不同雨型下城市雨洪模擬效果分析

季 平，王祥靜，萬 穎

(四川北極星水利工程設(shè)計有限公司，四川 綿陽 621000)

在全球變暖和城市化進程快速發(fā)展的大背景下，世界范圍內(nèi)極端降水事件增加，由此導致的城市內(nèi)澇災害也愈發(fā)頻繁[1]。截至2020年末，我國城鎮(zhèn)化率已超過60%[2]，城市化建設(shè)改變了城市區(qū)域下墊面特征，不透水路面的增加對降水徑流關(guān)系產(chǎn)生了顯著影響，導致徑流量加大，洪澇風險也隨之增加[3]。近10a間，我國遭受洪澇災害的城市超過80座，受影響人口超過5000萬，直接經(jīng)濟損失達千億以上[4]。如2012年7月，北京及其周邊地區(qū)遭遇60a一遇極端強降水，受災人口約160萬，經(jīng)濟損失達116.4億元[5]；2020年長江流域遭遇持續(xù)性強降水，重慶、四川、安徽、江西等27個省(區(qū)、市)受災，造成直接經(jīng)濟損失約700億元[6]。城市地區(qū)由于人口和財產(chǎn)集中，在遭遇同等規(guī)模暴雨下所造成的洪澇損失往往更大[7]，城市洪澇災害已經(jīng)嚴重威脅到經(jīng)濟社會的可持續(xù)發(fā)展與人民的人身財產(chǎn)安全[8]。

降水是引發(fā)洪澇事件的直接驅(qū)動因素，近年來，眾多學者針對降水過程對城市洪澇展開了研究。如：曾鵬等[9]利用IFMS模擬了成都市中心城區(qū)在不同重現(xiàn)期及不同降水歷時下的內(nèi)澇積水情況，并進行風險等級劃分；張金萍等[10]模擬了鄭州市金水區(qū)城市排水管網(wǎng)在極端暴雨情景下的排水能力和內(nèi)澇積水特征；李智等[11]利用SWMM模擬技術(shù)模擬了涂家營溝流域內(nèi)不同子匯水區(qū)域在不同重現(xiàn)期降水下的淹沒情況，并識別出洪災危險區(qū)；黃國如等[12]基于芝加哥雨型設(shè)計了不同重現(xiàn)期下的降水過程，并模擬了海口地區(qū)在不同設(shè)計暴雨情景下的洪澇過程；Ng等[13]基于Huff雨型對不同強度、歷時的降水過程進行模擬，并對城市排水系統(tǒng)進行敏感性分析，認為拓展排水管網(wǎng)規(guī)模是降低內(nèi)澇程度的有效手段；Li等[14]模擬了不同重現(xiàn)期降水過程下的城市徑流過程，并對海綿城市LID設(shè)施的消峰減洪效益進行評價。以上研究表明，不同強度的降水和降水過程下城市徑流的形成過程存在差異，分析城市徑流對降水模式的響應特點，對揭示城市洪澇災害致災機理、完善城市洪澇預警系統(tǒng)、提高城市防洪減災能力具有重要意義。因此，本文擬以綿陽市為研究區(qū)域，結(jié)合典型降水過程和芝加哥雨型方法，比較不同重現(xiàn)期下設(shè)計暴雨過程與實際暴雨事件的差異；利用SWMM模型對不同暴雨情景下的城市徑流過程進行模擬，分析徑流特征值對不同設(shè)計暴雨過程的響應特點，以期為區(qū)域城市洪澇災害預警、防洪減災工作部署提供參考。

1 研究區(qū)及數(shù)據(jù)

綿陽市位于中國四川盆地西北部，涪江中上游區(qū)域，該區(qū)域地處亞熱帶山地濕潤季風氣候區(qū)，夏季炎熱多雨，短期強降水頻繁[15]。綿陽市屬涪江流域，流域中上游雨量充沛，主汛期集中在6—9月，徑流量年際變化較大[16]。綿陽市位于涪江流域中上游，近年來由于城市化進程加快，河道變窄，城市洪澇災害愈發(fā)頻繁[14]。本研究中2015—2020年小時降水數(shù)據(jù)來自涪江橋水文站，區(qū)域地理特征參數(shù)(面積、坡度、形狀等)和土地利用數(shù)據(jù)來自于ASTER-GDEM和Globeland 30數(shù)據(jù)集，主要用于典型暴雨過程的篩選和模型輸入；2000—2020年小時徑流數(shù)據(jù)來自安昌、芙蓉溪、豐谷、涪江橋4個水文站，用于模型參數(shù)驗證。

