基于SWMM-CCHE2D耦合模型的海綿城市內澇管控效果評價

房亞軍，于川淇，金 鑫

1.北京交通大學經濟管理學院，北京 100044 2.北京市通州區水務局，北京 100011 3.北京市通州區供水排水水質監測站，北京 101100 4.清華四川能源互聯網研究院，成都 610000

0 引言

現階段我國城市化進程與城市防洪排澇工程建設不同步，致使城市洪澇災害頻發[1]。2012年7月，北京“7·21”特大暴雨，房山區為重災區，70多人遇難，很多設施被沖毀，多條地鐵、公交、鐵路停運[2]。2014年8月，重慶云陽、奉節等區域遭受特大暴雨，出現嚴重城市內澇，造成直接經濟損失5.8億元[3]。2017年6月，湖南長沙地區遇特大暴雨，遭受嚴重城市內澇，造成巨大經濟損失[4]。解決暴雨導致的城市內澇，已成為迫在眉睫的問題[5-7]。

城市內澇產生原因在于建筑密度大，地下空間和排水管網工況復雜，尤其暴雨條件下的匯流速度較快，城市凹地易造成大面積積水。建立城市的降雨產流、管網排水和內澇淹沒的數學模型，需具備更加全面的實時監測數據和更加精準的地形數據，以便更加精確地模擬密集建筑物對洪水過程的影響。單一管網模型和水動力模型不能全面準確地模擬城市內澇排水過程，因此需要產流模型和水動力學模型進行耦合來模擬城市的降雨產流、管網排水和內澇淹沒過程。陳浩等[8]利用SWMM(storm water management model)模擬分析了低影響開發雨水系統的設計方案效果，結果充分反映了設計過程中LID(低影響開發)設施的設計對年徑流總量控制率、污染物去除率等的影響。徐樂等[9]利用CCHE2D(center for computational hydroscience and engineering 2-dimensional)模型模擬了城市引水渠內的水流特性，模擬結果與實際測量相吻合。SWMM和CCHE2D軟件在城市管網模擬以及地表二維水動力模擬方面都具有各自的特點，但目前多為單向耦合[10]，而較少見將二者耦合來進行海綿城市洪澇管控的模擬。其中，一二維水動力學模型耦合常見于河道防洪研究，例如，劉永志等[11-12]耦合一二維水動力學模型研究了珠江三角洲樵桑聯圍的防洪問題。

本文以北京市通州區海綿城市建設試點區為研究區域，通過SWMM-CCHE2D耦合模型模擬暴雨條件下通州區海綿城市建設試點區的產匯流特征和徑流削減變化等，以期為解決城市內澇和應急管理提供技術支撐。

1 模型簡介

1.1 SWMM模型

SWMM[13]是面向城市區域雨水徑流水量和水質分析的綜合性模擬軟件，廣泛應用在城市排水管網模擬方面。SWMM模型構成包括降雨模型、地面徑流模型和管網匯流模型，在模擬管網匯流過程中，基于圣維南方程，采用運動波法、擴散波法和動力波法模擬管道水流運動[13]。

一維圣維南運動方程公式為

(1)

式中：Q為流量，m3/s；t為時間，s；s為沿管道流程的距離，m；A為過水斷面的面積，m2；g為當地的重力加速度，m/s2；h為管道水頭，m;K為流量模數。

SWMM可用來設計控制洪災的各種排水設施、制定最小的合流制溢流策略、評估入流和入滲對生活污水管溢流的影響，用于非點源污染研究及評估減少雨季污染負荷的最佳管理措施。 SWMM為非商業性軟件，使用成本低，同時源代碼開源，為軟件集成到系統平臺提供了便利，并且SWMM模型模擬計算速度相比于同類軟件較快。

結合城市復雜的下墊面和排水管網，采用SWMM建模，用于針對城市排水系統的分析、設計和優化管理，如蓄水能力優化、雨水處理分析、洪泛區管理、防洪減災措施(如LID)等分析[14]。由于SWMM沒有二維水動力模塊，故本研究采用美國國家計算水科學工程中心(national center for computational hydroscience and engineering，NCCHE)開發的CCHE2D模型作為研究工具，主要用于雨水管網溢流造成的內澇模擬。

1.2 CCHE2D模型

CCHE2D模型由二維網格生成器和數學模擬圖形界面構成，其采用隱式解法，模擬結果更加準確快速，模擬速度明顯優于MIKE(MIKE powered by DHI)模型，適用于分析解決和地表水相關的水流運動、洪災風險管理和風暴潮與海浪的災害影響等，是模擬水力復雜物理過程的有效工具[9,15-16]。針對城市內特殊的水力條件，CCHE2D模型可更精準快速地模擬受高密度建筑物影響的洪水過程。CCHE2D水流模擬采用交錯網格法求解連續方程水位，水深積分的二維控制方程在笛卡爾坐標下可表示為

