基于城市雨洪模型的地表匯流方式選擇
----以鄭州市為例

李 東，薦圣淇，張 穎，胡彩虹

(鄭州大學水利與環境學院，鄭州 450001)

城市大規模的擴張，使城市下墊面透水性能大大降低，減少了雨水向地下入滲，導致峰現時間提前，匯流速度加快，徑流量明顯增大，因此引起城市防洪能力下降，導致城市洪澇災害發生次數不斷增加，且危害等級呈不斷提高趨勢[1-3]。2016年7月武漢發生了特大暴雨，導致城區各處路段被淹，嚴重威脅著人民群眾的生命財產安全，給國家的經濟帶來了巨大的損失。近幾年，城市內澇現象日益頻繁，暴雨滯水時間長、深度大、波及范圍廣等特點，給城市居民生活帶來了極大的不便和安全隱患。

近年來，鄭州市極端天氣頻發，短時間、突發性的局部地區暴雨災害發生的頻率較高，由此造成的內澇災害危險性極大，因此在城市建設過程中必須注重城市洪水的模擬，提前做好相關預報工作，增強城市的防洪能力。然而，城市洪水模擬過程是一個復雜且不確定的過程，只是用簡單的運算方法是不能對城市洪水過程進行真實的模擬，諸多研究表明，傳統的水動力學算法計算繁瑣，條件要求復雜，在實際應用中較難實，只依靠水文學方法計算雖然較為簡單，但是物理機制卻不明晰[4-9]。因而，探索有效降低城市內澇災害風險的新型城市雨洪管理模式就顯得尤為重要[10]。其中SWMM模型在城市雨洪管理中應用較為廣泛，在基于SWMM模型的城市雨洪管理研究中，大部分特征參數設置已經頗為成熟[11,12]，但對于匯水區地表匯流方式模式的選擇對城市雨洪模擬結果影響的研究甚少。城市雨洪管理模型地表匯流方式的選擇是模擬降水在地表徑流流經路徑的選擇，選擇合理的地表匯流方式可以提高模型模擬結果的精度。趙冬泉分析了子匯水區劃分的程度以及流經路徑模擬結果的影響，結果表明子匯水區劃分程度和流經路徑的不同，對模擬結果的時間過程曲線有較大的影響[13]。

目前，由于對城市雨洪管理模型中的地表匯流方式的研究不足, 不同地表匯流方式的選擇對模擬結果的影響往往會被忽視。本文以鄭州市為研究區域，根據鄭州市的遙感影像和城市管網等數據，構建了子匯水區為2200個的鄭州市雨洪管理模型，通過在SWMM模型匯水模塊中設置不同的地表匯流方式，分析了不同匯流方式的選擇對城市雨洪管理模型的模擬結果的影響。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

鄭州位于河南省中部，西南方向地勢較高，而東北方向地勢較低，城市西部與東部地面的自然高差達到30多米。鄭州屬于北溫帶大陸季風氣候，冷暖氣團交替頻繁，年平均降水量為635.6 mm，汛期集中于每年的7月到9月，汛期降雨量占全年總降雨量的60%～70%。鄭州市水系屬于黃河水系(見圖1)，該城區雨水的排放，主要是就近排入河道，城區內的雨水分別從賈魯河、金水河、索須河、魏河、東風渠、七里河、熊兒河等河道匯入賈魯河后，排出市外(中牟站)。鄭州市區面積1 010 km2，本次研究范圍為鄭州市繞城高速環繞的建成區部分，面積約550 km2。

圖1 鄭州市區水系圖Fig.1 Water system map of Zhengzhou City

1.2 降雨資料

本次研究的目的是針對鄭州市區的具體情況，構建城市暴雨洪水模型，模擬鄭州市在不同匯流情況下的徑流情況。因此，對于實測降雨資料的選擇應以滿足模型的功能性為主，降雨資料主要選擇短歷時的大暴雨。本研究選取降雨徑流序列范圍為2010-2014年，選取3場短歷時暴雨，分別為20110726、20120707、20120827，由于SWMM模型輸入格式為降雨強度，因此將收集到的降雨量數據整理成降雨強度，其中降雨強度20120827>20110726>20120707。

1.3 SWMM原理

SWMM模型是一個基于水動力學的降水-徑流模型，主要用于城市某一單一降水事件或長期的水量和水質模擬[14]。SWMM模型主要包括降雨模塊、地表產流模塊、地表匯流模塊和管網匯流模塊。

