不同重現(xiàn)期下各區(qū)排水能力占總排水能力的百分比，可以得到百分比堆積圖，如圖8 所示。 按照前文所述算法，對(duì)區(qū)域排水能力按照由低到高進(jìn)行排序，結(jié)果表明，分區(qū)22、33、11、9、13、26、20、10、7、5、21、30、18 排水能力較差，占排水分區(qū)總數(shù)的36.1%。

圖8 分區(qū)排水能力統(tǒng)計(jì)（由上至下排水能力依次由高至低）

表3 不同重現(xiàn)期下分區(qū)排水能力（由低到高）

續(xù)表3

4 結(jié) 論

以西寧市為例構(gòu)建城市水文水動(dòng)力學(xué)模型，開(kāi)展城市水循環(huán)過(guò)程的量化模擬分析。 該模型由4 個(gè)子模型構(gòu)成，具體包括城市水文響應(yīng)單元?jiǎng)澐肿幽Ｐ汀⒊鞘薪涤戤a(chǎn)流子模型、城市坡面匯流子模型、城市排水系統(tǒng)子模型，這些子模型之間相互關(guān)聯(lián)和耦合。

基于城市水文水動(dòng)力學(xué)模擬，對(duì)研究區(qū)內(nèi)水文循環(huán)進(jìn)行分析，結(jié)果表明西寧市主城區(qū)水文循環(huán)具有明顯的規(guī)律。 在地表產(chǎn)匯流方面，隨著降雨重現(xiàn)期的增大，地表徑流量增大，排水系統(tǒng)出口流量不斷增大，隨降雨量增大呈先增大后減小的趨勢(shì)。 在節(jié)點(diǎn)溢流的總量和峰值方面，隨著降雨重現(xiàn)期的增大，節(jié)點(diǎn)溢流總量和峰值溢流流量不斷增大，隨著降雨量的增大節(jié)點(diǎn)溢流呈現(xiàn)“無(wú)溢流—開(kāi)始出現(xiàn)—迅速增加—達(dá)到峰值—逐漸減少”的動(dòng)態(tài)過(guò)程。 對(duì)管道排水能力進(jìn)行分級(jí)評(píng)估，分析不同重現(xiàn)期下管道超負(fù)荷運(yùn)行的分布情況，得到結(jié)論：西寧市主城區(qū)排水管道滿載運(yùn)行的主要原因是受到下游管道頂托，導(dǎo)致排水困難。 對(duì)分區(qū)排水能力進(jìn)行分區(qū)統(tǒng)計(jì)，提出采用實(shí)際傳輸流量與排水能力綜合分析的方法對(duì)分區(qū)排水能力進(jìn)行評(píng)估，得到排水能力由低到高的分區(qū)排序。