基于SWMM和ICM模型的城市內(nèi)澇模擬分析

袁惠穎，盧 雨，楊佳麗，張沛雪

(1.北京豐臺區(qū)水文和水土保持工作站，北京 100165；2.華中科技大學(xué)，湖北 武漢 430074；3.珠江水利委員會珠江水利科學(xué)研究院，廣東 廣州 510610；4.山西省水文水資源勘測總站，山西 太原 030001)

城市內(nèi)澇是指城市地區(qū)由于降雨或其他原因?qū)е碌臅簳r性積水現(xiàn)象，是一種常見的城市水災(zāi)[1]。城市內(nèi)澇不僅影響城市的正常運行和居民的生活，還可能造成人員傷亡、財產(chǎn)損失、環(huán)境污染和生態(tài)破壞等嚴(yán)重后果[2]。隨著氣候演變和城市化步伐的急劇加快，城市內(nèi)澇問題逐漸凸顯，已經(jīng)成為對城市安全和可持續(xù)發(fā)展構(gòu)成重要威脅的因素[3]。

本研究采用SWMM和ICM分別建立一二維城市地表淹沒模型，用于分析排水管道內(nèi)雨水徑流以及制作內(nèi)澇淹沒圖[4]。本研究對九種重現(xiàn)期暴雨進(jìn)行模擬設(shè)計，精確計算并獲得各個節(jié)點及管段的負(fù)荷承載能力，通過模擬城市內(nèi)澇情景，可以全面了解城市在極端降雨等惡劣天氣條件下的內(nèi)澇風(fēng)險，這有助于科學(xué)評估城市面臨的災(zāi)害風(fēng)險，幫助城市規(guī)劃部門更好地制定針對性地預(yù)警和應(yīng)急措施[5]。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)域及數(shù)據(jù)來源

本研究選取了北京市某特定地區(qū)作為研究范圍，搜集并整理了一系列基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，包括航拍圖數(shù)據(jù)、土地利用類型數(shù)據(jù)、水文氣象數(shù)據(jù)、排水管網(wǎng)數(shù)據(jù)、地物高程數(shù)據(jù)以及地形高程數(shù)據(jù)。在充分考慮實際雨水管網(wǎng)的基礎(chǔ)上，對管網(wǎng)數(shù)據(jù)的合理性、一致性和可行性進(jìn)行了檢驗。同時，運用SWMM建立一維雨水管網(wǎng)模型，同時采用ICM建立地表二維淹沒模型，這些模型不僅為子匯水區(qū)的劃分提供了關(guān)鍵支持，也為進(jìn)一步研究匯流參數(shù)的精細(xì)化奠定了基礎(chǔ)[6]。

1.2 研究方法

為了分析排水管道內(nèi)雨水徑流情況，在高分辨率地形數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，采用SWMM和ICM分別構(gòu)建城市一維雨水管網(wǎng)模型以及城市二維淹沒模型，最終得到內(nèi)澇淹沒圖[4]。通過對九種重現(xiàn)期暴雨的模擬設(shè)計，精確計算并獲得各個節(jié)點及管段的負(fù)荷承載能力，將為城市防澇的規(guī)劃，設(shè)計以及管理提供關(guān)鍵信息[6]。具體內(nèi)容包括以下三個部分：第一部分，模型構(gòu)建，簡要介紹所運用的模型及原理；第二部分，設(shè)計降雨情景，運用一維模型進(jìn)行分析，從而獲取城市管網(wǎng)的排水能力；第三部分，進(jìn)行二維模型的降雨情景分析設(shè)計，獲取城市的積水面積、深度以及持續(xù)時間等淹沒狀況的相關(guān)信息。

2 結(jié)果分析

2.1 設(shè)計降雨情景一維模型結(jié)果分析

基于SWMM的城市雨水排水管網(wǎng)一維模擬，本研究針對北京市設(shè)計了不同的降雨情景。通過一維雨水管網(wǎng)模擬，得到模擬管段的充滿度結(jié)果。為了評估排水能力是否足夠滿足特定重現(xiàn)期的降雨事件，我們以管段是否出現(xiàn)滿管(充滿度為1)為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行判斷。例如，在p=2 a一遇的降雨情景下，如果某個管段沒有出現(xiàn)滿管情況，則說明該管段能夠應(yīng)對2 a一遇的降雨；相反，如果出現(xiàn)了滿管情況，但在p=1 a一遇的降雨情景下未出現(xiàn)滿管情況，則該管段只能滿足p=1 a一遇的降雨，具體的判斷流程如圖1所示。表1總結(jié)了各管段數(shù)據(jù)的整合結(jié)果，詳細(xì)展示了在不同重現(xiàn)期下，管段排水能力所占的管網(wǎng)長度。