(1)降雨模塊。SWMM模型的主要輸入變量是降雨，輸入的降雨可以為不同重現期的設計降雨，也可以為實測降雨資料，還可以為雷達測雨數據。

(2)地表產流模塊。當降雨落到地面以后，需要計算產流量，不同下墊面的產流量具有不同的計算方式。按照透水性不同將各子匯水區分成不透水區面積和透水區面積兩部分。其中不透水區面積又將其分為有洼蓄量不透水區面積、無洼蓄量不透水區面積。

(3)地表匯流模塊。將各個子匯水區的凈雨過程轉化為子匯水區的出流過程即為SWMM模型的地表匯流模塊，通過將三種不同的下墊面，即有洼蓄不透水地面、無洼蓄不透水地面和透水地面近似處理為非線性水庫。

(4)管網匯流模塊。降雨流經各子流域地表后，匯入人工水溝及管道中，采用圣維南方程計算排水管網的匯流，考慮到水流方式的復雜程度，本次模型選擇動力波進行求解。

1.4 排水管網的概化及子匯水區的劃分

城市排水管網主要包括雨水口、管道、檢查井、雨水泵站、排放口等幾個部分，城市排水管網深埋于地下，管道布置復雜，整體概化管網會給模型帶來較大的誤差。因此需要將實際的管網簡化為管網模型，使管網數據能夠更加符合模型的所需，在保證真實準確和科學性的情況下，通常采取以下措施：

(1)不合并道路兩側的平行管線，在模型中設置雙排管道，以及只保留管徑在200 mm以上的管段，其他的略去；

(2)由于本次模擬的研究區域較大，小尺寸的管線數量多，為了減少模型計算的誤差，一般只保留雨水主干管道和干管線；

(3)模型的節點設置，一般除了在雨水檢查井處設置節點，當管段的管長超過2 000 m或管線的轉角超過60°時也應該增設節點，以增加相應管段。

子匯水區的劃分通常遵循地形、地貌特征、管網布局及雨水就近排放的原則，首先根據鄭州市的實際地表匯流情況將城區整個匯水區劃分為若干個小的子匯水區；再確定各個子匯水區上地表徑流的流經路徑，建立子匯水區與周圍其他子匯水區或管網節點的相應關系。其劃分主要遵循以下的原則：

(1)根據鄭州市的地形資料，匯流方向由研究區的坡度進行確定；

(2)依據鄭州市區的建筑物分布、道路和河流水系情況，劃分各個子匯水區，再結合道路的檢查井的位置采用泰森多邊形法進行細分子匯水區；

(3)子匯水區徑流就近匯入管網節點(檢查井)或匯入鄰近子匯水區。

1.5 模型參數的選擇

劉興坡[15]對SWMM模型中的水文參數的靈敏度進行分析，研究表明：各參數的靈敏度在不同的情景下排序不同，對徑流過程影響最敏感的參數是子匯水區不透水面積比例，然后是不透水區洼蓄量、管道曼寧粗糙系數子匯水區面積、特征寬度、不透水區粗糙系數、平均坡度、初始入滲率、透水區洼蓄量、透水區粗糙系數、無洼蓄不透水面積比例、衰減常數和穩定入滲率。

本次研究中，子匯水區透水面積比例根據遙感數據已經確定，子匯水區面積和坡度根據GIS已確定，特征寬度的計算方法采用周毅[16]對漫流寬度計算研究中的方法，其他參數取值見表1。

表1 參數取值Tab.1 Parameter values

本次模型參數驗證采用Nash-Sutcliff確定性系數NS表示，首先設置河道的初始流量為零，與中牟站實測流量進行對比時，通過計算得出，實測流量與模擬流量的NS達到0.8以上，其他各誤差分析均符合國家標準。

1.6 匯流方式

本研究采用SWMM模型，根據地面的透水性質將匯水區分成可滲透子匯水區和不可滲透子匯水區，并通過Subarea Routing匯流方式來標識各子區之間的流經路徑[17]。SWMM模型中匯水區的地表匯流方式分別為PERVIOUS、 IMPERVIOUS和OUTLET[18]。PERVIOUS指兩個子區之間的坡面徑流由不可滲透區流向可滲透區；IMPERVIOUS指兩個子區之間的坡面徑流的流動是由可滲透區流向不可滲透區；OUTLET不可滲透區和可滲透區產生的徑流均直接流向匯水節點。

