基于SCS-CN模型的綠色雨水基礎(chǔ)設(shè)施構(gòu)建研究
——以四川省雅安市雨城區(qū)為例

呂一諾 羅婕穎 熊雪倩 李婷玉

城市內(nèi)澇是各種“城市病”的集中體現(xiàn)，排水系統(tǒng)建設(shè)滯后、地面大面積硬化降低排水能力等都是影響城市排澇能力的因素。綠色基礎(chǔ)設(shè)施理論倡導(dǎo)通過自然的方式解決城市問題，在城市內(nèi)澇治理中發(fā)揮著降低雨水徑流、減少洪澇災(zāi)害的作用。

目前，基于徑流曲線(Soil Conservation Service- Curve Number，SCS-CN)模型的綠色雨水基礎(chǔ)設(shè)施構(gòu)建是較有效的治理城市內(nèi)澇的技術(shù)手段[1]。該模型由美國農(nóng)業(yè)部開發(fā)，廣泛用于水資源管理、暴雨模擬以及徑流估算等，基于水文、氣象、土地利用等數(shù)據(jù)，計算和模擬一場暴雨中城市地表徑流的產(chǎn)生量。

本文以我國典型降雨城市— —四川省雅安市雨城區(qū)為例，利用SCS-CN模型構(gòu)建綠色雨水基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)，增強雨城區(qū)城市排澇能力，為我國多降雨城市的雨水資源管理提供參考建議。

1 基于SCS-CN雨洪淹沒模型的綠色雨水基礎(chǔ)設(shè)施構(gòu)建

基于景觀生態(tài)學(xué)中的“斑塊—廊道—基質(zhì)”模式，綠色雨水基礎(chǔ)設(shè)施構(gòu)建可以看作生態(tài)要素呈現(xiàn)的空間格局。

本文以城市內(nèi)澇治理為目的構(gòu)建綠色雨水基礎(chǔ)設(shè)施（Green Stormwater Infrastructure，GSI），首先通過徑流模擬劃分匯水區(qū)、確定匯水區(qū)平均CN值、計算內(nèi)澇積水量和模擬雨洪淹沒情況4個步驟，識別城區(qū)潛在淹沒范圍，然后基于ArcGIS軟件對場地進行綠色雨水基礎(chǔ)設(shè)施的適建性分析與雨洪淹沒模擬疊加分析，完成GSI系統(tǒng)構(gòu)建。構(gòu)建綠色雨水基礎(chǔ)設(shè)施方法如圖1所示。

圖1 構(gòu)建綠色雨水基礎(chǔ)設(shè)施方法（來源：作者自繪）

1.1 匯水區(qū)劃分

利用ArcGIS軟件將原始的數(shù)字高程模 型（Digital Elevation Model，DEM）依據(jù)場地范圍進行裁剪處理，計算流向數(shù)據(jù)；利用ArcGIS判斷場地范圍內(nèi)是否存在匯，若存在則要輸出匯。對每個匯創(chuàng)建匯流區(qū)域柵格，并在每個匯的分水嶺中創(chuàng)建最大與最小柵格。將DEM數(shù)據(jù)進行填洼處理，依次進行流向分析、流量統(tǒng)計等處理，確定地表徑流能匯聚成河流的最小柵格。將河流分級矢量化處理后，需根據(jù)場地實際情況剔除不合理的流域，保留較為真實的流域通道，并根據(jù)獲取的流域繪制傾瀉點，提取柵格流域，劃分子匯水區(qū)[2]。

1.2 子匯水區(qū)平均CN值確定

CN值代表徑流曲線數(shù)，是不同種類土地的產(chǎn)流能力的反映。美國相關(guān)研究部門根據(jù)土地下滲情況、土地質(zhì)地等確定了不同種類土壤的CN值。但由于大部分研究區(qū)域氣候條件、地形地貌等都與美國生態(tài)大不相同，導(dǎo)致CN值出現(xiàn)小幅偏差，因此仍需根據(jù)場地本身土壤條件進行CN值修正。根據(jù)場地土地情況，利用圖及各子匯水區(qū)分布得出不同子匯水區(qū)的不同類型土地利用面積，利用上文得出的不同土地類型的CN值確定各子匯水區(qū)的平均CN值。

