不同重現期下的銀川市金鳳區暴雨徑流模擬研究

侯景偉，孫詩琴

(1.寧夏大學地理科學與規劃學院，寧夏 銀川 750021；2.中煤(西安)地下空間科技發展有限公司，陜西 西安 710199)

隨著城市化進程加快，城市不透水面積大量增加，土地利用性質發生了顯著變化，城市鋪設的部分管網已無法承受強降雨和不透水面積增加帶來的負荷，致使城市地表徑流量增加、洪澇災害頻發[1]。此外，城市內澇發生時，含有固體懸浮物、植物營養物和有毒化學物質等污染物的地表徑流流入城市水體，給居民生活和安全帶來巨大威脅[2]。因此，如何解決城市內澇和水質污染問題是一直是決策者和相關研究人員關注的熱點[3]。

城市內澇和水質污染問題可以借助地理信息系統(geographic information system，GIS)和暴雨洪水管理模型(storm water management model，SWMM)進行可視化地模擬。GIS與流域水文模型有很強的互補性[4]，可以分別從時間特征、空間特征分析城市內澇情況，為城市內澇預警和防災減災[5]提供了可視化的建模工具。Smith等[6]研究發現GIS的克里金插值技術可以準確預測站點未來的降雨量，借助SWMM能辨析空間分布對降雨的影響。Seenu等[7]以印度南部海德拉巴市為研究區，利用GIS技術將SWMM模擬結果可視化，得到洪水時空變化結果及洪水易發區，有助于洪水易發區的管理和治理。Munir等[8]構建GIS、遙感和SWMM的集成系統，預測山洪災害風險，將山洪災害產生的破壞性能量轉換為缺水地區所需能量，并對改善堤壩構造提供可行性意見。趙冬泉等[9]基于GIS和SWMM快速構建城市排水管網模型，準確提取屬性數據并劃分子匯水區，為其他分布式水文模型構建提供借鑒。王慧亮等[10]利用GIS與SWMM耦合構建城市暴雨淹沒分析模型，通過分析鄭州市不同重現期下的節點積水深度分布特點，發現鄭州市排水管網設計標準偏低，積水水深和范圍隨著降雨強度增大而增大，排澇能力有待提高，為鄭州市排水管網建設及雨洪管理提供了指導性建議。李智等[11]運用ArcGIS和SWMM分析了山地臨海城市的受災區域內澇成因，并提出在關鍵位置布設泵站可有效緩解排水壓力，為解決城市內澇提供可行性方案。周倩倩等[12]利用SWMM和GIS構建雙層耦合排水系統，實現城市內澇過程的動態化演示，并驗證了系統精度，為城市內澇預警提供科學決策。由此可見，GIS技術在城市暴雨徑流模擬中能夠進行數據處理和模擬結果的可視化工作，與SWMM集成構成的城市內澇風險預測耦合系統可以達到防洪減災和災害預警的目標[13]。

本文以銀川市金鳳區中部為研究對象，利用GIS和SWMM模型模擬和評估不同重現期下的匯水區徑流、節點溢流、管網最大滿流深度、管網超載、最大積水深度和積水時間以及內澇風險，旨在為城市內澇風險評估和防治、管網規劃和維護、海綿城市建設提供參考依據。

1 研究區概況和數據收集

本文選擇寧夏銀川市金鳳區中部為研究區(圖1a)。該區地處東經106°12′38″ ～ 106°14′48″、北緯38°28′49″ ～ 38°29′55″，位于親水大街以東，賀蘭山中路以南，正源北街以西，北京中路以北，占地面積約547.74 hm2。氣候屬于溫帶大陸性氣候，年均蒸發量約1 170 mm，年均降雨量僅186.7 mm。土地利用類型包括居民區、工業用地、農場、道路、綠地、水體、未利用地、停車場、廣場等(圖1b)。地形相對平坦，地勢東南高、西北低，海拔高度介于1 092～ 1 114 m。研究表明，研究區近年來降雨量逐年增加，降雨分布不均，自然災害頻發[14-15]。

a)DEM

研究區基礎數據主要包括不同重現期下設計降雨數據、比例尺為1∶10 000和分辨率為5 m的數字高程模型(DEM)、土地利用矢量數據、排水管網矢量數據(表1)。排水管網矢量數據主要包含管線、節點和出水口，其中管線屬性信息包含名稱、長度、起始節點名稱、終止節點名稱；節點屬性信息包含名稱、坐標和高程；出水口屬性信息包含名稱、坐標和高程。所有數據統一采用WGS_1984_Transverse_Mercator投影坐標系。