當子匯水區的地表匯流方式選用PERVIOUS模式時，模型演算面積比(Percent Routed)可較好地表征子匯水區內有效不可滲透區和非有效不可滲透區的比例。鄭州市區人口密度大，建筑物密集，地表不透水率較大，不可滲透區高度集中，其不可滲透區域大多直接由不透水溝渠和雨水檢查井匯入管網，最后排入河道，少數不透水區徑流則經透水區域匯入管網或河道，故其不可滲透區要以有效不可滲透區為主。當子匯水區的地表匯流方式選用PERVIOUS時，模型演算面積比一般選擇15%，當子匯水區的地表匯流方式選用IMPERVIOUS和OUTLET時，模型演算面積比一般選擇默認的100%。

2 結果分析

2.1 管網概化及子匯水區劃分結果

根據鄭州市區現狀和規劃管網情況，依據排水管網的空間拓撲關系，對鄭州市區的排水管網進行概化。將鄭州市區管網概化結果為2 431個節點，2 451條管段，其中道路與管網雙層管網1 083條。鄭州市排水系統概化結果見圖2。

本文根據鄭州市的管網布設情況，基于子匯水區概化原則，劃分的子匯水區既要滿足模型模擬精度，又要保證劃分子匯水區的簡易性，。因此經過綜合分析，把面積為550 km2的研究區劃分為2 200個子匯水區(見圖3)。

2.2 匯流方式模擬結果

本次研究采用SWMM模型中的PERVIOUS、 IMPERVIOUS和OUTLET三種地表匯流方式對鄭州市暴雨洪水過程進行模擬，采用20110726，20120707，20120827三場短歷時暴雨對應的實測流量數據與模型模擬的徑流過程進行對比分析，結果如圖4所示。

圖4 實測流量數據與模型模擬的徑流過程Fig.4 Data of measured flow and model simulated runoff process

當SWMM模型中的地表匯流方式選擇OUTLET時，模擬的徑流過程和洪峰流量比實測值明顯偏高，這三場暴雨的洪峰流量相對誤差分別為8.2%，11.2%，6.8%，OUTLET匯流方式將所有不可滲透區均當做與排水系統直接相連的有效不可滲透區處理，而忽略了非有效不可滲透區的存在，非有效不可滲透區域徑流匯流時通常流經多處可滲透區域，這個匯流過程往往伴隨大面積下滲，因此OUTLET匯流演算方式模擬的結果與實測結果存在較大的差異。

當SWMM模型中的地表匯流方式選擇PERVIOUS時，模擬的徑流過程和洪峰流量與實測的結果差異較小，這三場暴雨的洪峰流量相對誤差分別為1.9%，2.8%，2.1%，主要表現在暴雨強度選取不同，模擬的結果與實測的結果存在差異。當選擇高強度短歷時暴雨模擬時，模擬得到的洪峰流量和洪水過程往往大于實測值；當選擇低強度短歷時暴雨模擬時，洪峰流量和洪水過程往往小于實測值。

當SWMM模型中的地表匯流方式的選擇IMPERVIOUS時，IMPERVIOUS和OUTLET匯流方式下模擬的徑流過程和洪峰流量相差甚少，但相比PERVIOUS模式下的模擬結果和實測結果存在較大的差異。

3 結 論

本文基于鄭州市的實測降雨數據，在子匯水區劃分為2 200個的情況下，通過在SWMM模型的匯水模塊中設置OUTLET，IMPERVIOUS，PERVIOUS 3種地表匯流方式，定量分析了地表匯流方式對鄭州市徑流過程和洪峰流量的影響。結果表明：

(1)應用SWMM模型，針對鄭州市現有和規劃的城市排水管網系統，當子匯水區數量劃分為2 200個時較適合鄭州市實際狀況。

(2)當SWMM模型中的地表匯流方式選擇IMPERVIOU和OUTLET時，匯水區地表徑流的模擬結果相似，但相比Perviou模式下的模擬結果和實測結果明顯偏大。

(3)當SWMM模型中的地表匯流方式的選擇PERVIOUS時，匯水區地表徑流的模擬結果與實測結果存在較小的差異。因此，鄭州市地表匯流方式的選擇PERVIOUS進行模擬較為合理。

(4)由于本次模擬過程中所需要的數據資料條件有限，資料的不完整性導致模型模擬精度偏低，故應搜集更加詳細準確的數據資料進一步驗證。

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