杭州市重現期暴雨情景下內澇災害空間分布模擬分析

薛豐昌 江健 田娟 張嫣然

引言

在我國城鎮化快速發展及全球氣候變化背景下，極端降水引發的城市內澇時常發生，暴雨內澇成為我國許多城市的主要氣象災害，嚴重影響城市居民生活，進行城市內澇模擬制圖，對于城市管理以及防災減災具有重要意義。

暴雨洪水管理模型（storm water management model，SWMM）由美國環保署（EPA）和加拿大水力計算中心（CHI）共同研發，對城市排水系統有很強的模擬計算功能。黃子千等以北京市樂家花園排水區為研究對象，構建了基于SWMM的城市雨洪管理模型，結果表明SWMM模型對城市排水管網模擬具有良好的適用性；梁汝豪等應用SWMM模型，構建了廣州市獵德涌流域的雨洪模型，模擬了不同城市化程度情境下的地表徑流；曾照洋、張繼權、曹夢然、付超、廖正敏等基于SWMM模型進行了城市暴雨內澇模擬。以上研究表明，SWMM模型是目前應用較為廣泛、具有較好適用性的城市雨洪模擬分析模型，目前在我國缺乏自主研發該類模型的情況下，該模型對于探索城市洪澇數值模擬具有很好的借鑒意義。

利用SWMM模型進行城市雨洪數值模擬需要有較為精細的城市地理空間數據支撐，其中城市排水管網數據是主要制約性數據，一方面在研究工作中很難獲得一個城市的完整排水管網數據，另一方面城市排水管網數據量大，數據瑣碎，數據缺失嚴重，處理形成滿足SWMM建模需要的排水管網數據需要耗費大量人力、物力。

本文探索基于數字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）利用SWMM模型管網模擬建模功能，建立模型化城市排水管網，結合城市地形地貌、土地利用等數據建立杭州市本地化暴雨積澇仿真模擬模型，模擬8種重現期（3年、5年、10年、15年、20年、30年、50年、100年）雨量下的杭州城市內澇地表積水深度和積水空間分布，研究建立降雨風險視角下的城市積澇狀況數值模擬的技術方法。

研究區概況與數據資料

（一）研究區概況

杭州地處東經 118°21′—120°30′、北緯 29°11′—30°33′之間，屬于亞熱帶季風氣候區，四季分明，雨量充沛，年平均降雨量1454毫米左右。5—9月是主汛期，降水量占全年總降水量的58%，其中5—7月上旬是梅汛期，易出現暴雨洪澇，降水量占全年總降水量的31%；7—9月為臺汛期，降水量占全年總降水量的32%，臺汛期杭州東北部易出現臺汛期暴雨洪澇。

（二）數據資料

1.遙感影像數據：分辨率為2m的杭州市主城八區高分一號衛星數據，對數據進行配準、幾何校正和影像拼接，進行土地利用類型提取；

2.數字高程模型（DEM）：杭州市主城八區1:10000比例尺DEM；

3.其他空間數據：杭州市主城八區行政邊界數據、道路數據、水系與水域分布數據、基礎設施數據（交通設施和建筑物）；

4.降水數據：杭州市53個氣象站點近十年逐小時降雨量數據；

5.驗證數據：本文選取2012年6月1日、2013年6月24日、2019年6月19日三個暴雨場次進行結果驗證。

SWMM模型是一個動態的降水—徑流模擬模型，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。基于SWMM模型構建城市內澇仿真模擬模型主要包括4個方面：排水能力模擬模型建立，下墊面水文因子提取，匯水區劃分，模型參數確定。

（一） 排水能力模擬模型建立

排水管網是當前城市地區在降雨期間防洪排澇的重要基礎設施，大部分城市的排水管網由于歸屬不同的管理部門且出于安全性的考慮，往往數據并不完全公開。針對管網資料缺失這一問題，目前城市洪澇模擬中主要采取削減降雨和增大下滲兩種解決方法，這兩種方法均屬于估算方法，準確性較低。

本文基于全域等效排水方法，利用PCSWMM軟件根據地面高程落差，根據水流方向特征生成等效排水管網，其由等效排水管道、等效管網節點、等效匯水井、匯水單元組成，如圖1所示。為進一步提高模擬精度，根據浙江省2014年版《城鎮防澇規劃標準》:浙江省城市建設雨水管網的設計暴雨重現期為3年，對模型模擬出來的等效排水管網數據排水能力以杭州市三年重現期雨量排水能力進行訂正，最終的管網分布狀況如圖2所示。

圖1 等效排水處理單元

圖2 等效排水管網分布

（二）下墊面因子提取

下墊面因子提取主要包括兩部分，即基礎地理信息數據的處理和地表水文因子的處理。基礎地理信息數據包括城市矢量邊界數據，高分辨率遙感影像，道路數據，基礎設施數據，高程數據等。利用高分一號衛星數據進行土地利用類型分類，結果如圖3所示；對DEM進行偽洼地填洼處理，數據提取坡度、坡向以及水流方向等參數，計算基于水流方向的匯流累積量，形成地表水文因子。

圖3 土地利用分類圖

（三）匯水區劃分

匯水區又稱集水區，是指從地表產生徑流匯集至出水口的過程中所流經的地表區域，是SWMM等城市雨洪模型的基本計算單元，劃分方式的不同，會導致暴雨積澇模擬結果的準確性受到相應影響。本文利用杭州主城區的DEM數據，根據地形特征剔除了高程超過60m的山體以及面積較大的水域，在綜合考慮了建筑物、道路、檢查井、排水口等分布狀況下，采用泰森多邊形對研究區進行匯水區劃分，劃分結果如圖4所示。