(2)

式中：Z為水面高程，m；ζ為床底高程，m；h1為當地水深，m；u為垂線平均流速在x方向上的分量，m/s；v為垂線流速在y方向上的分量，m/s。

CCHE2D主要應用于河流、湖泊、水庫和地表的二維水動力模擬、二維水質模擬、海岸和風暴潮模擬等，在本研究中主要用作模擬溢流點地面淹沒水深及淹沒范圍。

1.3 模型耦合

SWMM模型和CCHE2D模型耦合可以將城市地表水動力和排水相結合，實現城市排水系統的模擬。城市管網模型與地表二維水動力模型將檢查井、雨水篦子和城市海綿設施作為耦合連接點。SWMM模型模擬地表產匯流，地表產匯流通過檢查井、雨水篦子和海綿設施排水口匯入管網；管網模型通過對管網水位、流量等模擬，將檢查井和雨水篦子作為溢流出口，模擬得到溢流點。檢查井和雨水篦子等溢流點的溢流又可以作為地表二維水動力模型CCHE2D的進水點源，基于溢流點地形模擬得出溢流區域的溢流范圍和水深，對城市內澇提供預報預警和應急管理參考數據支持。SWMM-CCHE2D模型耦合物理過程如圖1所示。

2 研究區與數據

2.1 研究區項目背景

2016年北京市通州區代表北京市成功入選國家第二批海綿城市建設試點，通州區海綿城市建設試點區的建成區面積7.41 km2，包含水域面積3.33 km2和建設用地面積約4.08 km2，其中建設用地包括居住用地、公共設施用地、商業服務業設施用地、綠地和廣場用地等。原下墊面主要包括農田、村莊建設用地、城鎮建設用地和道路用地等，其中村莊和城鎮等建設用地大部分己經完成拆遷，僅保留東北部的中學和兩塊居住用地。項目區地處北京市區東南(圖2)，區域內平均海拔35 m，地勢平坦，平均坡度約1.38%。

圖1 SWMM-CCHE2D模型耦合物理過程示意圖

圖2 研究區位置圖

2.2 數據

2.2.1 地形與管網數據

地形與管網數據包括高精度DEM(digital elevation model)數據(1∶2 000)、土地利用類型數據、規劃建設數據和排水管網數據。

2.2.2 監測數據

降雨徑流監測數據包括降雨數據和流量數據。所有監測站點、用于率定的站點及管網分布見圖3。

監測站點S3位于通胡大街排入北運河處，S6位于潞通大街排入北運河處。

圖3 通州海綿項目區監測點位分布

Fig.3 Monitoring station locations at Tongzhou sponge project site

3 模型構建

3.1 SWMM模型管網構建

將現有管網數據導入SWMM模型中，輸入管節點底部標高、埋深，管渠斷面形狀、最大深度，排水口形狀、尺寸、底部標高，糙率等關鍵信息，計算管道入孔的井底標高和與其相連的管道管底標高的差值，設置進出水偏移量，對排水系統數據的連接性、高程關系等拓撲關系進行檢查，充分模擬真實環境。模型共構建455個鉸點、454段管道和11個排放口。

3.2 SWMM模型子匯水區劃分

依據通州區海綿城市建設試點高精度(1∶2 000)地形數據和水系數據[17]，對集水區進行提取。先基于地形用流域軟件劃分子流域，再結合下墊面分布和道路、小區情況，把每塊子流域又劃分成若干個子匯水區。圖4顯示了研究區的子匯水區劃分和管網布置，共劃分了49個子匯水區。

3.3 SWMM-CCHE2D耦合模型構建

依據通州區海綿城市建設試點地形、土地利用類型和匯水分區等資料，經反復調試，在基本網格劃分原則指導下，劃分CCHE2D計算網格，采用結構化網格，共劃分77 500個網格。在CCHE2D模型中設置邊界條件，將SWMM模型計算得到的溢流點流量過程作為內澇模型的輸入點源邊界條件，以預熱后的穩定初始水深為模型初始條件進行內澇模擬。

圖4 通州海綿項目區SWMM模型子匯水區劃分

以時間進程為基本計算過程，通過開發SWMM-CCHE2D模型耦合模塊，在每一個時間步長內，把SWMM模型的輸出二進制文件中節點溢流流量信息提取出來，然后將其作為輸入傳遞給CCHE2D模型函數，作為CCHE2D模型的邊界條件。參數成功傳遞后，在該步長內執行CCHE2D函數，進行內澇模擬后，結果存入擴展名為.his的二進制文件，該結果文件包含了耦合模型模擬后的內澇點位置、內澇范圍和深度等所有的結果數據。同時，溢流點處的水深信息又通過CCHE2D函數的參數返回，作為SWMM模型中管網結點的新邊界條件。此交互過程在耦合模型每一個時間步長內重復執行，直至時間進程結束。

