王嘉儀，趙連軍，張 華，牛文麗

(1.黃河水利科學(xué)研究院，鄭州 450003；2. 國(guó)家能源局大壩安全監(jiān)察中心，杭州 311122； 3. 河海大學(xué)港口海岸與近海工程學(xué)院，南京 210098)

據(jù)國(guó)家防汛抗旱指揮部統(tǒng)計(jì)，2015年有154個(gè)(截至8月18日)城市因暴雨洪水發(fā)生內(nèi)澇受淹，受災(zāi)人口255 萬(wàn)人，直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)81億元。2014年，包括北京、上海、廣州等大城市在內(nèi)的125座城市發(fā)生了內(nèi)澇；2012-2014年，平均每年有100多個(gè)城市受到外洪內(nèi)澇的威脅；北京、深圳、浙江余姚等地因澇導(dǎo)致人員傷亡事情歷歷在目。因城市建設(shè)的局限性，強(qiáng)降雨導(dǎo)致城市內(nèi)澇已成為一種常態(tài)，大多數(shù)城市往往是“逢雨必澇，逢澇必癱”，各種媒體上關(guān)于城市內(nèi)澇災(zāi)害的報(bào)道屢見(jiàn)不鮮。城市內(nèi)澇災(zāi)害頻發(fā)，不僅影響經(jīng)濟(jì)社會(huì)的正常發(fā)展，造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失，而且影響城市居民的工作和生活秩序，給人民生命財(cái)產(chǎn)造成了嚴(yán)重威脅。當(dāng)前如何解決城市洪水問(wèn)題，具有緊迫的現(xiàn)實(shí)意義和重要的科學(xué)意義。

目前，現(xiàn)代化數(shù)值模擬技術(shù)、遙感和ArcGIS技術(shù)和計(jì)算機(jī)科學(xué)的發(fā)展迅速，使得通過(guò)分析城市洪澇災(zāi)害的形成機(jī)制和原因，進(jìn)而精確預(yù)報(bào)預(yù)測(cè)城市洪水過(guò)程成為可能。城市洪水過(guò)程的模擬大致來(lái)講主要有3種模型：水文模型、水動(dòng)力模型和簡(jiǎn)化模型[1]。

1 SWMM模型

SWMM模型是由美國(guó)環(huán)境保護(hù)署研發(fā)的第一個(gè)集地面水文、水質(zhì)和地下管網(wǎng)計(jì)算為一體的典型水文模型，可用于城市區(qū)域降雨徑流、合流制管網(wǎng)、污水管道和其他排水系統(tǒng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)、情景分析和方案評(píng)估[2]。使用SWMM模型對(duì)城市內(nèi)澇進(jìn)行模擬時(shí)，首先需要對(duì)模擬的計(jì)算域進(jìn)行離散，即將整個(gè)計(jì)算域分為若干個(gè)子區(qū)域，并對(duì)每個(gè)子區(qū)域的水文特征差異性進(jìn)行概化，其次需要確定子匯水區(qū)的出口和用于連接出口的排水管道。該模型對(duì)數(shù)據(jù)要求低、計(jì)算效率高，在全球范圍內(nèi)得到了廣泛應(yīng)用。

基于SWMM構(gòu)建城市雨洪模型需要降雨資料、地形數(shù)據(jù)和排水管網(wǎng)系統(tǒng)資料，可以劃分為實(shí)際數(shù)據(jù)、合成數(shù)據(jù)和參考數(shù)據(jù)3類(lèi)，見(jiàn)表1。

表1 模型基礎(chǔ)數(shù)據(jù)類(lèi)型及獲取方法Tab.1 Type and acquisition of model based parameter

SWMM模型的快速構(gòu)建需要一個(gè)強(qiáng)大的工具對(duì)空間數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，ArcGIS可以高效的獲取、創(chuàng)建、分析和顯示各種類(lèi)型的地理和空間信息數(shù)據(jù)，將圖形和數(shù)據(jù)有機(jī)地結(jié)合在一起，充分地表達(dá)數(shù)據(jù)的地理圖形信息。本文結(jié)合研究區(qū)域規(guī)劃地形圖，利用ArcGIS的水文分析功能、泰森多邊形法和人工手動(dòng)修正相結(jié)合的方法進(jìn)行子匯水區(qū)劃分，并分析統(tǒng)計(jì)出每個(gè)子匯水區(qū)的特征長(zhǎng)度、平均坡降和不透水面積率等。