圖4 匯水區劃分

（四）模型參數確定

GIS結合城市雨洪模型（SWMM）進行城市內澇分析，關鍵工作是模型參數確定。SWMM模型中涉及的參數大致可分為兩類：一類參數可以通過數據屬性直接獲得或者通過GIS手段分析計算取得，如匯水區面積、匯水區平均坡度、匯水區不透水面積等參數；另一類參數需要結合實地情況和調查確定，如透水區曼寧系數、不透水區曼寧系數和最大下滲率等。

依據杭州市土地利用分類結果，以匯水區為基本評價單元，對匯水區內各類地物面積進行加權平均，確定匯水區內的曼寧系數，見表1。最大下滲系數依據土地利用類型的徑流系數確定。

表1 不同土地利用類型的曼寧系數

杭州市暴雨積澇風險模擬

（一）重現期暴雨過程數值模擬

利用SWMM模型進行某一重現期暴雨積澇數值模擬時，研究區暴雨面雨量以及這一雨量的時間離散序列是不可缺少的數據。

1.雨量計算

重現期（CDF)：指在一定雨量記錄資料統計年限內，大于或等于某暴雨強度的降雨出現一次的平均間隔時間，是該暴雨發生頻率的倒數，單位是年。

氣象要素重現期一般以現有觀測數據為基礎，使用數理統計方法，用某種分布方式來擬合歷史觀測氣象要素值，形成氣象要素出現概率P與要素值x的分布曲線，根據某一出現概率P可求得對應的氣象要素值x， 以此方法可求得多年一遇的所對應的氣象要素值。本文采用耿貝爾分布函數，基于杭州市53個自動站近10年降雨觀測數據，計算杭州市8種重現期（3年、5年、10年、15年、20年、30年、50年和100年）下的暴雨雨量。

2.雨型確定

降水的時間離散序列稱之為雨型，根據《浙江省短歷時暴雨》，利用杭州市的歷史降水數據，計算其在100年、50年、30年、20年、15年、10年、5年、3年等8種重現期下的24小時雨型分布。不同重現期下24小時雨型計算結果（以國家氣象站58459為例）如圖5所示。

圖5 不同重現期下的雨量分配情況圖

（二） 重現期暴雨雨量下的積澇數值模擬

1.積水深度

通過對匯水區進行時間序列的設置以及雨量的分配，即將不同重現期下對應的雨量代入排水模型中進行積水擴散，得到多個重現期下的城市積水深度以及暴雨積澇的分布狀況，其結果如圖6所示。

2.空間分布

由圖6（a）可知，當暴雨重現期為5年時，除蕭山區和余杭區積水深度在0.15～0.3米外，其他城區積水基本小于0.15米。隨著重現期的增加，暴雨積澇的情況加劇，暴雨淹沒深度及積水范圍不斷擴大。積澇狀況愈加明顯的區域有：余杭區、蕭山區、江干區、濱江區和下城區，其余三個城區積水深度增幅較緩。

圖6 不同重現期下的積水深度狀況

（三） 結果驗證

降雨具有很強的時空分布不均勻性。即對于一場降雨，同樣的降雨量，研究區內是否存在積澇、積澇發生的地點、積水的深度和范圍都是不確定的。隨著城市建設和環境治理，引發城市內澇的致災雨量也在發生變化，因而模型的驗證存在較大的困難。本文利用統計分析方法，通過對城市內澇個例的調查，將模擬得到的積水深度與實際調查的積水深度做對比，驗證模型準確性。

杭州市暴雨積澇統計數據來源主要包括：（1）相關媒體新聞報道收集到的內澇位置，對比氣象站點監測到的降雨數據，分析對應的積水深度；（2）當地交通部門、防汛抗旱指揮部提供的易澇點相關地理位置信息，以此作為積澇出現位置的參考依據。對于2012年6月1日暴雨場次，據杭州市防汛抗旱指揮部發布的積水分布信息，以錢塘江和道路的位置進行大概的判斷，當地積水狀況與模擬結果幾乎一致，只是未明確給出相應的積水深度；對于2013年6月24日暴雨場次，由于暴雨突發、雨量較大，積水點主要分布在江干區、拱墅區、西湖區和濱江區，多處道路積水深度超過30厘米，對應于10年重現期下的積水分布狀況，其模擬結果與發布信息基本吻合，只是未提及蕭山區和余杭區；對于2019年6月19日暴雨場次，上城區、西湖區北部和濱江區降雨量最多，降雨歷時長達13小時，降雨量上城區117.2毫米，西湖區81.6毫米，濱江區78.2毫米，西湖區龍門嶺159.8毫米，對應重現期為5年。將此暴雨情況與模擬結果進行對比，顯示為濱江區東北區域為0.15～0.30米，其余區域為0～0.15米，結果與新聞報道相對應。

結論

本文利用SWMM模型與GIS技術，研究城市暴雨積澇數值模擬理論與技術方法，以杭州市主城八區為例，基于基礎地理信息數據，構建了杭州市本地化的SWMM模型，并進行參數率定與模型驗證，對杭州市八種重現期下的暴雨內澇狀況進行模擬重現，從統計結果與模擬結果對比來看，本文提出的城市暴雨積澇模擬制圖方法具有一定的合理性和可靠性。