表1 研究區基礎數據概況

2 模型構建

SWMM是由美國環境保護署提出的一種動態的降雨-徑流模擬模型[16]，可以模擬完整的城市降雨徑流和污染物運動過程，包括地表徑流和排水系統中的水流、雨洪的調蓄處理過程、水質影響評價[17-20]。

2.1 匯水區概化

由于研究區范圍較小、管網走向簡單且流向明確，因此根據管網走向、建筑物分布在ArcGIS中進行子匯水區概化(圖2a)[21]。圖2a中的部分雨水管線位于研究區的外側，為了保證利用SWMM模擬管網時的水量平衡，把區域外管線所在道路區域納入研究區，考慮將賀蘭山中路、北京中路和正源北街的雨水徑流匯入管網；剔除出水口附近區域匯入管線的徑流。然后對構建的管網進行管網平差，確保使區域管網水量平衡。圖2b展示了研究區管網分布情況，共有管線51條，節點32個，出水口1個。在ArcGIS 10.2中計算匯水區的不透水面積百分比、特征寬度、坡度和拐點坐標，然后導出為TXT文檔形式輸入SWMM。

a)子匯水區概化

2.2 芝加哥雨型設計暴雨

由于芝加哥雨型[22]對短歷時降雨有較高的模擬精度，既可以融合當地的降雨特性，又可以簡化研究過程[23]，因此，本研究采用芝加哥雨型[24-25]模擬銀川市新城區海綿城市示范區的暴雨強度。銀川市暴雨強度公式為：

(1)

式中q——歷時t時間內的暴雨強度，mm/min；P——降雨重現期，a；t——降雨歷時，min。

研究區不同重現期下的降雨過程見圖3。

圖3 不同重現期下的降雨強度

2.3 模型參數率定

本文參考劉興坡等[26]提出的基于徑流系數的城市降雨模型參數校準方法，通過對比城市綜合徑流系數經驗值和SWMM模型模擬得到的模擬徑流系數，對SWMM模型中的經驗參數進行率定。 SWMM模型模擬所得徑流系數值由各子匯水區徑流系數加權平均得到。城市管網設計中的綜合徑流系數參考GB 50014—2006《室外排水設計規范》(表2)。

表2 城市綜合徑流系數經驗值

經驗參數校準過程如下。

a)根據GB 50014—2006《室外排水設計規范》，本研究的降雨重現期設置為3、5、10 a?；谥ゼ痈缬晷头謩e模擬重現期P=1、2、 3 a的降雨過程，將所得模擬結果輸入SWMM模型。

b)利用SWMM模型模擬重現期P=2 a時的各子匯水區的徑流系數，進行加權平均得到模擬徑流系數值，與綜合徑流系數值比較，將子匯水區的經驗參數視為待校準參數，對待校準參數進行逐步迭代，獲得滿足要求的經驗參數校準集。由于綜合徑流系數為區間值，所以滿足要求的參數校準集并不是唯一解，而是包含多組解的集合，稱為“滿意解”。

c)利用SWMM模型模擬重現期P=1、3 a的降雨過程，設置降雨時間間隔為5 min，降雨歷時2 h，峰值比例為0.475，對參數校準集進行率定[20]，得到重現期P=1 a條件下的模擬徑流系數為0.642，重現期P=3 a條件下的模擬徑流系數為0.707。以上結果說明，經過率定后的參數在重現期為P=1、3 a條件下有較好的穩健性，證明該參數校準集具有合理性。

基于綜合徑流系數法對SWMM模型參數經過10次迭代，發現從第5次開始到第10次的模型參數值沒有變化，因此第5次迭代便得到模型參數的最優值。表3列出了前5次迭代的SWMM模型參數率定過程。最優的參數組合如下：不滲透曼寧系數為0.012，滲透曼寧系數為0.1，不滲透面積洼地蓄水量為0.5 mm，滲透面積洼地蓄水量為2.0 mm，最大入滲率為10.00%，最小入滲率為0.80%，衰減常數為4。

