基于SWMM模型的滄州市區不同重現期暴雨內澇模擬研究

劉偉才

（河北省滄州水文勘測研究中心,河北 滄州 061000）

伴隨國家城市化進程的不斷加快,城市區域面積、人口等不斷增加,突顯出很多和城市發展不相適應的矛盾,城區內澇便是較為嚴峻的問題之一,給出行帶來許多不變,造成一定的經濟損失。近些年我國多數城市暴雨不斷、內澇災害頻繁出現,導致人員死傷與財產巨大損失。河南鄭州出現罕見持續強降水天氣過程,7.20 特大暴雨導致鄭州市遇難292人,失蹤47 人,給河南造成了嚴重損失,農作物受災面積1048.5 千公頃,成災面積527.3 千公頃,絕收面積198.2 千公頃；倒塌房屋1.80 萬戶5.76 萬間,嚴重損壞房屋4.64 萬戶16.44 萬間,一般損壞房屋13.54 萬戶61.88 萬間。城市抗洪防澇、規劃建造等任務工作愈來愈受到國家社會各個方面的關注。本文基于SWMM模型對滄州市區不同暴雨頻率下內澇情況進行分析,對內澇積水狀況進行空間展示。

1 研究區概況

滄州市區（研究區域）面積為64.56 km2,以清池道路為分界線,把主城區劃分成運河區與新華區。城區主干路四縱四橫,南北方向大道從西往東順序分別是迎賓大道、浮陽大道、交通大道、千童大道,東西方向路段從北往南順序分別是渤海路、永濟路、黃河路、海河路。主要建筑有華北商廈、吾悅廣場、意明購物中心、清真南、北大寺、中心醫院、人民醫院、實驗小學、第八中學、鼓樓上城、麗水華庭、陽光國際等主要建筑,建筑物類型主要是居民區、購物中心、寫字樓、學校、醫院等。

滄州市區（研究區域）地勢平坦、低洼,河西地勢較高,自然坡向為由南向北坡,平均海拔高程（黃海高程）9.5 m左右。運東地勢較低,自然坡向為西南-東北向,平均海拔高程（黃海高程）7.2 m左右。舊城區多是人工填土,約2 m~3 m,一般地坪在海拔高程（黃海高程）10 m以上。研究區多年（1956年~2015年）平均降水量561.6 mm,降水年內分布不均,主要分布在汛期（6月~9月）,汛期降水占全年降水量的八成左右,降水年際變化較大,最大年平均降雨量1127.1 mm,最小年平均降雨量226.0 mm。多年平均蒸發量1201.2 mm（E-601 蒸發器1956 年~2013 年系列）,蒸發量最大月份為6月份,占年蒸發量的15.0%；蒸發量最小月份

為1月,占年蒸發量的2.1%。

2 模型建立

構建滄州市區瀝澇模型基本工作包含下墊面數據提取、管線概化、匯流區分劃與建模信息庫四個模塊,獲取模型仿真所需要的數據與系數。

2.1 下墊面數據提取

下墊面數據的提取是匯流區分劃與模型系數確定的基準,同時為模型的仿真運算依據。

參照滄州市區道路影像圖中所給的實際測量高程點信息,運用ArcGIS 10.3 建立主城區數字地形圖（見圖1）,然后在此基礎上制作城區坡向與坡度圖。主城區土地應用布局圖是對滄州城區將來構建狀況的規劃布局與對各個區域土地運用功能界定,在一定程度上能夠反應以往與目前的土地利用狀況,同等類別的土地利用形式給與等同的不滲水面積比、曼寧糙率、下滲率等下墊面的系數。接著將提取獲得的下墊面數據做出類別劃分,為分劃子流域供應參考,并存儲在GIS系統中,構建下墊面信息庫。

圖1 滄州市區DEM數據、坡度、坡向及土地利用圖

2.2 匯水區分化

在 SWMM 模型里,把研究區塊劃分為多個匯流區,對其滲水地面洼蓄量、不滲水地面洼蓄量,曼寧參數等有關指標做出集中設置,每個匯流區包含一個排水口,連接到城區排澇管線中。按照研究區塊的表層坡向土地利用的特性與距離結點的遠近,把匯流區分劃成346 個匯水區塊,每個子匯流區塊的徑流當作結點流入量對接到最近的排水井結點。