1.3 內(nèi)澇積水量計算

地表徑流量大于雨水管網(wǎng)排水量就會產(chǎn)生內(nèi)澇積水，因此本文利用了在極端降雨量下計算徑流深度即累計雨水體積的SCS-CN模型。先設(shè)計極端日降雨強度，再采用SCS-CN模型通過降雨量和下滲量計算各子匯水區(qū)的地表徑流量，最后利用SCS-CN模型計算出的地表徑流量與雨水管網(wǎng)排水體積的差值即為內(nèi)澇積水量。

1.4 雨洪淹沒模擬

雨洪淹沒模擬分析可通過模擬積水淹沒高度，從而對各個區(qū)域的淹沒風(fēng)險進行可視化處理。

在ArcGIS軟件中導(dǎo)入原始的高程數(shù)據(jù)，并按照匯水區(qū)對其進行相應(yīng)劃分，得到不同匯水區(qū)的高程。以不同重現(xiàn)期內(nèi)澇積水量為依據(jù)，使用表面體積工具，導(dǎo)入劃分后的高程并輸入模擬淹沒高度，得到相應(yīng)淹沒體積。用二分法重復(fù)此操作，對比相應(yīng)淹沒體積與相應(yīng)內(nèi)澇積水量，當(dāng)二者值接近時，模擬淹沒高度成立。用等值線列表工具將不同重現(xiàn)期下每個匯水區(qū)的淹沒高度生成等高線，處理后得到雨洪淹沒風(fēng)險分析結(jié)果。

1.5 GSI構(gòu)建

綜合徑流模擬結(jié)果、雨洪淹沒模擬結(jié)果后，對場地進行GSI適建性分析，從而識別、構(gòu)建場地內(nèi)的GSI；同時對場地內(nèi)有淹沒風(fēng)險的區(qū)域進行低、中、高3種風(fēng)險等級的劃分，得到場地雨洪安全格局分析圖，圖中具有淹沒風(fēng)險的區(qū)域即為需要建設(shè)GSI的區(qū)域。利用地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System，GIS）進行高程分析、坡度分析、坡向分析以及現(xiàn)狀用地類型分析，并基于上述分析結(jié)果進行綜合評價分析，可得到場地內(nèi)適宜建設(shè)GSI的用地。綜合有淹沒風(fēng)險的區(qū)域與適宜建設(shè)GSI的用地區(qū)域，最終即可完成對場地的GSI構(gòu)建[3]。

2 雅安市雨城區(qū)綠色雨水基礎(chǔ)設(shè)施構(gòu)建

2.1 研究區(qū)現(xiàn)狀

雅安市位于四川盆地西部邊緣，特殊的地理條件使其形成“華西雨屏帶”，阻擋著來自太平洋和孟加拉灣的暖濕氣流以及高原冷空氣，降雨量較大。雅安市2021年水資源公報指出，雨城區(qū)年降水量可達(dá)2 000 mm。近年來，隨著城市化進程不斷加快，原有生態(tài)環(huán)境遭到破壞，大面積的土地硬化也使得城市儲排水能力急劇下降，城區(qū)排水面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

2.2 匯水區(qū)劃分

以雨城區(qū)原始DEM為依據(jù)，利用ArcGIS軟件進行輸出流量操作，判斷雨城區(qū)是否存在匯，并輸出匯。利用分水嶺工具使匯流區(qū)域柵格化，利用填洼工具得到雨城區(qū)無洼DEM數(shù)據(jù)，利用條件函數(shù)對流量進行劃分操作，依次利用流向分析、流量統(tǒng)計、河網(wǎng)分級、河流鏈接以及柵格河網(wǎng)矢量化等操作提取柵格流域，然后劃分出62個子匯水區(qū)，如圖2所示。

圖2 徑流模擬與流域劃分情況（來源：作者自繪）

2.3 子匯水區(qū)平均CN值確定

由于雨城區(qū)氣候條件、土壤條件等與美國出入較大，因此結(jié)合雨城區(qū)不同種類土地的利用情況，修正美國相關(guān)研究部門撰寫的不同土地類型的CN值，得出雨城區(qū)不同類型土地的CN值。結(jié)合雨城區(qū)土地利用圖與劃分出的62個子匯水區(qū)，依據(jù)土壤屬性確定其水文土壤組與土地覆蓋類型和各自占比，得出各匯水區(qū)平均徑流系數(shù)[4]。

