基于SWMM模型的城市內(nèi)澇成因分析

丁青云　習(xí)雪飛

摘要：為探索城市內(nèi)澇形成原因，研究城市雨洪的形成機(jī)理及排水系統(tǒng)的負(fù)荷能力，選取杭州西湖區(qū)之江新城作為研究對象，以2021年3月19日研究區(qū)典型場次降雨為例，采用SWMM模型進(jìn)行了內(nèi)澇模擬，并從水量平衡、管道滿載和溢流點(diǎn)等方面進(jìn)行了分析。結(jié)果表明：之江新城73.2%的降水量形成了地表徑流；進(jìn)入管道的水量中，48.2%的水量經(jīng)管道直接排入河道，37.3%的水量從雨水井溢流，剩余的水量保留在管道中；50%的管道已經(jīng)滿管，15.2%井點(diǎn)溢流。研究成果說明城市下墊面的改變會使產(chǎn)流量增加，城市排水系統(tǒng)能力不足會引起城市內(nèi)澇風(fēng)險。

關(guān)鍵詞：城市內(nèi)澇； SWMM模型； 水量平衡； 排水系統(tǒng)

中圖法分類號：TU992 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2024.04.005

文章編號：1006-0081（2024）04-0031-04

0 引 言

隨著城市化進(jìn)程加快和人口密度的不斷增長，降雨帶來的水文和水質(zhì)問題對城市水體的影響日益顯著，城市內(nèi)澇已成為繼人口擁擠、交通擁堵、環(huán)境污染之后的重大城市問題［1］。近年來，“城市看?！爆F(xiàn)象頻繁發(fā)生。2021年河南鄭州“7·20”特大暴雨災(zāi)害造成了巨大的人員和財產(chǎn)損失［2］。因此，通過城市內(nèi)澇模擬分析以提前制定相應(yīng)的干預(yù)措施至關(guān)重要，內(nèi)澇治理一直是近年來研究的重難點(diǎn)［3-4］。許多學(xué)者采用不同的方法對城市內(nèi)澇模擬進(jìn)行了研究［5-6］。然而，因城市雨洪具有隨機(jī)性和突發(fā)性，導(dǎo)致預(yù)測預(yù)警不夠精準(zhǔn)、內(nèi)澇成因尚不明晰，故無法采取精準(zhǔn)的干預(yù)措施。因此，本文選取杭州西湖區(qū)之江新城為研究區(qū)域，搭建SWMM模型開展城市內(nèi)澇分析，從水量平衡、管道滿載和溢流點(diǎn)等方面，探索城市內(nèi)澇成因。

1 研究方法

1.1 模型介紹

SWMM模型具有免費(fèi)開源和功能全面的特點(diǎn)。模擬輸出具有較好的靈活性，可以跟蹤模擬不同時間步長任意時刻內(nèi)每個子流域所產(chǎn)生徑流的水量水質(zhì)，以及每個管道和河道中水的流量、水深及水質(zhì)等情況。SWMM模型通用性較好，對城市化地區(qū)和非城市化地區(qū)均能進(jìn)行水文水質(zhì)模擬，適用于排水系統(tǒng)相對復(fù)雜的區(qū)域模擬；在有地表信息和地下管道數(shù)據(jù)的情況下，既可對小流域進(jìn)行模擬，也可對較大流域進(jìn)行模擬［7］。基于上述優(yōu)點(diǎn)，SWMM是目前經(jīng)過驗(yàn)證的在國內(nèi)外廣泛應(yīng)用的城市雨洪模型［8-10］。