2.3 管網概化

經過全方位思考城區排水管網系統的各類因素,包含排水標準確認、排水區域分劃、出水口選擇、地表積水深度與變動過程,出水口的布設、數目、管路布局、管道長度、管道直徑、管道材料、水流速度、流水量、抽水泵布設、裝機容納量等,對管路做出概化,排水系統管路包含265 個結點、265條管線、27 個出口、14個排水站,見圖2。

圖2 管網概化后研究區域的節點與管網圖

2.4 參數設置

（1）參數獲得。滄州市區內澇模型的參數均有確切的物理涵義,因缺少實際測量數據與實驗信息,僅能確認部分能夠經過地理信息工具量測或者運算的參數,比如子流域面積、坡向、坡度與管長等。這種確切的指標數在模型仿真的準備階段,已進行處理獲得,模擬可按照實際調整即可。針對非確定性的指標數,在實踐中經常用到的方式是按照下墊面的特點,按照數值或者相似理論設定完成的參數做初值預設,最后子在參數率定當中,經過參數篩選,獲取參數的最佳值。

（2）參數設定方式。SWMM參數初值設定是模型仿真精確度的關鍵環節,參數包含城區匯流區參數設定與排水管路參數設定。

3 模型參數的率定與模擬驗證

在率定模型參數的時候,為靠近實際的排水體系狀態,盡量選取近些年出現的強度高歷時短的特大降雨時期,經過對滄州近些年暴雨內澇信息的研究,選擇了2009 年8 月16 號、2011 年7 月1 號以及2019 年8 月12 號降水內澇過程,降雨過程選擇1小時當作一個時間段。模型通過上述三場暴雨過程及對應積水點積水過程對參數反復的試算調整,對產匯流參數做出適當調節,使其和實際相吻合。產流參數重點是調節子流域漫流寬度與不滲水面積比值；匯流參數則主要調節糙率。

將滄州市2019 年8 月12 日的內澇計算結果與相應實測的兩個積水點內澇數據比對,比對結果見圖3。對應該暴雨過程的淹沒范圍及水深的模擬結果見圖4,模擬淹沒總面積為141.75 萬m2?？梢娐识ㄕ{整后參數適用于預測研究區內暴雨淹沒范圍及水深。

圖3 2019年8月12日實測積水深度與模擬深度的比較

圖4 2019年8月12日暴雨淹沒范圍模擬結果示意圖

4 不同重現期下內澇積水分析

通過統計可以得到在T=3年,T=5年,T=10年,T=30年,T=50年重現期下,歷時24 小時的設計暴雨量分別為114 mm、134 mm、161 mm、204 mm、224 mm。只需輸入不同情景的降雨參數,就能得到相應的模擬積水總水量結果。

4.1 3年一遇暴雨內澇模擬

3年一遇的長歷時設計暴雨量114 mm,將設計暴雨過程輸入到城市暴雨內澇模型,得到主要積水區間內相應管段節點內澇情況和內澇積水空間分布圖（圖5）,積水總量90.2萬m3,積水面積365.75萬m2,占研究區總面積的比例為5.67%。其中,解放路清真寺段積水最深（1.21 m）、積水歷時最長（9.14 h）,按照內澇的嚴重程度高低,其它易澇區域依次為：東風路與建設大街交口至獅城商場、水月寺大街大化生活區、光榮路河北工專路段、御河路化勘家屬院段、維明路市醫院段、朝陽街北頭中豪家具城、署西街北頭五中、朝陽街與新華路交口。永濟西路（朝陽街—光明街,浮陽北大道交口）、朝陽街（永濟西路—新華西路）路段出現大范圍積水。

4.2 5年一遇暴雨內澇模擬

5年一遇的長歷時設計暴雨量134 mm,將設計暴雨過程輸入到城市暴雨內澇模型,得到主要積水區間內相應管段節點內澇情況和內澇積水空間分布圖（圖5）,積水總量131.8萬m3,積水面積503.5萬m2,占總面積的比例為7.80%。其中,解放路清真寺段積水最深（1.51 m）、積水歷時最長（13.18 h）,按照內澇的嚴重程度高低,其它易澇區域依次為：東風路與建設大街交口至獅城商場、水月寺大街大化生活區、光榮路河北工專路段、御河路化勘家屬院段、維明路市醫院段、朝陽街北頭中豪家具城、署西街北頭五中、朝陽街與新華路交口。與3年一遇情景相比,永濟西路（朝陽街—光明街,浮陽北大道交口）、朝陽街（永濟西路—新華西路）路段積水面積增大。