圖1 管段排水能力評價技術(shù)流程

表1 城市管段排水能力分級統(tǒng)計

根據(jù)表1的數(shù)據(jù)可知，排水能力在長度方面呈現(xiàn)出明顯的分布差異，以管段長度為例，占比最大的是具有1 a一遇排水能力的管段，超過總長度的一半；相反，具有100 a一遇排水能力的管段占比微乎其微，僅為1.17%。更為引人關(guān)注的是，整個管網(wǎng)長度的96.15%的排水能力都限制在10 a一遇的水平。因此，管段在暴雨來襲時存在較高的滿管風(fēng)險，排水能力相對較弱。在暴雨侵襲時，由于排水能力無法滿足需求，建議在制定應(yīng)急預(yù)案時及時調(diào)配抽排系統(tǒng)，以輔助管段排水，從而避免積水淹沒問題。

鑒于管段排水能力的嚴(yán)峻狀況，研究區(qū)域的排水情況顯得相當(dāng)緊迫。從管線長度和數(shù)量的兩個維度來看，超過90%的管段排水能力都不足以滿足10 a一遇的降雨事件。尤其值得關(guān)注的是，排水能力基本集中在p=1 a一遇和p=2 a一遇的管段占比分別超過50%和40%。為了指定有效的應(yīng)急預(yù)案，特別是在面對排水系統(tǒng)不暢可能導(dǎo)致人口聚集區(qū)域淹水的風(fēng)險時，需要著重加強其他抽排方案的實施，減輕在災(zāi)害中可能面臨的財產(chǎn)損失，從而確保城市的抗災(zāi)能力得到最大程度的提升。

2.2 設(shè)計降雨情景二維模型結(jié)果分析

在城市管網(wǎng)設(shè)計降雨場景仿真中，將數(shù)字高程模型引入，拓展了SWMM一維城市雨水管網(wǎng)模型的應(yīng)用。通過運用九種不同重現(xiàn)期的芝加哥雨型，構(gòu)建了ICM二維城市地表淹沒模型，并展示了每個情景下研究區(qū)域的積水變化情況。通過整理城市二維地表淹沒模型的結(jié)果，得到不同降雨情景下的地表徑流峰現(xiàn)時間、積水面積、積水滯留持續(xù)時長等數(shù)據(jù)[7]，詳見表2。從積水面積上可以看出，隨著暴雨重現(xiàn)期的持續(xù)增加，城市的積水面積逐漸擴大。特別值得注意的是，在重現(xiàn)期為2 a一遇的情景下，積水面積是重現(xiàn)期為1 a一遇情景的6.78倍，擴大了5.78倍，且超過了區(qū)域總面積的10%。

表2 城市不同重現(xiàn)期降雨下模型指標(biāo)

當(dāng)設(shè)計降雨量從重現(xiàn)期為2 a一遇增長到重現(xiàn)期為10 a一遇時，城市積水面積的變化并不明顯。然而，當(dāng)降雨量進(jìn)一步增至重現(xiàn)期為20 a一遇時，積水面積顯著提升，達(dá)到了重現(xiàn)期為10 a一遇的1.7倍，擴大了0.7倍，且超過了區(qū)域總面積的20%。進(jìn)而，重現(xiàn)期與積水面積呈正相關(guān)。當(dāng)降雨量分別從重現(xiàn)期為20 a一遇到重現(xiàn)期為30 a一遇、從重現(xiàn)期為30 a一遇到重現(xiàn)期為50 a一遇、從重現(xiàn)期為50 a一遇到重現(xiàn)期為100 a一遇時，積水面積分別增加了0.36倍、0.32倍和0.26倍。在重現(xiàn)期為100 a一遇情景下，積水面積已達(dá)到191.934 hm2，占研究區(qū)域的45.22%。這樣巨大的淹沒面積可能導(dǎo)致嚴(yán)重的財產(chǎn)損失，并對人民生命安全構(gòu)成威脅。為提前做好防汛準(zhǔn)備，在暴雨來臨之前，防汛部門應(yīng)與氣象部門密切合作，持續(xù)監(jiān)測暴雨的降雨量以及暴雨雨型，有效開展防洪預(yù)警、預(yù)判和預(yù)防工作。

