胡彩虹 李東 李析男

摘 要：以貴州省貴安新區(qū)示范區(qū)為例，構(gòu)建暴雨洪澇模型（SWMM），選擇SCS徑流曲線計(jì)算下滲量，比較模型模擬流量與研究區(qū)排水口的實(shí)測(cè)流量，結(jié)果表明模擬徑流過(guò)程與實(shí)測(cè)徑流過(guò)程吻合度較好，用于校準(zhǔn)和驗(yàn)證的5場(chǎng)降雨徑流的模擬誤差分析和Nash系數(shù)也均符合標(biāo)準(zhǔn)。研究表明，SWMM模型可應(yīng)用于貴安新區(qū)城市洪澇的模擬，可以為該地區(qū)海綿城市建設(shè)以及雨洪管理措施的實(shí)施提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：貴安新區(qū)示范區(qū);SWMM;SCS徑流曲線;雨洪模擬

中圖分類(lèi)號(hào)：TV121 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.05.002

Abstract：Taking the demonstration area of Guian New District as an example， the storm flood model was constructed and the SCS runoff curve was selected to calculate the infiltration amount. Comparing the simulated flow of the model with the measured flow of the drainage outlet in the study area， the results showed that the model-simulated runoff process was in good agreement with the measured runoff process. The simulation error analysis and Nash coefficients of five events of rainfall runoff used for calibration and verification were also in accordance with the standards. The research shows that the SWMM model can be applied to the simulation of urban floods in Guian New District， which can provide an important theoretical basis for the construction of sponge cities and the implementation of stormwater management measures in the region.

Key words： demonstration area of Guian New District; SWMM; SCS runoff curve; rain flood simulation

1 引 言

近年來(lái)隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化速度的不斷加快，城市洪水內(nèi)澇問(wèn)題成為威脅城市安全和社會(huì)穩(wěn)定的重要因素之一[1-2]。為了防止城市內(nèi)澇的發(fā)生，增強(qiáng)城市安全防澇能力，國(guó)家越來(lái)越重視城市防洪規(guī)劃設(shè)計(jì)，積極推進(jìn)海綿城市建設(shè)工作。貴安新區(qū)是我國(guó)八大國(guó)家級(jí)新區(qū)之一，力求在新區(qū)建設(shè)過(guò)程中結(jié)合海綿城市設(shè)計(jì)特點(diǎn)，降低城市內(nèi)澇發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)，在這一過(guò)程中對(duì)于城市洪澇的模擬就顯得尤為重要。目前世界上應(yīng)用較為廣泛的城市雨洪模型主要有Infoworks CS模型、MOUSE模型、MIKE Urban模型和SWMM模型等，SWMM模型是由美國(guó)環(huán)境保護(hù)署研究開(kāi)發(fā)的，主要應(yīng)用于城市地區(qū)單一事件或長(zhǎng)期的降雨徑流和水質(zhì)模擬，可以對(duì)降雨形成的徑流經(jīng)地面、河道、排水管網(wǎng)以及蓄水等設(shè)施最終到達(dá)研究區(qū)出口的整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程進(jìn)行計(jì)算，已被國(guó)內(nèi)外學(xué)者應(yīng)用到城市洪澇模擬方面[3-6]。Jeong D. G.等[7]選擇大田諾恩作為研究區(qū)，利用專(zhuān)家系統(tǒng)對(duì)SWMM模型的參數(shù)進(jìn)行求解，研究表明分析結(jié)果可用于分析城市流域?qū)υO(shè)計(jì)降雨時(shí)間分布和城市化的反應(yīng)趨勢(shì);Vander S. M.等[8]應(yīng)用SWMM模型在澳大利亞悉尼市西部進(jìn)行雨洪過(guò)程模擬研究，結(jié)果表明該模型在悉尼市西部具有一定的適用性;Tae Seok Shon等[9]以某工廠為例，運(yùn)用SWMM模型中的低影響開(kāi)發(fā)模塊（LID模塊）進(jìn)行模擬，結(jié)果表明該模塊能夠較好地緩解非點(diǎn)源污染;黃卡等[10-11]根據(jù)研究區(qū)的實(shí)測(cè)資料，運(yùn)用SWMM模型對(duì)城市不同重現(xiàn)期下的暴雨進(jìn)行了模擬計(jì)算;邊易達(dá)[12]運(yùn)用SWMM模型模擬了濟(jì)南市某區(qū)域的排水系統(tǒng)，研究表明SWMM模型在該地區(qū)模擬效果較好;程桂[13]以宜興市某試驗(yàn)區(qū)為例，運(yùn)用SWMM進(jìn)行雨洪控制效果模擬，結(jié)果表明雨洪管理措施可有效降低峰值流量、延緩峰現(xiàn)時(shí)間和減小徑流系數(shù);朱培元等[14]運(yùn)用SWMM模型在不同重現(xiàn)期條件下利用LID措施進(jìn)行模擬，結(jié)果表明雨水桶對(duì)徑流量的削減能力強(qiáng)于綠色屋頂，而綠色屋頂能夠較好地推遲峰現(xiàn)時(shí)間;胡莎等[15]基于SWMM模型構(gòu)建了山前平原型雨洪模型，結(jié)果表明該模型可為山前平原城市的水系排澇規(guī)劃及治理提供依據(jù)。

