基于SWMM模型的大理市山地公園子匯水區雨洪特征分析

盧垚　楊茗琪

摘要 選取大理市下關組團5例山地公園的56例子匯水區為研究樣本，通過SWMM5.1軟件建立研究樣本的雨洪管理模型。模擬025、1、3、5、10 a 5種不同降雨重現期下的徑流排放過程，對G型、H型、C型3類子匯水分區的地表產流、徑流峰值、徑流系數進行對比分析。以研究樣本現狀雨洪特征為依據，為今后集雨型設施提供相應設計策略。

關鍵詞 大理市;山地公園;SWMM模型;子匯水區

中圖分類號 TU984文獻標識碼 A文章編號 0517-6611（2020）13-0202-05

Abstract 56 cases of watersheds in 5 mountain parks in the Xiaguan Group of Dali City were selected as the research samples， and the rainwater management model of the research samples was established by using SWMM5.1 software. Simulations were performed on 0.25， 1， 3， 5， and 10 a. The runoff discharge process were designed during five rainfall recurrence period， and the surface runoff，runoff peak，and runoff coefficient of G，H，C，and 3 subcatchment subregions were compared. Based on the research sample current rainfall characteristics， the research provided corresponding design strategies for future raincollection facilities.

Key words Dali City;Mountain Park;SWMM model;Subcatchment area

過度城市化致使大量原生環境被破壞，硬質化地表面積增大，使得雨水無法下滲至土壤層回補地下水，并超過城市排水管網負荷，在短時間內形成大量地表徑流，引發洪澇災害[1];山地城市因其特殊的山地環境，降雨徑流量通常區別于平原城市[2]。大理市作為山地城市的代表，同時也處于城市化高度擴張的階段，與國內多數城市現狀[3-5]類似，因為傳統“快排”模式破壞了原有生態系統，導致內澇時常發生，雨水徑流污染加劇。筆者通過SWMM5.1軟件建立山地城市公園雨洪管理模型，并對現狀地表徑流場景進行模擬分析。

1 研究區概況及樣本選擇

1.1研究區概況

大理市位于云南省滇西中部，為典型的亞熱帶高原季風氣候[6]，降雨量年際變化相對明顯，雨季于6月下旬末開始，降雨集中于主汛期7～8月，對城市內澇造成壓力。大理市是典型的山地城市，山地面積占67.27%，部分公園綠地修建于山地之上，具有較強的典型性。

1.2 研究樣本的選擇

以大理市下關組團為研究區域，選取組團內5例山地公園作為研究樣本，樣本面積為2～58 hm2。平均坡度以平緩坡和陡坡為主，坡度從2°到29°不等。5例山地公園在規模、坡度分布上均具備典型性。其中，洱海公園占地面積57.79 hm2，平均坡度為3°～29°，水體面積0.1 hm2;雄風塔公園占地面積7.96 hm2，平均坡度為7°～21°，無水體;龍山公園占地面積8.95 hm2，平均坡度為3°～17°，水體面積0.02 hm2;明珠公園占地面積8.78 hm2，平均坡度為2°～10°，無水體;文廟公園占地面積2.62 hm2，平均坡度為3°～14°，無水體。

2 子匯水區劃分及分類

2.1 子匯水區劃分原則

對于構建合理的雨洪管理模型，對5例公園進行子匯水分區，成為其中的核心步驟之一，且劃分時應遵循以下4項原則[7]：①匯流方向應依據現狀地形坡度確定，且各子匯水區的地表徑流和排水系統在地形上僅有唯一的匯流出口。②子匯水區的邊界劃分通常以研究區實際的高程分界點、地形脊線、排水管網、園路等因素作為劃分依據。③若子匯水區中存在鋪裝場地，一般而言包括1～2處場地空間，應充分結合場地的實際情況，其面積從幾百平方米到幾公頃不等。④若匯水區均為綠地，無場地空間，且考慮到綠地相對其他類型下墊面產流量相對偏低。為了便于對比各子匯水區間徑流特征的差異，通常劃分規模從幾千平方米到幾公頃不等。