從各類時間數(shù)據(jù)來看，根據(jù)表2的結(jié)果可以觀察到，伴隨暴雨重現(xiàn)期的延長，地表積水的開始時間階梯式提前。當(dāng)降雨重現(xiàn)期從重現(xiàn)期為1 a一遇增加到重現(xiàn)期為2 a一遇，以及從重現(xiàn)期為2 a 一遇增加到重現(xiàn)期為3 a一遇時，積水發(fā)生的時間顯著提前，大致提前了10 min左右。在降雨重現(xiàn)期從重現(xiàn)期為3 a一遇到重現(xiàn)期為100 a一遇時，積水發(fā)生時間逐漸呈現(xiàn)前移的趨勢，每次提前約5 min左右。同樣，積水持續(xù)時間的變化趨勢與之一致。在降雨重現(xiàn)期從重現(xiàn)期為1 a一遇增加到重現(xiàn)期為2 a一遇，以及從重現(xiàn)期為2 a一遇增加到重現(xiàn)期為3 a一遇時，大致延長了約10 min左右的積水滯留時間。當(dāng)降雨重現(xiàn)期從重現(xiàn)期為3 a一遇到重現(xiàn)期為50 a一遇時，大致延長了約5 min左右的積水滯留時間，但在降雨重現(xiàn)期從重現(xiàn)期為50 a一遇增加到重現(xiàn)期為100 a一遇時，大致延長了約17 min左右的積水滯留時間，延長了13.71%。原因可能是因為重現(xiàn)期為50 a一遇到重現(xiàn)期為100 a一遇的降雨重現(xiàn)期中，降雨量的急劇增加給城市排水網(wǎng)絡(luò)帶來了極大的挑戰(zhàn)，導(dǎo)致排水網(wǎng)絡(luò)輸送能力達(dá)到負(fù)荷。然而，隨著重現(xiàn)期的延長，在地表徑流峰現(xiàn)時間上，峰值流量出現(xiàn)的時間一直相對緩慢而穩(wěn)定地前移。從重現(xiàn)期為1 a一遇到重現(xiàn)期為100 a一遇的降雨峰現(xiàn)時間只提前了10 min，從7：40提前到7：30，這是變化最微弱的一項。原因可能是管段排水能力匯集在重現(xiàn)期為1 a一遇和重現(xiàn)期為2 a一遇，所以在重現(xiàn)期為1 a一遇情景下，地表徑流量的演變已經(jīng)趨于穩(wěn)定，導(dǎo)致流量峰現(xiàn)時間相對較為緩慢。

觀察表2的數(shù)據(jù)，可以得出結(jié)論，積水的最大深度隨著降雨重現(xiàn)期的延長而逐漸增加。尤其是在重現(xiàn)期為2 a一遇的情景下，積水最大深度是重現(xiàn)期為1 a一遇的6.89倍，深度增加了5.89倍。在降雨重現(xiàn)期從重現(xiàn)期為2 a一遇增加到重現(xiàn)期為3 a一遇時，積水最大深度的波動相對緩和。然而，當(dāng)降雨重現(xiàn)期從重現(xiàn)期為3 a一遇增加到重現(xiàn)期為5 a一遇時，積水最大深度再度明顯擴大，重現(xiàn)期為3 a一遇時的積水最大深度是重現(xiàn)期為5 a 一遇的1.29倍，深度增加了0.29倍。隨著降雨重現(xiàn)期的進(jìn)一步延長，積水最大深度的波動趨于平緩。然而，在重現(xiàn)期為100 a一遇的情景下，積水最大深度仍然增加至1.25 m，高于國家規(guī)范中兒童正常身高的設(shè)定(1.2 m)。因此，在面臨特大暴雨的情況下，首先應(yīng)當(dāng)將積水區(qū)域較深以及易澇區(qū)的特殊人群進(jìn)行轉(zhuǎn)移，從而保證青少年在面臨災(zāi)害威脅時能夠得到及時的安全保障。

3 結(jié) 論

(1) 研究表明，研究區(qū)域的排水狀況異常緊張，管網(wǎng)的排水能力受到極大的制約，無論是管線的長度還是管線的數(shù)目，超過90%的管段的排水性能均不足以應(yīng)對10 a一遇的情況。尤其值得關(guān)注的是，其中約50%和40%分別聚焦在1 a一遇和2 a一遇的降雨情景。在規(guī)劃設(shè)計應(yīng)急預(yù)案的時候，特別是在排水系統(tǒng)受到極端挑戰(zhàn)的情況下，能夠迅速而有效地調(diào)配和執(zhí)行其他可行的抽排方案，以最大限度地減輕潛在的排水問題帶來的影響。

(2) 隨著降雨重現(xiàn)期的延長，峰值流量出現(xiàn)的時間變化較小。積水的起始時間和積水持續(xù)時間的演變趨勢基本相同，主要在降雨重現(xiàn)期從1 a一遇到3 a一遇時表現(xiàn)出較大的變化，而在3 a一遇到100 a一遇時，變化漸趨穩(wěn)定。

(3) 隨著降雨重現(xiàn)期的延長，積水深度和積水面積的變化強烈。在重現(xiàn)期為100 a一遇的情況下，積水面積占了總面積的45.22%，而積水深度則高達(dá)1.25 m。由此可知，防汛部門與氣象部門，在面臨暴雨威脅之前，就應(yīng)當(dāng)保持緊密合作，持續(xù)監(jiān)測暴雨的降雨量以及暴雨雨型，以確保防洪預(yù)警、預(yù)判和預(yù)防工作的有效實施。