4.3 10年一遇暴雨內澇模擬

10年一遇的長歷時設計暴雨量161 mm,將設計暴雨過程輸入到城市暴雨內澇模型,得到主要積水區間內相應管段節點內澇情況和內澇積水空間分布圖（圖5）,積水總量189.8萬m3,積水面積622.5萬m2,占總面積的比例為9.64%。其中,解放路清真寺段積水最深（1.89 m）、積水歷時最長（19.02 h）,按照內澇的嚴重程度高低,其它易澇區域依次為：東風路與建設大街交口至獅城商場、水月寺大街大化生活區、光榮路河北工專路段、御河路化勘家屬院段、維明路市醫院段、朝陽街與新華路交口、署西街北頭五中、朝陽街北頭中豪家具城。與5 年一遇情景相比,永濟西路（永安北大道—光明街,浮陽北大道交口）、朝陽街（永濟西路—新華西路）路段積水面積增大,另外,光榮路（浮陽南大道-朝陽街）、解放西路（永安南大道—署西街北頭）、清池北大道（永濟東路—維明路）、建設北大道（永濟東路—維明路）路段出現較大范圍積水。

圖5 3年一遇、5年一遇、10年一遇內澇積水空間分布圖

4.4 30年一遇暴雨內澇模擬

30年一遇的長歷時設計暴雨量204 mm,將設計暴雨過程輸入到城市暴雨內澇模型,得到主要積水區間內相應管段節點內澇情況和內澇積水空間分布圖（圖6）,積水總量276.3萬m3,積水面積906.0 萬m2,占總面積的比例為14.03%。其中,解放路清真寺段積水最深（2.35 m）、積水歷時最長（35.25 h）,按照內澇的嚴重程度高低,其它易澇區域依次為：東風路與建設大街交口至獅城商場、水月寺大街大化生活區、光榮路河北工專路段、御河路化勘家屬院段、解放路欣怡小區、維明路市醫院段、署西街北頭五中、朝陽街與新華路交口、朝陽街北頭中豪家具城。與10 年一遇情景相比,各易澇區域的積水范圍均有所擴大,部分區域發生重疊與合并,永濟東路（海豐大道-長蘆南大道）、鐵路西街（黃河東路—百川路）、海豐大道（黃河東路—百川路）路段出現較大范圍積水。

4.5 50年一遇暴雨內澇模擬

50年一遇的長歷時設計暴雨量224 mm,將設計暴雨過程輸入到城市暴雨內澇模型,得到主要積水區間內相應管段節點內澇情況和內澇積水空間分布圖（圖6）,積水總量562.4萬m3,積水面積1709.5萬m2,占總面積的比例為26.48%。其中,解放路清真寺段積水最深（2.64 m）、積水歷時最長（49.53 h）,按照內澇的嚴重程度高低,其它易澇區域依次為：東風路與建設大街交口至獅城商場、水月寺大街大化生活區、解放路欣怡小區、光榮路河北工專路段、署西街北頭五中、朝陽街與新華路交口、御河路化勘家屬院段、維明路市醫院段、朝陽街北頭中豪家具城。與30 年一遇情景相比,所有易澇區域及新增積水路段的積水范圍均有所擴大,以致鄰近的積水區域發生重疊與合并,且又新增浮陽南大道（晴川路—九河西路）積水路段。

圖6 30年一遇、50年一遇內澇積水空間分布圖

5 結語

通過下墊面信息提取、管網概化、匯水區劃分和模型信息數據庫構建,獲得模型模擬所需信息和參數。根據三場不同量級降雨量及觀測的積水點積水深度,對產流和匯流參數進行率定和驗證,模型的模擬結果與實測內澇狀況吻合,模擬效果良好,可有效應用于滄州市內澇情況的模擬。

將重現期為T=3年,T=5年,T=10年,T=30年,T=50年的歷時24 小時設計暴雨過程數據輸入已建暴雨內澇模型,得到主要積水區間內相應管段節點內澇情況,包括積水歷時、積水總量、積水深度、積水面積、流量變化過程等,從而模擬不同暴雨頻率下內澇情況。采用了GIS技術和SWMM耦合的方法對內澇積水狀況進行了空間展示,直觀有效地顯示地面積水過程,為城管、應急防汛等相關部門應對城市內澇決策調度提供重要參考價值。