2 實(shí)例分析

2.1 區(qū)域概況

鄭州市地處中原腹地，面積約7 500 km2，市區(qū)地勢(shì)呈西南高、東北低，西部多丘陵山區(qū)，東部為平原，海拔在75～1 512 m，西部到東部自然坡降為0.34%，落差近30 m。本次選擇鄭州市鄭東新區(qū)新規(guī)劃區(qū)域----運(yùn)糧河組團(tuán)進(jìn)行模擬分析，該區(qū)位于鄭州市區(qū)東38.5 km處，規(guī)劃總用地面積31.42 km2，見(jiàn)圖1。

圖1 運(yùn)糧河組團(tuán)項(xiàng)目區(qū)域規(guī)劃設(shè)計(jì)圖Fig.1 Design drawing of project planning on Yunliang River Zutuan District

2.2 模型構(gòu)建

該區(qū)域?qū)儆谝?guī)劃項(xiàng)目區(qū)，整個(gè)區(qū)域被概化為節(jié)點(diǎn)474個(gè)(其中52個(gè)排放口)、管道422條(其中閉合矩形管道7根，剩余均為圓形，總長(zhǎng)度為505.8 m)，子匯水區(qū)見(jiàn)圖2。

圖2 子匯水區(qū)劃分概化圖Fig.2 Conceptual diagram of catchments area and pipeline

在已劃分的子匯水區(qū)基礎(chǔ)上，利用ArcGIS的Spatial Analyst 工具和Extract Values To Table工具，提取出各個(gè)子匯水區(qū)的平均不透水率和平均坡度，不透水面積率在15.3%～75%之間，平均值為72.9%；平均坡度為0.000 1%～0.620 5%之間，平均值為0.205 4%。

參考國(guó)內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道[3-5]，根據(jù)該區(qū)域的地面特征設(shè)定其經(jīng)驗(yàn)參數(shù)為：透水區(qū)和不透水區(qū)曼寧系數(shù)分別取0.24和0.024，透水區(qū)和不透水區(qū)洼蓄量分別取6.5和3.5 mm，最小和最大入滲率分別取3.82和78.1 mm/h，衰減系數(shù)取2h-1，通過(guò)輸入SWMM模型計(jì)算分析知徑流系數(shù)為0.6，符合規(guī)劃區(qū)徑流系數(shù)0.5～0.6的要求。

2.3 管道承載力復(fù)核及優(yōu)化設(shè)計(jì)

在已建好的運(yùn)糧河組團(tuán)區(qū)排水管網(wǎng)模型基礎(chǔ)上，根據(jù)開(kāi)封市暴雨強(qiáng)度公式，選用芝加哥降雨過(guò)程線模型合成重現(xiàn)期P=1年、雨峰系數(shù)r=0.4、降雨歷時(shí)T=120 min的單峰型合成降雨作為模擬降雨輸入，計(jì)算2年一遇和5年一遇降雨的內(nèi)澇情況如圖3和圖4所示，結(jié)果表明節(jié)點(diǎn)J326為發(fā)生溢流最早且最嚴(yán)重的區(qū)域。

選取節(jié)點(diǎn)J326進(jìn)行典型積水點(diǎn)優(yōu)化分析，由圖5可知節(jié)點(diǎn)J326到排放口O51之間，一共有5個(gè)管渠，其中L372和L373為圓管，管徑分別為1和1.1 m，L386、L388和L405為矩形涵管。

管道的設(shè)計(jì)管徑直接影響了管道的過(guò)流能力，分別設(shè)計(jì)兩種管道優(yōu)化方案進(jìn)行對(duì)比分析，方案一：將節(jié)點(diǎn)J326下游管道L372管徑分別擴(kuò)大10%和20%；方案二：將節(jié)點(diǎn)J326下游管道L372和L373管徑分別擴(kuò)大10%和20%，選擇重現(xiàn)期為1年、2年、3年、5年情況下，模擬管道內(nèi)的水流變化情況。