本文以貴安新區(qū)示范區(qū)為研究對(duì)象，根據(jù)該地區(qū)的水文地質(zhì)條件、下墊面條件和研究區(qū)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)降雨徑流相關(guān)資料，結(jié)合貴安新區(qū)示范區(qū)的空間數(shù)據(jù)進(jìn)行合理的概化，構(gòu)建基于SWMM模型的貴安新區(qū)示范區(qū)城市暴雨洪水模型，以期為貴安新區(qū)海綿城市建設(shè)以及雨洪控制措施的實(shí)施提供理論依據(jù)。

2 研究區(qū)概況

貴安新區(qū)示范區(qū)位于貴州省安順市與貴陽(yáng)市之間，占地面積19.10 km2。該區(qū)屬于北亞熱帶高原季風(fēng)濕潤(rùn)氣候區(qū)，氣候適宜，多年平均氣溫為14.8 ℃，多年平均降水量為1 225.6 mm，年內(nèi)降水變化極不均勻，其豐水期主要集中在4—10月，總降水量為1 066.6 mm，占全年降水量的87%。貴安新區(qū)示范區(qū)地處貴州高原中部南段，地勢(shì)整體上西北高、東南低，整體較寬坦。該研究區(qū)域?qū)儆谀厦骱恿饔?，?nèi)部主要有車(chē)田河、汪官水庫(kù)、宴貢水庫(kù)、滴水河（部分）、蘭花河、冷水溝河。

3 數(shù)據(jù)資料與研究方法

3.1 數(shù)據(jù)資料

SWMM模型所需的數(shù)據(jù)主要包括水文氣象數(shù)據(jù)、遙感影像數(shù)據(jù)（LANDSAT8）、數(shù)字高程數(shù)據(jù)（DEM）、城市管網(wǎng)及河道資料等。管網(wǎng)及河道數(shù)據(jù)根據(jù)《車(chē)田河流綜合治理可研設(shè)計(jì)報(bào)告》和《貴安新區(qū)直管區(qū)管線綜合規(guī)劃（2016—2030）》得到。

（1）水文氣象數(shù)據(jù)。實(shí)測(cè)降雨數(shù)據(jù)由研究區(qū)4個(gè)雨量站的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)獲得，實(shí)測(cè)徑流數(shù)據(jù)由S6=S5-S1-S2-S3-S4監(jiān)測(cè)站數(shù)據(jù)得到（見(jiàn)圖1）。本次研究選擇20170711、20170623、20170523、20170903和20170708共5場(chǎng)降雨對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行校準(zhǔn)、驗(yàn)證。

（2）DEM數(shù)據(jù)采用ASTGTM數(shù)據(jù)產(chǎn)品，用ArcGIS10.2計(jì)算出相應(yīng)研究區(qū)的高程、坡度等地形參數(shù)（見(jiàn)表1）。

（3）遙感影像數(shù)據(jù)采用LANDSAT8數(shù)據(jù)，用ENVI5.3.1軟件分析出相應(yīng)研究區(qū)的不透水率等參數(shù)（見(jiàn)表2）。