2 研究方法

2.1 芝加哥雨型

芝加哥雨型法是一種非均勻設(shè)計雨型，是在暴雨強度公式的基礎(chǔ)上，根據(jù)雨峰位置系數(shù)推求指定歷時與重現(xiàn)期下的降水過程[17]。暴雨強度公式為：

(1)

式中，q—降水強度，mm/min；A—重現(xiàn)期為1a的設(shè)計降水量，mm；C—雨量變動參數(shù)，無量綱；P—重現(xiàn)期，a；b—降水歷時修正參數(shù)，min；t—暴雨歷時，min；n—暴雨衰減指數(shù)，與重現(xiàn)期有關(guān)，無量綱。

雨峰位置系數(shù)可以體現(xiàn)降水峰現(xiàn)時間與總歷時的比值，表達式為[18]：

(2)

式中，r—雨峰位置系數(shù)；t—降水峰值出現(xiàn)的時刻；T—降水歷時。

降水過程峰前、峰后瞬時暴雨強度的表達式分別為[19]：

(3)

(4)

式中，qa—降水峰前瞬時暴雨強度；qb—降水峰后瞬時暴雨強度；ta—峰前降水歷時，min；tb—峰后降水歷時，min；a、b、c—常數(shù)，a=167A(1+ClogP)，b與c共同反映降水強度隨時間變化遞減情況。

2.2 雨洪管理模型

由于城市區(qū)域觀測條件限制，目前關(guān)于城市雨洪研究多采用模型模擬的方法[20]。SWMM是由美國環(huán)保署開發(fā)的基于水動力學理論的城市雨洪模型，能夠模擬降雨徑流轉(zhuǎn)化過程，在城市暴雨洪水模擬方面應用廣泛[21]。本研究中下滲量的計算采用Horton公式，計算公式如下[22]：

fp=f∞+(f0-f∞)e-kt

(5)

式中，fp—土壤下滲率，mm/h；f0—初始下滲率，mm/h；f∞—穩(wěn)定下滲率，mm/h；k—下滲衰減系數(shù)，1/h；t—下滲歷時，h。

地表匯流過程按照非線性水庫模型計算，非線性水庫模型中的連續(xù)方程表達式如下[23]：

(6)

式中，V—表面徑流體積，m3；t—降水歷時，s；A—子匯水區(qū)面積，m2；d—子匯水區(qū)地表水深，mm；i—降水強度，mm/s；Q0—徑流流量，m3/s。

徑流量的計算采用曼寧方程，計算公式如下[24]：

(7)

式中，n—曼寧粗糙系數(shù)；W—寬度特征，m；dp—滯蓄水深，m；S—子匯水區(qū)域地表坡度。

3 結(jié)果與討論

3.1 模型驗證

為使模型在模擬不同降水情景下都有足夠適用性，選擇實測降水事件進行模型可靠性驗證。由于綿陽市城區(qū)無水文站觀測數(shù)據(jù)，結(jié)合上下游水文站點觀測數(shù)據(jù)，利用水量平衡方程估算出研究區(qū)域最大年徑流流量(189.6m3/s，7月)作為實際徑流流量。SWMM模型參數(shù)取值參考SWMM用戶手冊及相關(guān)文獻[4，14，24]，對較為敏感的洼地蓄積量參數(shù)和滲透參數(shù)進行進一步調(diào)整，利用校準后的模型對綿陽市中心城區(qū)2010年8月19日的雨洪事件事件進行模擬，模擬流量結(jié)果為164.9m3/s，模擬值與實測值誤差約13%，表明模型參數(shù)校準結(jié)果符合模擬要求，可用于研究區(qū)域雨洪過程模擬。

3.2 暴雨過程設(shè)計

為研究不用雨型下綿陽市的雨洪響應過程，本研究選取2015—2020年間汛期內(nèi)(6—9月)各月最大降水量對應的暴雨事件作為典型暴雨過程(主要為單峰型)；基于典型暴雨過程通過設(shè)置雨峰位置系數(shù)r，獲得不同雨峰出現(xiàn)時間的設(shè)計雨型，設(shè)計雨型分組與重現(xiàn)期設(shè)置情況見表1。

2015—2020年汛期期間6—9月典型暴雨事件和芝加哥雨型暴雨過程如圖1所示。

圖1 典型暴雨與芝加哥雨型設(shè)計暴雨過程對比

結(jié)果顯示，6和8月的典型暴雨過程呈單峰形態(tài)且峰值明顯，7月的降水過程更為集中且峰值更高，最大雨強為59.58mm/h，最大日降水量超過98mm，峰值雨量占總雨量比重約69%；9月的暴雨降水過程峰值不明顯，小時降水量均低于15mm，總降水量也較其他月份低，為77.38mm，峰值雨量占比僅18%。