表3 基于綜合徑流系數法的SWMM模型參數率定過程

3 結果及分析

3.1 不同重現期下的子匯水區徑流模擬

運行SWMM模型，分別得到重現期P=3、 5、10 a下的產匯流結果(表4)。隨著重現期的增加，總降雨量、地表蓄水量、地表徑流量、徑流系數均隨之增加，入滲量隨重現期增加逐漸增加，但是增量很小，說明降雨量只是影響下滲量的因素之一，在不同降雨重現期下，經過一段降雨歷時后，土壤含水量達到飽和，土壤的入滲量趨于零。地表徑流量的增幅最大，地表蓄水量增幅次之，徑流系數隨地表徑流量的增加而緩慢增加。徑流系數相對較高，說明該區域城市化程度較高，綠化面積不大，低影響開發設施相對較少，從而增加了徑流系數，不利于緩解城市熱島效應。地表徑流增幅最大的原因是城市綠化面積減少，道路和建筑物面積增加，地表水下滲減少，地表徑流比重增加；另外，隨著降雨量增加，地面超滲導致地表徑流增大。

表4 研究區不同重現期下的產匯流結果

3.2 節點溢流評估

利用SWMM模型模擬重現期P=3、5、10 a下的節點積水狀況。從模擬生成的報告中可得到不同重現期下易發生溢流的節點、節點最大溢流速率、溢流時間、總溢流量和積水深度。本文選擇節點最大溢流速率、溢流時間、總溢流量進行節點溢流評估。

將不同重現期下的積水節點溢流速率、積水節點溢流時間和積水節點溢流量在ArcGIS 10.2中進行可視化顯示。圖4a—4c分別顯示了P=3、5、10 a下積水節點溢流速率的空間分布，圖4d—4f分別顯示了P=3、5、10 a下積水節點溢流時間的空間分布，圖4g—4i分別顯示了P=3、5、10 a下積水節點溢流量的空間分布。

a)溢流速率(P=3 a)

節點J8、J14、J32、J33的最大溢流速率隨重現期增加而增加。節點J31的最大溢流速率隨著重現期增加先增加后逐漸減小，J29和J30的最大溢流速率隨重現期增加先減小后緩慢增加。節點J8、J30、J31、J32的溢流時間隨重現期增加而增加。節點J14的溢流時間隨重現期增加先增加后基本保持不變。節點J29的溢流時間隨重現期增加先減小后增加。節點J8、J29和J30的溢流量隨重現期增加而增加。J14、J32和J33的溢流量隨重現期增加先增加后減少。節點J31的溢流量隨重現期增加而逐漸減少。

g)總溢流量(P=3 a)

5年一遇暴雨重現期下，J33的溢流速率、溢流時間和溢流量都最大，分別為2.6 m3/s、2.1 h和30 000 m3。J31、J32的溢流速率、溢流時間和溢流量較大。這3個節點上下游節點均存在溢流情況，不能快速排出大量雨水導致節點溢流情況較為嚴重。J8和J29這兩處的匯流面積較小，并且所處地勢較平坦，二者的最大溢流速率均小于1 m3/s，證明這2處節點具有較好的排水能力。節點J14為匯流點，溢流量為9 953 m3，匯流面積較大，不能滿足排水需求。

與圖1b比較，圖4中節點最大溢流速率、溢流時間、總溢流量主要分布在人口密集、建筑物稠密、不透水面積百分比最大的區域。該區域的大多數建筑物和不透水面是在排水管網鋪設之后建設的。設計的管網排水能力不能滿足后期用戶用水和排水要求的變化，致使該區域的節點出現溢流，地表出現積水現象?？梢酝ㄟ^改造管網和調節水泵運行狀態等措施解決該區域的節點溢流和水量不平衡問題。

3.3 管網排水能力評估

3.3.1管網最大滿流深度評估

利用SWMM模型模擬得到重現期P=3、5、10 a條件下的匯水區管網最大滿流深度，結果見表5。

表5 不同重現期下研究區管網最大滿流深度

由表5得出，隨著設計降雨強度增大，管網的最大滿流深度均隨之增大，說明管網的最大滿流深度與降雨強度呈正相關關系。其中，管段G4、G5、G6的最大滿流深度隨重現期的增加而保持不變，滿流深度為0 m，說明G4、G5、G6的滿流深度在降雨過程中不受降雨強度影響；管段G3、G8、G106的最大滿流深度隨重現期的增加而變化不大，并且滿流深度均在0.1 m以下，這是因為管段G3—G6、G8、G106位于研究區排水系統的最上游，處于研究區外側，參與整個排水系統的運行較少，基本沒有出現管網超載現象。