2.2 子匯水區分類

按上述劃分原則將研究的公園樣本總共劃分為56個子匯水區。基于其下墊面類型、坡度、匯流出口、不透水率等要素差異，將56例子匯水區劃分為3類，分別為G型（綠地型）、H型（混合型）和C型（場地型）。其中，G型下墊面以綠地為主，無鋪裝場地，硬質不透水率小于15%，匯流出口在園路或水體，共計31例，平均坡度為10°～15°，面積為1 000～74 000 m2;H型下墊面由硬質鋪裝、場地、綠地或水體組成，硬質不透水率小于50%，匯流出口在場地、園路或水體，共計22例，平均坡度為3°～12°，面積為2 000～41 000 m2;C型下墊面以場地為主，硬質不透水率大于90%，匯流出口在場地，共計3例，平均坡度為5°～8°，面積4 000～8 000 m2（表1）。

3 SWMM產流分析模型的構建

利用SWMM模型平臺，基于公園地形特征、排水設施分布進行匯水分區布局[8-9]。按照子匯水分區劃分原則，將5個公園的56例子匯水區在SWMM平臺上進行劃分界定，并依據現狀資料布設匯流出口節點及排水系統，完成公園匯水區域概化（圖1）。

4 模擬結果與分析

4.1 現狀地表徑流場景模擬結果

地表徑流模擬結果是反映研究區內下墊面類型對徑流量的影響。理論上，地表徑流量是指降雨量減去蒸發量、地表蓄水量和入滲量以外，經地面匯入河流的雨水[10-11]。基于0.25、1、3、5、10 a不同重現期研究區地表徑流模擬結果見表2。

由表2可知，降雨重現期越大，總降雨量、總徑流量、總入滲量和徑流系數均逐漸增大，但即使降雨強度一直不斷增加，但總蒸發量和總入滲量一直較為穩定。這表明研究區內的地表對降雨徑流的蒸發和入滲能力有限，特別是當重現期P大于1 a時，蒸發和入滲情況基本達到飽和狀態。

年徑流量控制率與降雨強度的關系呈負相關。當重現期為0.25 a時，年徑流量控制率為77.67%。隨著重現期的增大，年徑流量控制率呈緩慢下降趨勢;當重現期為10 a時，年徑流量控制率僅為36.31%。

由表2中0.25、1、3、5、10 a不同降雨重現期下模擬的地表徑流數據可知，降雨量的強度將直接影響地表徑流大小，二者具有較大的關聯性。當重現期P=0.25 a時，總降雨量達到10.243 mm，徑流峰值達到3.3 m3/s;當重現期P=1 a時，總降雨量達到27.164 mm，徑流峰值達到19.5 m3/s;當重現期P=3 a時，總降雨量達到40.568 mm時，徑流峰值達到37 m3/s;當重現期P=5 a時，總降雨量達到46.806 mm，徑流峰值達到47 m3/s;當重現期P=10 a時，總降雨量達到55266 mm，徑流峰值達到59 m3/s。以上數據充分表明，當降雨強度增大時徑流量也呈正相關遞增。5次不同降雨重現期下徑流峰值發生的時間介于70～75 min。

4.2 各類型子匯水區現狀地表徑流模擬結果及分析

通過對比分析，不同重現期下各類型子匯水區地表徑流模擬結果如表3所示。

Note：G.Greenland type;C.Site type;H.Mixed type

4.2.1 地表產流量特征對比分析。

根據不同重現期各類子匯水區的總徑流量（圖2），確定不同重現期可實施徑流管控的主要對象。當P=0.25 a和P=1 a時，G型（綠地型）、H型（混合型）、C型（場地型）子匯水區的單位面積產流呈遞減趨勢。所有樣本中，G型總面積占60%，總徑流量占17%;H型總面積占35%，總徑流量占65%;C型總面積僅占5%，總徑流量為18%。這表明當P=0.25和1 a，H型和C型子匯水區是地表產流量較明顯的類型，同樣也表明在雨洪管理中二者將成為重點管理對象。G型相對于前二者，徑流更易于控制。

隨著重現期的增加，在P=3 a、P=5 a、P=10 a時，C型的的單位面積流量最大，而G型與H型子匯水區產流特征相對均衡。在P=3 a、P=5 a、P=10 a重現期的對比下，G型總徑流量整體上呈遞增趨勢;H型與C型總徑流量整體上均呈遞減趨勢。這表明當P=3 a、P=5 a、P=10 a時G型子匯水區成為雨洪管理的重要類型。

4.2.2 徑流系數對比分析。

不同重現期下對子匯水區的徑流系數進行對比（圖3），顯示出各類子匯水區下墊面對暴雨的截流作用。當P=0.25 a、P=1 a時，通常子匯水區的徑流系數相對恒定，說明此時綠地地表徑流基本下滲。當徑流系數呈現C型>H型>G型的變化特征時，表明當P=3 a、P=5 a、P=10 a時，3類子匯水區雨水截流作用越強，硬質占比越低。