芝加哥雨型均為單峰降水過程，峰值兩側(cè)降水變化過程基本對稱，峰值出現(xiàn)時段取決于雨峰位置系數(shù)r，r值越大，雨峰位置越靠后。相較于典型暴雨事件，同降水總量的芝加哥雨型的降水過程更連續(xù)，單位時段降水量多低于15mm，峰值雨量占比在20%～25%之間，降水過程起伏緩慢且歷時較長；峰現(xiàn)時間靠前(r=0.2)的芝加哥雨型與6、9月的典型降水過程擬合程度更高，相關(guān)系數(shù)分別為0.57和0.85；峰現(xiàn)時間靠后(r=0.8)的芝加哥雨型更貼合8月的典型暴雨過程，相關(guān)系數(shù)為0.44。

3.3 不同雨型下的城市雨洪響應分析

為分析綿陽市在不同降水過程下的城市徑流情況，分別輸入不同月份(6、7、8、9月)、不同雨型(T1、T2、T3、T4、T5)、不同重現(xiàn)期(2、5、10、20、50、100a)共120種設(shè)計暴雨情景，利用SWMM模擬得到各暴雨情景下的徑流過程，具體結(jié)果如圖2所示，見表2。

圖2 不同重現(xiàn)期下典型暴雨與芝加哥雨型下徑流過程對比

表2 綿陽市不同重現(xiàn)期下各雨型徑流過程模擬結(jié)果

在洪水歷時方面，集中強降水產(chǎn)生的洪水徑流過程持續(xù)時間更長，如7月典型暴雨(T1)產(chǎn)生的洪水歷時為23h，其他月份均低于10h；芝加哥雨型下(T2-T5)的洪水過程歷時較為均勻，在13～22h范圍。各雨型在不同重現(xiàn)期下產(chǎn)生的洪峰流量具有較大差異，6—8月期間芝加哥雨型下的洪峰流量均低于歷史暴雨事件產(chǎn)生的洪峰流量，9月各雨型的洪峰流量接近；雨峰出現(xiàn)較早(T2)和較晚(T5)的雨型生產(chǎn)的洪峰流量較大，如8月T2、T5雨型下重現(xiàn)期為100a的洪峰流量分別為2.8和3.0，103m3/s，而T3、T4雨型下的洪峰流量僅為2.4和2.5，103m3/s，其他月份也有類似情況。關(guān)于峰現(xiàn)時間，雨峰靠后的雨型(T5)產(chǎn)生的洪峰，其出現(xiàn)時間隨重現(xiàn)期的增加向后推移，如T5雨型下100a一遇洪水的洪峰出現(xiàn)時間比2a一遇洪水的晚2h，而雨峰靠前的雨型(T1)則無此現(xiàn)象。芝加哥雨型下的洪峰流量低于實際洪峰流量，如6—8月間芝加哥雨型下5～20a一遇的洪峰流量比相同重現(xiàn)期下實際暴雨事件產(chǎn)生的洪峰流量值低50%以上。

4 結(jié)論

本文以綿陽市城區(qū)作為研究區(qū)域，基于水文站降水、徑流數(shù)據(jù)，結(jié)合芝加哥雨型和SWMM模擬，探討了不同時期、不同峰現(xiàn)時間暴雨作用下綿陽市的雨洪響應特征，得到結(jié)論如下。

(1)雨峰出現(xiàn)較早(T2)和較晚(T5)的單峰型暴雨可能產(chǎn)生的洪峰流量更大。

(2)在高強度暴雨下(重現(xiàn)期>50a)，雨峰靠后的雨型(r≥0.6)可能產(chǎn)生的洪峰流量更大且峰現(xiàn)時間隨重現(xiàn)期增加而推遲。

(3)芝加哥雨型下的洪峰流量普遍低于實際暴雨過程可能形成的洪峰流量，尤其對短歷時高強度降水過程。

研究結(jié)果對揭示城市雨洪響應過程具有重要意義，但雨型設(shè)置略顯單一，在今后的研究中，可增加多峰雨型模擬情景，以獲得更可靠、科學的評估結(jié)果，為完善城市洪澇災害預警系統(tǒng)建設(shè)、提高城市洪澇風險管理水平提供理論依據(jù)。