SWMM-CCHE2D耦合模型較單獨使用SWMM和CCHE2D模型模擬的時間縮短。SWMM-CCHE2D耦合模型的模擬計算時間滿足公式：

tsim=Δtsc+tc；

(3)

Δtsc=tsc-ts。

(4)

式中：tsim為SWMM-CCHE2D耦合模型的計算時間，min；Δtsc為耦合模塊提取轉換數據時間與SWMM運行時間的差值，min；tc為CCHE2D模型的計算時間，min；tsc為SWMM-CCHE2D模型耦合模塊提取轉換數據信息的時間，min；ts為SWMM模型計算時間，即從SWMM模型開始計算到SWMM-CCHE2D模型耦合模塊開始提取SWMM結果數據的時間，min。

本項目模擬過程中，tc=0.11 min，ts=0.07 min，數據提取從SWMM計算開始便開始進行，SWMM計算結束數據提取結束，tsc約為0.10 min。模型耦合模塊在SWMM開始計算的時候就進行數據提取和轉換，因此，tsc包含了SWMM的計算時間ts，計算得到Δtsc為0.03 min。由上述公式可得，tsim= 0.14 min，小于SWMM與CCHE2D單獨計算時間之和，說明耦合模型具有較好的時效性。

3.4 模型率定及驗證

3.4.1 模型率定

依據相關手冊、成果、文獻、土地利用類型分布圖及雨水工程現狀圖，查出產匯流、管網和溢流等一系列參數的取值，通過調整適當范圍內的參數值，使模型正確、合理地滿足預定的校核標準，本文使用流量監測數據校核模型參數[18]。通過對較敏感參數的調整，使預測模型的模擬結果與觀測值匹配。

該模擬區域共有40個監測站點，監測站點位置見圖3。經過對數據質量評估，本研究采用監測數據質量較高的S3、S6兩站點用于模型率定和驗證，主要調整參數是各地塊的不透水率，總體而言，大部分地塊調低了不透水率。

選擇2019-09-09降雨的實測數據來率定雨洪模型，紫荊雅園雨量站降雨過程見圖5，模型率定結果見圖6。采用NSE(Nash-sutcliffe efficiency)系數來評估模擬值和實測值的吻合程度。對比實測和模擬結果(圖6)可以看出，模擬值和實測值的峰值、曲線形狀都較吻合，實測值比模擬值稍微滯后一點；主要原因可能是部分管道是老管道，管道內和入流口的通暢程度可能比模型設置值低，即管道糙率實際值比模型值高，從而引起實測結果相對于模擬結果滯后。

3.4.2 模型驗證結果

選擇同一地區2019-07-28降雨數據進行驗證，實測降雨過程見圖7，模型驗證結果見圖8。模擬值和實測值的對比結果和率定結果大體相同，對S6站點，趨勢和峰值都大體相同；對S3站點，模擬值和實測值的趨勢大體相同，但模擬值峰值稍微大一點，原因可能還是管道的實際糙率大于模型設定的糙率。

圖5 北京通州紫荊雅園雨量站2019-09-09的降雨過程

圖6 通州海綿區2019-09-09降雨模型率定結果

圖7 北京通州紫荊雅園雨量站2019-07-28的降雨過程

圖8 通州海綿區2019-07-28模型驗證結果

4 模型模擬結果分析

4.1 設計降水過程

盡管芝加哥設計雨型對內澇模擬結果有一定影響，但是該雨型仍然為最常用雨型，按照《室外排水設計規范(GB 50014—2006)》[19]的要求，本文仍采用芝加哥雨型，通過引入雨峰位置系數r來描述暴雨峰值發生的時刻，根據該規范要求，采用最新暴雨強度公式計算設計降水過程，本文取r為0.4。設計降雨過程如圖9所示。

圖9 設計降雨過程

4.2 模擬結果分析

依據研究區地形地貌特征，設置LID措施類型為綠地(含下凹式)、生物滯留帶(雨水花園、生態樹池等)、透水鋪裝(包括透水路面、透水停車場等)、調蓄池，空間分布情況見圖10。

圖10 通州海綿區已建管網和LID措施

4.2.1 徑流削減率模擬

為研究暴雨條件下海綿措施對徑流的消減率，在100年一遇設計暴雨下，對比典型海綿地塊(圖11)在加上LID前后徑流系數變化，發現加入LID后徑流系數有較大幅度的下降，下降幅度為17.4%～40.6%(表1)，其中，最大降幅達40.6%(S38)。從表1看出，LID措施對降雨產流有較大的削減作用。