1.2 計算流程

降雨后，地表-管網(wǎng)-河道水量循環(huán)全生命周期如圖1所示。地表的水會經(jīng)雨水箅子或雨水井點(diǎn)排入管網(wǎng)。當(dāng)管網(wǎng)中的水滿載，達(dá)到其承載能力時，一部分水會溢流再次進(jìn)入地表，還有一部分水會經(jīng)過出口排至河道。但是，當(dāng)管網(wǎng)出口為淹沒出流時，管網(wǎng)中的水因受河道頂托作用無法排出，河道中的水會反流進(jìn)入管網(wǎng)，進(jìn)一步加重了管網(wǎng)中的水溢流至地表，而地表中的水會排入附近的河道，當(dāng)河道中的水超過堤頂高程時，會出現(xiàn)漫堤涌入地表，遇到地勢比較低的地方就會出現(xiàn)內(nèi)澇?；谏鲜龅乃垦h(huán)原理分析，梳理模型計算主要流程見圖2。

根據(jù)SWMM模型特點(diǎn)，選擇合適的模塊對雨洪進(jìn)行模擬，主要包括降雨模塊、地表徑流模塊、管網(wǎng)匯流模塊（圖3）。模型計算時，將河道概化為管網(wǎng)，通過設(shè)置不同的斷面形狀，采用管網(wǎng)匯流模塊進(jìn)行河道演進(jìn)計算。

1.3 建模數(shù)據(jù)

模型搭建和參數(shù)率定涉及以下資料：

（1） 降雨資料。包括實(shí)測降雨和設(shè)計暴雨，其中設(shè)計暴雨選用當(dāng)?shù)氐某鞘性O(shè)計暴雨公式，結(jié)合芝加哥雨型進(jìn)行計算。

（2） 排水系統(tǒng)資料。包括雨水管段、雨水節(jié)點(diǎn)，數(shù)據(jù)屬性主要包括長度、管徑（或長與寬）、管道起始端的高程，雨水井或者檢查井深度、地面高程。

（3） 下墊面數(shù)據(jù)。包括土地利用類型、地形數(shù)據(jù)等，用來輔助子匯水區(qū)離散化劃分及其相關(guān)屬性參數(shù)的計算。

（4） 邊界數(shù)據(jù)。主要是排水出口邊界。當(dāng)沒有邊界數(shù)據(jù)時，模型默認(rèn)把排水出口作自由出流處理。

2 實(shí)例應(yīng)用分析

2.1 模擬范圍選取

西湖區(qū)位于杭州市西部，轄區(qū)東西最大距離17.54 km，南北最大距離30.88 km，總面積312 km2。西湖區(qū)轄北山、西溪、靈隱、翠苑、文新、古蕩、轉(zhuǎn)塘、留下、蔣村、西湖10個街道（其中西湖街道由西湖風(fēng)景名勝區(qū)托管）和三墩、雙浦2個鎮(zhèn)。轄區(qū)內(nèi)有西山國家森林公園、西泠印社、之江國家旅游度假區(qū)等知名景區(qū)景點(diǎn)；是國家級園區(qū)集聚區(qū)，包括之江國家旅游度假區(qū)、國家高新技術(shù)開發(fā)區(qū)（江北區(qū)塊）、浙大國家大學(xué)科技園、中國美院國家大學(xué)科技園、西溪國家濕地公園和西山國家森林公園。

之江新城屬于西湖區(qū)的一部分，由于該區(qū)域處于同一匯水區(qū)且收集到的管網(wǎng)數(shù)據(jù)較完整，因此本研究選取以之江路、之浦路、云河路、繞城高速為邊界范圍的之江新城區(qū)域進(jìn)行管網(wǎng)模型搭建，如圖4所示。

2.2 模型參數(shù)率定

SWMM模型的參數(shù)主要分為產(chǎn)流過程參數(shù)、匯流過程參數(shù)兩類。產(chǎn)流模塊率定的參數(shù)包括地表洼蓄量、入滲模型參數(shù)，其中入滲模型采用Horton滲透模型。匯流模塊率定的參數(shù)包括曼寧粗糙率。依據(jù)SWMM模型參數(shù)選取參考文獻(xiàn)報道的經(jīng)驗(yàn)值以及研究區(qū)域地表特征來確定率定的參數(shù)。因收集到的水雨情數(shù)據(jù)有限，本次模型率定采取現(xiàn)場調(diào)查的內(nèi)澇位置、內(nèi)澇時間、內(nèi)澇深度，與模型模擬結(jié)果進(jìn)行對比驗(yàn)證，從而率定相關(guān)模型參數(shù)。具體數(shù)值見表1。