（4）本研究選用SCS-CN徑流曲線數(shù)模型，根據(jù)貴安新區(qū)示范區(qū)的土壤類(lèi)型和地表覆被條件，進(jìn)行不同土地利用面積的統(tǒng)計(jì)，按照SCS-TR55 1986賦以相應(yīng)的CN值，然后取加權(quán)平均值[16]。CN值與土壤類(lèi)型有關(guān)，研究區(qū)主要為殘坡積紅黏土，次要的是沖洪積卵礫石及砂土，屬于C類(lèi)土壤，其取值范圍見(jiàn)表3。

3.2 研究方法

SWMM模型主要由地表產(chǎn)流、地表匯流和管網(wǎng)匯流等3個(gè)模塊構(gòu)成，對(duì)于地表產(chǎn)流模塊中下滲量的計(jì)算，SWMM模型中有Horton模型、Green-Ampt（G-A）模型和SCS-CN模型三種[17]。貴安新區(qū)示范區(qū)屬于殘丘谷地，洼地、落水洞少見(jiàn)，未有較突出的暗河管道出現(xiàn)，地下水埋深為20～30 m，因而不考慮含水層與地下水的相互轉(zhuǎn)化。在喀斯特地區(qū)，徑流不僅僅受降雨量、降雨強(qiáng)度的影響，還受地表下滲能力的影響，SCS-CN模型能夠客觀反映地表產(chǎn)流受不同土壤質(zhì)地及地表覆被狀況的影響程度，是一種比較理想的喀斯特地區(qū)徑流計(jì)算方法[18]。因此，本次下滲模型選擇SCS-CN模型。

4 模型構(gòu)建

SWMM模型構(gòu)建是一個(gè)非常重要的操作步驟，包括基礎(chǔ)數(shù)據(jù)收集、數(shù)據(jù)導(dǎo)入等前期準(zhǔn)備工作，模型的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)將直接影響模型運(yùn)行結(jié)果的精準(zhǔn)度[19]，模型構(gòu)建流程見(jiàn)圖2。SWMM模型目前已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于全球城市排水系統(tǒng)的規(guī)劃和設(shè)計(jì)計(jì)算，但要將其引用到貴安新區(qū)示范區(qū)，需要結(jié)合貴安新區(qū)的實(shí)際情況進(jìn)行改進(jìn)，主要是對(duì)模型中相關(guān)參數(shù)進(jìn)行率定并檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷倪m用性。只有通過(guò)必要的模型檢驗(yàn)，選擇合理的產(chǎn)匯流參數(shù)，才能將其推廣應(yīng)用到貴安新區(qū)，取得合理的計(jì)算結(jié)果。

4.1 子匯水區(qū)劃分

SWMM模型劃分子匯水區(qū)時(shí)，應(yīng)先在地形圖上明確模型的矢量邊界范圍，再確定研究區(qū)排水口位置并由此劃分子匯水區(qū)。

（1）排水區(qū)域劃分。根據(jù)貴安新區(qū)示范區(qū)實(shí)際的地形地貌、下墊面情況和區(qū)域流水方向進(jìn)行簡(jiǎn)單、合理的概化，將研究區(qū)劃分成若干個(gè)相對(duì)獨(dú)立的排水區(qū)域。

（2）編號(hào)及劃分子匯水區(qū)。根據(jù)貴安新區(qū)示范區(qū)的雨水管網(wǎng)、道路、河道，將每個(gè)排水區(qū)域再細(xì)化為若干個(gè)子匯水區(qū)，并對(duì)所有的子匯水區(qū)進(jìn)行編號(hào)。

（3）求面積。把排水管網(wǎng)導(dǎo)入到SWMM模型中，模型會(huì)自動(dòng)測(cè)量出子匯水區(qū)面積。

（4）資料的輸入。按照SWMM模型要求的格式，首先輸入徑流模塊的降雨及各子匯水區(qū)的資料，然后輸入城市管網(wǎng)、河道等參數(shù)資料，最終形成模型運(yùn)行時(shí)所要求的輸入文件。