2.4 內(nèi)澇積水量計算

2.4.1 極端降雨強度設(shè)計

雅安市暴雨強度公式為：

式中,q代表暴雨強度，mm/min；t代表降雨歷時，min；P代表設(shè)計重現(xiàn)期，年。由式（1）可得5年、10年和20年設(shè)計重現(xiàn)期降雨歷時1 h的暴雨強度，將該3項數(shù)值作為本次計算降雨量的依據(jù)。

2.4.2 雨水設(shè)計流量

降雨量計算公式為：

式中，Q代表雨水設(shè)計流量，L/s；Φ代表平均徑流系數(shù)CN；F代表匯水面積，km2。根據(jù)設(shè)計暴雨強度q、62個子匯水區(qū)的面積以及平均徑流系數(shù)，可直接得到雨水設(shè)計流量。

2.4.3 計算雨水管網(wǎng)的排水體積

城市暴雨徑流的主要外排方式就是城市雨水管網(wǎng)，因此積水量確定需減去管網(wǎng)排水量。雨城區(qū)的雨水管網(wǎng)形成時間較長，實際雨水灌渠設(shè)計排水量及維護現(xiàn)狀難以得知，假定雨城區(qū)的雨水管網(wǎng)按照標(biāo)準(zhǔn)建造，再根據(jù)該標(biāo)準(zhǔn)估算排水量。

2.4.4 SCS-CN模型計算地表徑流量

地表徑流計算公式為：

式中，Q代表地表徑流量，m3；S代表可能的最大滲透量，mm；P代表極端日降雨量，mm。將CN與設(shè)計降雨量代入模型后，得到各個子匯水區(qū)的地表徑流。

2.4.5 內(nèi)澇積水量計算

內(nèi)澇積水量的計算公式為：

式中，Q澇代表內(nèi)澇積水量，m3；Q代表地表徑流量，m3；V排代表雨水管網(wǎng)排水體積，m3。各匯水區(qū)內(nèi)澇積水量如表1所示。

表1 雨城區(qū)內(nèi)澇積水量計算

2.5 雨洪淹沒模擬

以SCS-CN模型所得不同重現(xiàn)期內(nèi)澇積水量為依據(jù)，采用二分法使結(jié)果不斷逼近對應(yīng)積水量，對62個匯水區(qū)進行淹沒模擬，最終得到雨城區(qū)不同重現(xiàn)期下雨洪淹沒風(fēng)險分析圖，如圖3所示。

圖3 不同重現(xiàn)期下雨城區(qū)雨洪淹沒風(fēng)險分析圖（來源：作者自繪）

2.6 雨洪安全格局分析

綜合徑流模擬、雨洪淹沒模擬結(jié)果，得到雨城區(qū)雨洪安全格局圖，（圖4）。由圖4可知，受災(zāi)風(fēng)險較高的區(qū)域主要集中在雨城區(qū)北部及東南部山腳低洼地區(qū)，包括上里古鎮(zhèn)片區(qū)、晏場鎮(zhèn)等區(qū)域，這些區(qū)域由于地勢低且雨洪管理基礎(chǔ)設(shè)施不足，有較高的雨洪災(zāi)害風(fēng)險。

圖4 雅安市雨城區(qū)雨洪安全格局（來源：作者自繪）

中部青衣江沿岸有部分高風(fēng)險地區(qū)呈點狀分布，包括城中心片區(qū)、新一村片區(qū)、草壩鎮(zhèn)等區(qū)域，這些區(qū)域位于城中，布置有排水設(shè)施，但距離河流較近，對綠色基礎(chǔ)設(shè)施的利用不充分，排水能力仍然不強。在這些淹沒風(fēng)險高的區(qū)域進行綠色雨水基礎(chǔ)設(shè)施的識別與建設(shè)，可以補充、完善現(xiàn)有排水設(shè)施的不足，從生態(tài)學(xué)的角度控制雨洪災(zāi)害，從而為雨城區(qū)雨洪災(zāi)害管理提供預(yù)判，減少雨洪災(zāi)害對城市生產(chǎn)生活造成的損失[5]。

2.7 雨城區(qū)綠色雨水基礎(chǔ)設(shè)施選址的適宜性分析

將雨城區(qū)的高程、坡度、坡向與土地利用類型作為GSI的影響因子，基于雨城區(qū)DEM影像圖進行分析，然后通過加權(quán)疊加分析和重分類處理，得到選址用地適宜性綜合評價。最適合修建GSI的區(qū)域賦值2分，在此基礎(chǔ)上每增加2分設(shè)置一級，得到“適宜修建用地”“較適宜修建用地”“較不適宜修建用地”和“不適宜修建用地”等4個級別，其中“適宜修建用地”與“較適宜修建用地”是修建GSI的合適地點。