其他參數(shù)根據(jù)實(shí)際情況計算得到，如子匯水區(qū)不透水率，根據(jù)研究區(qū)域的影像圖和地類分布采用下式計算：

不透水率=1-（A×0.8+B×0.85+C×0.1+D×0.12+E×0.6）/（A+B+C+D+E）

式中：A為水系面積；B為綠地面積；C為道路面積；D為建筑面積；E為裸地面積。

根據(jù)收集到的管網(wǎng)數(shù)據(jù)對雨水井屬性（包括節(jié)點(diǎn)高程及地面標(biāo)高）和雨水管道屬性（包括管徑及管道坡度）進(jìn)行參數(shù)賦值。

2.3 模擬結(jié)果分析

選取了2021年3月19日研究區(qū)典型場次降雨作為模型計算場景，以通過模擬方法展現(xiàn)暴雨內(nèi)澇特征，分析暴雨徑流排放、管網(wǎng)態(tài)勢，辨識區(qū)域內(nèi)澇問題的成因。

2.3.1 水量平衡分析

根據(jù)2021年3月19日降雨的模擬結(jié)果，由水量變化可看出，因城市化進(jìn)程的加快，使之江新城下墊面不斷改變，不透水面積增加，73.2%降水量形成了地表徑流，導(dǎo)致城市內(nèi)澇形勢嚴(yán)峻。作為城市收納雨水的重要對象——地下雨水管道，經(jīng)模擬進(jìn)入管道的水量中，48.2%的水量經(jīng)管道直接排入河道，37.3%的水量從雨水井溢流，剩余的水量保留在管道中（表2）。

2.3.2 管道滿載分析

根據(jù)2021年3月19日降雨模擬結(jié)果，挑選雨峰時刻進(jìn)行雨水管道滿載情況分析，如圖5所示。從圖5中可看出，約1/2的管道已經(jīng)滿管，意味著雨水井的蓄水能力逐漸變小，當(dāng)達(dá)到其最大深度，即會出現(xiàn)溢流情況。

2.3.3 溢流點(diǎn)分析

根據(jù)2021年3月19日降雨模擬結(jié)果，發(fā)現(xiàn)1 375 個雨水井點(diǎn)中有209個井點(diǎn)溢流，達(dá)到15.2%，如圖6紅色圓點(diǎn)所示。

2.4 內(nèi)澇成因分析

根據(jù)模擬結(jié)果分析得出該區(qū)域內(nèi)澇成因主要包括以下幾個方面：① 因不透水面積增加，短歷時強(qiáng)降雨大部分變?yōu)榈乇韽搅鳎虎?內(nèi)河水位高導(dǎo)致管道淹沒出流，排入管網(wǎng)的水只有接近50%最終流入河道；③ 河道未按照規(guī)劃實(shí)施，導(dǎo)致水網(wǎng)不連通；④ 管道出口附近沒有河道，使得管道雨水無序散排，不能就近排入河道，造成積水；⑤ 有近50%的雨水管出現(xiàn)滿管情況，設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)不足。

通過對西湖區(qū)防洪規(guī)劃的深入了解，得出內(nèi)澇主要是以下幾個方面導(dǎo)致。

（1） 城市化給城區(qū)排澇帶來不利影響。隨著城市化進(jìn)程加快，原來部分河道水面被填埋，魚塘與農(nóng)作物種植區(qū)轉(zhuǎn)變?yōu)槌鞘薪ㄔO(shè)用地，調(diào)蓄容積減少。另一方面，由于城市道路、公建設(shè)施、居民住宅密集，地面硬化率較高，城市下墊面降雨匯流特性發(fā)生了變化，產(chǎn)流時間縮短、產(chǎn)流量增加等諸多方面均增加了城市內(nèi)澇的風(fēng)險。