管段G16、G25—G28的最大滿流深度隨重現期的增加而保持不變，滿流深度為1.00 m，同時也是所有管網中滿流深度最大值，因為G25—G28均處于研究區排水系統的最下游，排水負荷最高，導致以上管段超載現象較其他管段嚴重。

管段G19、G70、G72、G76—G78在3種重現期下的最大滿流深度均大于0.5 m，其中管段G70和G72經過的子匯水區面積較大；G76—G78布設附近的子匯水區較密集。

3.3.2管網超載情況評估

管網滿流深度和管網超載狀況影響管網的排水能力。利用SWMM模型對重現期P= 3、5、10 a下的管網超載狀況進行模擬，將管網兩端滿流時長作為管網超載情況的評估指標，見圖5。

圖5 不同重現期下的管網滿流時長

由圖5得到，發生滿流現象的管網滿流時長隨降雨強度增大而逐漸增大，說明管網的滿流時長與降雨強度呈正相關關系。其中，管段G16在3種重現期下的滿流時長較其他管段小，達到6～9 h，這是因為G16處于研究區排水系統上游，降雨初期雨量較小，所以滿流時長較小；管段G25— G28在3種重現期下的滿流時長較長，達到10～11 h，這是因為G25—G28均處于整個排水系統最末端，流經上游管網的徑流均在末端匯集，排水更耗時；管段G75在重現期P=3、5 a條件下未發生管網滿流現象，但在降雨強度達到某一閾值時，會發生滿流現象，滿流時長僅0.01 h；管段G78在降雨強度較小時，未發生滿流現象，但在重現期P=5、10 a條件下出現滿流現象，滿流時長僅0.01 h。

3.4 內澇風險評估

內澇風險評估可為城市應急預案制定、管網設計改造、災后損失評估提供依據。由于缺乏研究區內長時間序列的歷時降雨資料和排水信息，因此基于現有研究區基礎資料，將SWMM模型模擬得到的研究區內的積水時長、積水深度、洪峰流量等信息導入ArcGIS 10.2，進行不同重現期下的積水時長、積水深度的空間分布可視化。本研究采用的內澇風險評估體系指標包括城市積水深度、積水時間和用地等級。結合城市用地重要性和敏感性，對3個指標在ArcGIS 10.2中進行疊加，并劃分研究區內澇等級。

3.4.1最大積水深度空間分布

SWMM模型模擬得到的所有節點的最大積水深度導入ArcGIS 10.2，利用ArcGIS 10.2的反距離權重插值法對節點在不同重現期下的最大積水深度進行計算。插值結果見圖6a—6c，研究區最大積水深度隨重現期增大而增大，積水較深的區域面積逐漸增大；積水深度在180～200 cm的區域主要集中在南部和北部，東北部和西北部的積水深度為0～ 60 cm。根據內澇位置、積水深度可以分析這些區域可能暴露于洪水災害影響下的財產、人口等經濟活動和資源環境，實施相應的排澇措施，避免造成危險和財產損失。

a)積水深度(P=3 a)

d)積水時間(P=3 a)

g)內澇風險區劃(P=3 a)

3.4.2積水時間空間分布

在SWMM模型輸出的報告中提取所有節點的積水時間，并導入ArcGIS 10.2，利用ArcGIS 10.2的反距離權重插值法對節點在不同重現期下的積水時間進行計算。插值結果見圖6d—6f。降雨強度較小時，北部積水時間在1 h以內，中部地區積水時間集中為1～ 2 h，東部地區的積水時間大于1.5 h。隨著降雨強度增大，積水時間隨之增大，東北部的積水時間大于2 h，中部積水時間為1～ 2 h。研究區超過50%的地區積水時間為1～ 1.5 h。積水時間較長的區域主要分布在學校和商業集聚區、人口密集區和主干道路上。

3.4.3內澇風險區劃

目前，國內沒有明確的城市內澇風險等級劃分標準和相關規范，本研究參考了新西蘭和英國的內澇標準，結合文獻[27]的劃分方法，并根據銀川市現有降雨資料和排水資料，將研究區按照表6進行內澇風險區域劃分。