高程單因子評價如圖5所示。高程90 m以上時不宜建設(shè)GSI；60～90 m時為較不適宜建設(shè)地帶；30～60 m時為較適宜建設(shè)地帶；小于30 m時適宜建設(shè)GSI。由圖5可知，雨城區(qū)絕大部分區(qū)域高程都適合建設(shè)GSI。

圖5 高程單因子評價（來源：作者自繪）

坡度單因子評價如圖6所示。坡度變化越顯著的地方，土壤侵蝕和生態(tài)環(huán)境問題越易發(fā)生。一般來說，坡度在25°以上的區(qū)域不適合修建GSI；坡度15°～25°的地域較不適宜建設(shè)；坡度5°～15°的地域作為較適合建設(shè)地帶；坡度小于5°的地域是最適合建設(shè)地帶。由圖6可知，在雨城區(qū)北邊地勢坡度較緩，適宜建設(shè)GSI，中部和西部坡度較陡，適宜建設(shè)的區(qū)域較少。

圖6 坡度單因子評價（來源：作者自繪）

坡向單因子評價如圖7所示。在北半球區(qū)域，北坡的陽光照射和太陽輻射強度明顯低于南坡，不適合種植植物。由圖7可知，北面、西北面、東北面坡向的地域不適宜建設(shè)GSI；東西兩面坡向的地域是較不適宜建設(shè)GSI的地帶；東南、西南兩面坡向的地域作為較適宜建設(shè)地帶；適宜建設(shè)的地帶為南面坡向地域。

圖7 坡向單因子評價（來源：作者自繪）

現(xiàn)狀用地類型單因子評價如圖8所示。通常情況下，水域、濕地為不適宜建設(shè)地帶，耕地為較不適宜建設(shè)地帶，人造地表為較適宜建設(shè)地帶，草地、林地為適宜建設(shè)地帶。由圖8可知，雨城區(qū)南部、中部的大部分用地可以用于修建GSI，中北部與北部區(qū)域河流、水域較多，不適宜修建GSI。

圖8 現(xiàn)狀用地類型單因子評價（來源：作者自繪）

2.8 綜合評價

在ArcGIS軟件中，通過加權(quán)疊加對各單因子指數(shù)進行分析，結(jié)果重分類為4個級別，以確定雨城區(qū)哪些土地適合建設(shè)GSI，GSI選址用地適宜性綜合評價如圖9所示。

圖9 GSI選址用地適宜性綜合評價（來源：作者自繪）

由圖9可知，雨城區(qū)較適宜建設(shè)GSI的用地集中在中部偏北、東南部和中部帶狀地區(qū)。雨洪安全格局中的中低安全區(qū)屬于重點控制區(qū)域，而適宜建設(shè)GSI的地域基本都囊括了這些區(qū)域，使得GSI系統(tǒng)的構(gòu)建以及雨城區(qū)城市內(nèi)澇治理的實施具有科學(xué)性與可行性。

2.9 GSI網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建

綜合雨城區(qū)雨洪安全格局分析及雨城區(qū)GSI選址用地適宜性綜合評價分析，構(gòu)建出雨城區(qū)GSI網(wǎng)絡(luò)，如圖10所示。其中，符合用地適宜性的徑流區(qū)域作為GSI網(wǎng)絡(luò)的連接廊道，符合用地適宜性的風(fēng)險區(qū)域作為GSI網(wǎng)絡(luò)的核心區(qū)域。

圖10 雨城區(qū)GSI網(wǎng)絡(luò)（來源：作者自繪）

3 結(jié)語

以往的水資源管理方式耗費大量的人力、物力成本，結(jié)合“海綿城市”“城市雙修”的發(fā)展導(dǎo)向，本文基于綠色雨水基礎(chǔ)設(shè)施理論，利用原始DEM數(shù)據(jù)劃分子匯水區(qū)，確定各匯水區(qū)平均徑流量，結(jié)合SCS-CN模型計算出內(nèi)澇積水量并進行雨洪淹沒模擬，針對場地進行綠色雨水基礎(chǔ)設(shè)施試建性分析，構(gòu)建城市綠色雨水基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)，從而最大程度實現(xiàn)水資源的高效利用，為多降雨城市的雨水資源管理提供參考[6]。