圖3 2年一遇暴雨重現(xiàn)期節(jié)點(diǎn)溢流圖Fig.3 Return period of two years

圖4 5年一遇暴雨重現(xiàn)期節(jié)點(diǎn)溢流圖Fig.4 Return period of five years

圖5 節(jié)點(diǎn)J326下游管道布設(shè)示意圖Fig.5 Sketch map of pipeline layout on the lower part of J326

由圖6和圖7可以看出，1年重現(xiàn)期降雨時(shí)，將節(jié)點(diǎn)J326下游圓形管道管徑統(tǒng)一擴(kuò)大，比單獨(dú)改變一個(gè)管道的管徑能更好地降低管道內(nèi)的最大過(guò)流水深。當(dāng)降雨重現(xiàn)期超過(guò)1年后，將節(jié)點(diǎn)J326下游圓形管道管徑統(tǒng)一擴(kuò)大，可以推遲管道滿(mǎn)管運(yùn)行開(kāi)始時(shí)刻，降低滿(mǎn)管運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)。

圖6 1年暴雨重現(xiàn)期下，管道L372水深過(guò)程Fig.6 Water depths of pipeline L372 under return period of one year

圖7 2年暴雨重現(xiàn)期下，管道L372水深過(guò)程Fig.7 Water depths of pipeline L372 under return period of two years

由表2可以看出：①節(jié)點(diǎn)J326下游管道L372和L373管徑均擴(kuò)大10%時(shí)，節(jié)點(diǎn)可滿(mǎn)足1年一遇降雨不發(fā)生溢流；超過(guò)1年且不超過(guò)10年一遇重現(xiàn)期降雨，與下游管道管徑均不變相比，節(jié)點(diǎn)的溢流時(shí)間最大可以縮短35%，總溢流量減少約65%。而僅改變L372管道時(shí)，節(jié)點(diǎn)的溢流時(shí)間最大縮短僅為10%左右，總溢流量減少約7.5%。②節(jié)點(diǎn)J326下游管道L372和L373管徑均擴(kuò)大20%時(shí)，超過(guò)1年且不超過(guò)10年一遇重現(xiàn)期降雨，與下游管道管徑均不變相比，節(jié)點(diǎn)的溢流時(shí)間最大可以縮短90%，總溢流量最大減少約94%。而僅改變L372管道時(shí)，節(jié)點(diǎn)的溢流時(shí)間最大縮短僅為20%左右，總溢流量最大減少約16%。

表2 節(jié)點(diǎn)J326下游管道優(yōu)化對(duì)節(jié)點(diǎn)溢流情況對(duì)比表Tab.2 Correlation table of overflow conditions of node J326 with pipes' Optimization

注：H為溢流持續(xù)時(shí)長(zhǎng)，min；Q為總溢流量，m3。

3 結(jié) 語(yǔ)

城市雨洪模型SWMM發(fā)展至今已形成較為完善的模型框架，本文將ArcGIS作為分析處理工具與SWMM模型聯(lián)合運(yùn)用，顯著地提高了建模的效率和精度，為設(shè)計(jì)、管理部門(mén)快速?zèng)Q策提供科學(xué)依據(jù)，可最大限度地減少洪澇災(zāi)害所造成的損失，可提高城區(qū)防汛管理的現(xiàn)代化水平，實(shí)現(xiàn)城市防汛與城市建設(shè)及社會(huì)經(jīng)濟(jì)的協(xié)調(diào)發(fā)展。

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[1] 胡偉賢，何文華.城市雨洪模擬技術(shù)研究進(jìn)展[J].水科學(xué)研究進(jìn)展,2010,21(1)：137-144.

[2] 劉 俊，郭亮輝，張建濤，等.基于SWMM模擬上海市區(qū)排水及地面淹水過(guò)程[J].中國(guó)給水排水,2006,22(21)：64-66.

[3] Campbell C W，Sullivan S M．Simulating time-varying cave flow and water levels using the Storm Water Management Model[J]．Engineering Geology，2002，65(8)：133-139．

[4] 傅新忠. SWMM在城市雨洪模擬中的應(yīng)用研究[D]. 浙江金華：浙江師范大學(xué), 2012.

[5] Burian S J，Streit G E，McPherson T N，et al. Modeling the atmospheric deposition and stormwater washoff of nitrogen compounds[J]. Environmental Modelling &Software, 2001，16(5)：467-479．