表6 研究區內澇風險劃分標準

將SWMM模型模擬的積水深度、積水時間和用地等級數據導入ArcGIS 10.2中進行重分類，積水深度小于0.2 m，賦值為1；積水深度在0.2～ 0.4 m之間，賦值為2；積水深度大于0.4 m，賦值為3。積水時間小于1 h，賦值為1；積水時間為1～2 h，賦值為2；積水時間大于2 h，賦值為3。用地等級為Ⅰ，賦值為1；用地等級為Ⅱ，賦值為2；用地等級為Ⅲ，賦值為3。并結合表6，利用ArcGIS 10.2的柵格計算器中的“柵格計算函數”進行邏輯計算，得到不同重現期下的內澇風險區劃圖(圖6g—6i)。

3.4.4內澇風險分析

解析圖6并結合圖1b區域用地類型和道路分布情況可知，研究區在重現期P=3 a時，已存在內澇高風險區域，面積占比較小；隨著降雨強度增加，高風險區域面積逐漸增大。研究區在5 a設計暴雨重現期時，中部地區用地類型主要有行政辦公用地、居住用地和綠地，用地重要等級為一類和二類等級的區域范圍較大，并且中部地區在重現期P=5 a時的積水時間接近2 h，易形成內澇隱患。其中，鳳凰公園和德馨公園是內澇高風險區域；銀川市人民檢察院和寧夏糧食大廈處于內澇中風險區域；碧水藍天和逸馨苑等居民區也處于內澇中風險區域。

北部地區的主要用地類型有綠地、文化娛樂用地和居住地，用地等級為二類等級和三類等級的區域范圍較大，但積水時間小于1 h，所以高風險內澇區域范圍較小。其中，上海西路街道辦事處處于內澇低風險區域；自治區黨委位于內澇中風險區域；枕水花園、銀新苑4區和悅海新天地購物廣場位于內澇中風險區域；自治區人大處于內澇中風險區域和內澇高風險區域交界處，易發生內澇隱患較大。

南部地區的用地等級為一類等級的區域范圍較大，但積水時間接近1 h，高風險區域范圍較小。其中，自治區交通運輸廳、銀川萬達中心、寧夏圖書館、寧夏博物館、寧夏大劇院、招商銀行和唐徠中學西校區等一類用地均位于內澇低風險區域；公安小區和金海明月位于內澇中風險區域；人民廣場位于內澇高風險區域。

城市內澇風險評估是一個受多變量因素制約的復雜過程，主要制約因素有現狀排水管網設計標準較低、暴雨頻率增加、土地利用方式改變和城市化進程加快。隨著城市化進程的加快，改變了土地的用地布局，使停車場、瀝青道路、廣場等不透水面以及民用和商用建筑物占用了大面積的林地、草坪、湖泊等，減少了雨水的入滲量和原始地表對雨水的調蓄能力，地表徑流增大，低洼地區容易積水，內澇風險增大。內澇高風險區域的人類活動與地表環境交互作用較為強烈，道路、居民區等建設用地成災風險相對較高。內澇低風險區域的人類活動強度較弱，土地利用類型主要以草地、林地、湖泊為主，地表徑流強度較弱。

排水管網節點溢流和超載、積水深度和時間是暴雨內澇災害的關鍵控制性指標，應根據溢流水量和內澇點位置采取不同的排澇措施，提高排澇效率，縮短易澇區域淹沒歷時，優化排澇設施布局，降低澇災損失。另外，深入開展海綿城市低影響開發設施建設，合理布局植被淺溝、雨水花園、生物滯留設施、透水鋪裝、屋頂綠化等措施，銜接水系、綠地、景觀、道路、豎向等專項規劃，蓄、滯、排、滲、凈、用結合，通過雨污分流和源頭到末端的全過程雨水管理，實現雨水資源綜合利用，從根本上降低城市內澇風險。

4 結論

利用GIS和SWMM模擬了不同重現期的城市暴雨徑流過程，評估了排水管網的排澇能力和城市內澇風險。結果表明，重現期3、5、10 a時的地表徑流分別為12.451、17.234、20.769 mm，5年一遇暴雨重現期下，節點J33的溢流速率、溢流時間和溢流量都最大，分別為2.6 m3/s、2.1 h和30 000 m3。管網滿流深度最大值出現在管段G16、G25—G28，為1.00 m，滿流時長最長的管段發生在G25—G28，達到10～11 h。研究區南部和北部的積水深度達到180～200 cm，超過50%的地區的積水時間為1～1.5 h。內澇高風險區域主要集中在鳳凰公園、德馨公園和人民廣場。該研究對城市雨水管理、水資源綜合利用、城市內澇風險評估、排水管網維護和海綿城市建設具有一定的理論參考價值。