當重現期在P=3 a、P=5 a、P=10 a時，C型的的徑流系數最大，H型和G型系數無明顯差異。隨著重現期的增加，G型的徑流系數從0.136增加到0.377，H型的徑流系數從0505增加到0.711，說明G型和H型子匯水區的下墊面對雨水截流的強弱差異減弱。

4.2.3 徑流峰值特征對比分析。

不同重現期下對子匯水區的徑流峰值進行對比，顯示出各類子匯水區的瞬時流量和發生徑流峰值的時間。當P=0.25 a和P=1 a時，C型、H型、G型子匯水區的徑流峰值呈現由強到弱的趨勢，產生徑流峰值的時間均為65～77 min，徑流峰值出現后產流量逐漸減少。當重現期在P=3 a、P=5 a、P=10 a時，C型的徑流峰值相對其他2種類型達到最大，峰值時間出現在70 min，G型和H型的徑流峰值無明顯差異。

4.3 各類型子匯水區產流影響因素關聯性分析

4.3.1 不透水率因素。

當重現期為P=0.25 a和P=1 a時，不透水率越大，單位面積流量越大，二者存在明顯的正比關系。當不透水率越大，徑流系數也與之也存在正相關。隨著重現期的增加，不透水率與單位面積流量以及與徑流系數之間的正相關關系不及P=0.25 a和P=1 a時顯著。當P=025 a和P=1 a時，不透水率是影響徑流系數和單位面積流量的關鍵因素。

由于G型子匯水區不透水率普遍低于H型和C型，故當P=0.25 a和P=1 a時單位面積流量明顯少于其他2種類型。C型子匯水區分布較為單一，但因下墊面多為硬質鋪裝，不透水率較大，故單位面積流量較大。

4.3.2 面積因素。

各類型子匯水區的平均面積數據G型大于H型和C型，且當子匯水區面積越大，徑流總量與徑流峰值越大，三者存在正相關，并且隨著重現期的增加，正相關關系更為顯著。當G型子匯水區面積平均增加15%，隨重現期的增加，各子匯水區徑流總量約增加1.1%、1.3%、1.6%、23%和5.1%;各子匯水區徑流峰值約增加0.7%、0.9%、13%、2.3%和3.7%。

4.3.3 坡度因素。

當子匯水區坡度越大時，單位面積流量、徑流系數與徑流峰值越小。因為坡度與不透水率二者相關，且呈負相關。通過對比子匯水區參數發現，當坡度越大時，不透水率越小。當子匯水區其他參數不變時，僅坡度參數增加，且隨著重現期的不斷增加，子匯水區總徑流量、徑流系數、徑流峰值也呈顯著增長趨勢。當G型子匯水區平均坡度增加10%～15%，P=0.25 a和P=1 a時產流量略有變化。當P=3 a、P=5 a和P=10 a時，子匯水區總徑流量約增加06%、0.9%和1.7%，徑流系數增加約0.7%、1.3%和2.1%，徑流峰值增加2.7%、3.6%和5.1%。

5 結論與討論

利用SWMM模型建立研究區樣本的雨洪管理模型，模擬了0.25 a、1 a、3 a、5 a、10 a，5種不同設計降雨重現期的降雨徑流情況，并對地表產流、徑流系數、徑流峰值特征進行對比分析。模擬結果顯示：①隨著降雨重現期的增加，總降雨量、總徑流量、總入滲量和徑流系數均逐步增大，但總蒸發量和總入滲量一直較為穩定。此現象表明研究區的地表對降雨徑流的蒸發和入滲能力有限，特別當重現期P大于1 a時，蒸發和入滲情況基本達到飽和狀態。②隨著重現期的增加，C型的單位面積流量最大，G型和H型產流相對均衡。③隨著重現期的增加，G型和H型的下墊面對雨水截流的強弱差異減弱。④隨著重新期的增加，C型的徑流峰值相對其他2種類型達到最大，當峰值時間出現在70 min，G型和H型的徑流峰值無明顯差異。該研究選擇的研究區雖已具備典型山地城市的特征，但由于地形、地質、氣候等影響因素，我國各山地城市及山地公園之間亦存在一定的差異，故該研究結論不完全適用于其他山地城市，今后在山地城市集雨型設施研究中還需因地制宜地進行思考。

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