圖11 通州海綿區典型LID設施地塊分布圖

表1 通州海綿區加入LID措施各典型地塊前后徑流系數對比(100年一遇設計暴雨)

為研究透水鋪裝、生物滯留帶、綠地等3種海綿措施對徑流削減率的影響，將設置這3種海綿措施的所有地塊徑流削減率的提高幅度取平均值(表2)?？梢娚餃魩г?種海綿措施中對徑流削減率的影響最大，削減率的提高幅度達28.4%：原因是生物滯留帶可遲滯水的快速流動、匯集，使之有充分時間下滲，因而對于徑流削減率的提高效果也明顯[20]。透水鋪裝和綠地對徑流削減的效果差不多，在地勢平坦地區，透水鋪裝可以讓水充分下滲，所以削減率和綠地差不多。綜合考慮各種因素后，通州采用了這3種海綿設施。

表2 100年一遇設計暴雨下各種海綿措施對徑流削減率的提高幅度

4.2.2 內澇模擬

在1、5、20、100年一遇設計暴雨情景下，設置LID措施前后，SWMM-CCHE2D耦合模型模擬的內澇風險分布均隨著設計降雨強度(下文簡稱“雨強”)增大而呈現遞增趨勢，但積水區域相對整個區域仍較小。內澇風險分布整體呈現離散狀，尤其1年一遇設計暴雨，僅有2個孤立的內澇點。在已建海綿區加上LID設施，1、5、20、100年一遇設計暴雨下，內澇范圍和沒有LID的對比如圖12所示。從圖12看出，對同一重現期，加上LID措施后內澇點和積水面積都減少了。為了進一步定量分析內澇風險，對4場設計降雨的最大水深和內澇點數目進行了統計，如表3所示。

對于各種水平年，對比有無LID措施，內澇的積水深度對1年一遇暴雨差別不大，但是LID建成后內澇點數目有減少，原因可能是加上LID措施后，對早期峰值有削減作用，所以內澇點較少。5年一遇暴雨， LID建成后的積水深度和內澇點數均明顯減少。對20年、100年一遇暴雨，有無LID的內澇差別很明顯，但是，積水點的變化不明顯，只是100年一遇暴雨才有微小差別。綜上所述，從積水深度控制作用來說，100年一遇暴雨控制效果最顯著。從內澇點數控制作用來說：5年一遇暴雨控制效果最顯著，原因可能是通州區地形造成的，加了LID措施、削減雨峰后，5年一遇暴雨強還不是很大，有些不是很低洼的地方就不會成為內澇點，所以5年一遇暴雨對削減內澇點效果明顯；而100年一遇暴雨，由于雨強很大，LID措施削減后留在地面上的雨量仍能夠造成非低洼處淹沒積水，所以內澇點處變化不大。但是，LID對水量的削減還是會影響積水的漫溢程度，所以，內澇有無LID還是會有差別的。

表3 設計暴雨下水深和內澇點數目

a1, a2. 1年一遇；b1, b2. 5年一遇；c1, c2. 20年一遇；d1, d2. 100年一遇。a1, b1, c1, d1為有LID，a2, b2, c2, d2為無LID。

5 結論與展望

1)SWMM-CCHE2D耦合模型在海綿城市內澇模擬過程中有良好的時效性，為城市內澇預報預警起到良好的技術支撐作用。通州海綿區SWMM-CCHE2D耦合模型的模擬結果可以較好地反映模擬區域降雨內澇情況，模擬計算時間遠小于獨立運行SWMM和CCHE2D模型計算時間之和。

2)SWMM-CCHE2D耦合模型具有良好的準確性，可為城市內澇應急管理提供可靠的數據支持。通過對不同海綿措施和重現期下設計降雨的內澇模擬，通州海綿城市在暴雨強度1年一遇時，積水深度范圍差別不大，深度范圍為0.02～0.29 m，暴雨強度為100年一遇時積水深度最深為1.63 m。

3)SWMM-CCHE2D耦合模型對海綿設施的合理規劃和海綿城市建設方案比較選擇起到技術支撐的作用。通過對不同海綿措施和重現期下的設計降雨的產流模擬結果表明，海綿措施的加入對徑流削減率會有9.0%～40.6%不同程度的提高，其中生物滯留帶的改善效果最明顯，高達28.4%。

4)SWMM-CCHE2D耦合模型在城市內澇風險管控、風險區識別、洪澇保障機制等方面具有較大的應用價值。耦合模型模擬將成為城市內澇風險管理的重要非工程工具之一，在新城區規劃編制、老城區設計改造及城市汛期應急管理等方面發揮重要指導作用。