（2） 城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)降低了原有河道的排水能力。城區(qū)河道交叉建筑物多，部分道路建設(shè)時將原有的排水通道僅用一個小涵洞代替，建橋時大規(guī)?？s窄河道斷面，或在河道中設(shè)置阻水橋墩，造成橋涵阻水嚴(yán)重，限制和削弱了輸水能力，也制約著排澇閘排水能力的正常發(fā)揮，使原有的排水骨干河道網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)在城市建設(shè)中支離破碎，無法發(fā)揮正常的排水作用。

由此可見，根據(jù)模擬結(jié)果與基于城市規(guī)劃得到的內(nèi)澇成因分析是基本吻合的，說明可將該項(xiàng)研究用于城市內(nèi)澇預(yù)測預(yù)警中，進(jìn)而提高城市內(nèi)澇風(fēng)險管理水平。

2.5 合理化建議

針對內(nèi)澇形成原因，堅持以問題導(dǎo)向?yàn)樵瓌t，建議從以下幾個方面治理：① 增加綠化面積，提高透水率；② 根據(jù)氣象預(yù)報降雨，做好河道水位調(diào)控，合理降低水位，減少因河道頂托使管道出口排水不暢問題；③ 嚴(yán)格按照規(guī)劃實(shí)施河道治理，增加水網(wǎng)的連通性；④ 增加人工河道，確保管道出口，能將雨水就近排入河道；⑤ 雨水管網(wǎng)改造，增加管道的蓄水量；⑥ 根據(jù)城鎮(zhèn)規(guī)劃布局、地形，結(jié)合豎向規(guī)劃和城鎮(zhèn)受納水體位置，按照就近分散、自流排放的原則進(jìn)行匯水區(qū)劃分和系統(tǒng)布局。

3 結(jié) 語

本研究旨在將SWMM模型應(yīng)用到城市內(nèi)澇模擬分析中，通過水量平衡、管道滿載和溢流點(diǎn)分析，得出研究區(qū)域內(nèi)澇形成的原因，并提出了相應(yīng)的合理化建議，為城市內(nèi)澇治理提供了一條可供參考的方法。但是，由于所收集的典型降雨過程數(shù)據(jù)有限，因此今后還需要進(jìn)行更深入的研究和驗(yàn)證，以確保城市內(nèi)澇模擬分析的精準(zhǔn)度和可靠性。

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（編輯：江 文）

Cause analysis of urban waterlogging based on SWMM model

DING Qingyun1，XI Xuefei2

（1.Zhejiang Water Conservancy and Hydropower Technical Advisory Center，Hangzhou 310020，China； 2.Zhejiang Dayu Information Technology Limited Company，Hangzhou 310020，China）

Abstract： In order to explore the causes of urban waterlogging，the formation mechanism of urban waterlogging and the load capacity of drainage system，Zhijiang New Town of Hangzhou West Lake District was selected as the research object.Taking the typical rainfall in the study area on March 19，2021 as an example，the SWMM model was used to simulate the waterlogging，and the water balance，pipeline full load and overflow point were analyzed.The results showed that 73.2% of precipitation can generate the surface runoff，48.2% of water entering the pipeline was discharged directly into the river through the pipeline，37.3% of the water overflowed from the rainwater well，and the remaining water was retained in the pipeline.50% of the pipe was full，and 15.2% of the well point was overflowed.The results indicated that increased production flow due to the change of the underlying surface of the city and the insufficient capacity of the urban drainage system caused the risk of urban waterlogging.

Key words： urban waterlogging； SWMM model； water balance； drainage system

收稿日期：2023-10-13

作者簡介：丁青云，男，碩士，主要從事水文學(xué)及水資源研究工作。E-mail：dqy0505@qq.com