（5）模型結(jié)果分析。通過(guò)模型運(yùn)轉(zhuǎn)，得出研究區(qū)出水口的徑流過(guò)程并分析其合理性。

4.2 排水系統(tǒng)概化

根據(jù)貴安新區(qū)示范區(qū)土地利用現(xiàn)狀，建立研究區(qū)城市暴雨洪澇模型。研究區(qū)總面積為19.10 km2，不透水面積為5.41 km2，占總面積的28.35%;透水面積為13.69 km2，占總面積的71.65%。根據(jù)整個(gè)研究區(qū)域的地形地貌、雨水管網(wǎng)、河道、道路等因素，將研究區(qū)共劃分為18個(gè)排水單元、35個(gè)節(jié)點(diǎn)、6個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)和4個(gè)蓄水單元，車(chē)田河橫跨整個(gè)研究區(qū)，示范區(qū)出流監(jiān)測(cè)點(diǎn)S6可控制整個(gè)研究區(qū)的閉合流域（見(jiàn)圖1）。

4.3 參數(shù)校準(zhǔn)與驗(yàn)證

模型的參數(shù)校準(zhǔn)是城市暴雨徑流模擬的重要步驟之一，在建模過(guò)程中模型常常會(huì)產(chǎn)生不確定性，主要原因是由模型參數(shù)的不確定性引起的。SWMM模型參數(shù)主要分為兩類(lèi)，第一類(lèi)參數(shù)通常為區(qū)域特征參數(shù)，可直接獲得，而第二類(lèi)參數(shù)一般無(wú)法直接獲得（見(jiàn)表4）。因此，在運(yùn)用模型的過(guò)程中需要對(duì)模型的第二類(lèi)參數(shù)進(jìn)行校準(zhǔn)驗(yàn)證，來(lái)提高模型模擬結(jié)果的精度及可靠性。

4.4 模型誤差評(píng)定

根據(jù)我國(guó)《水文情報(bào)預(yù)報(bào)規(guī)范》要求，洪水預(yù)報(bào)誤差評(píng)定主要指標(biāo)有洪峰流量、峰現(xiàn)時(shí)間、洪水總量和洪水過(guò)程等，本文采用洪峰流量相對(duì)誤差和Nash效率系數(shù)兩個(gè)指標(biāo)衡量模型模擬精度[21]。

4.5 模型模擬結(jié)果分析

模型模擬時(shí)，河道的初始流量設(shè)置為0，與研究區(qū)出水口的實(shí)測(cè)流量數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，計(jì)算出水口的實(shí)測(cè)流量與模擬流量的Nash-Sutcliff確定性系數(shù)，5場(chǎng)降雨均達(dá)到0.78以上即可。圖3（a）、圖3（b）和圖3（c）為校準(zhǔn)期實(shí)測(cè)流量與模擬流量過(guò)程，圖3（d）和圖3（e）為驗(yàn)證期實(shí)測(cè)流量與模擬流量過(guò)程，洪水模擬效果評(píng)價(jià)見(jiàn)表6。

整體而言，SWMM模型對(duì)貴安新區(qū)示范區(qū)5場(chǎng)降雨模擬效果較好：校準(zhǔn)期的3場(chǎng)降雨洪水過(guò)程中，Nash系數(shù)均大于0.78，洪峰流量相對(duì)誤差大都小于15%;模型驗(yàn)證期20170903和20170708場(chǎng)次暴雨徑流過(guò)程N(yùn)ash系數(shù)均大于0.82，洪峰流量相對(duì)誤差最大為-12.18%。

5 結(jié) 語(yǔ)

以貴安新區(qū)示范區(qū)為例，選擇適合該地區(qū)的SCS徑流曲線估算地表產(chǎn)流，構(gòu)建喀斯特地區(qū)暴雨洪澇管理模型，獲得了較好的結(jié)果，與章程等人利用SWMM模型的SCS徑流曲線下滲方程對(duì)喀斯特地區(qū)徑流響應(yīng)過(guò)程相符合，SCS-CN模型能夠從客觀上反映地表覆被狀況的影響程度，是一種較理想的喀斯特地區(qū)徑流計(jì)算方法。

運(yùn)用SWMM模型對(duì)貴安新區(qū)示范區(qū)進(jìn)行暴雨徑流模擬，模型在校準(zhǔn)和率定過(guò)程中5場(chǎng)降雨的Nash效率系數(shù)均大于0.75，洪峰和洪量相對(duì)誤差均在±20%以內(nèi)，表現(xiàn)出較好的適用性，表明SWMM模型在地形復(fù)雜、水文水力較復(fù)雜的南方喀斯特地區(qū)也具有較好的適用性。SWMM模型在貴安新區(qū)示范區(qū)模擬結(jié)果較為理想，可為該研究區(qū)城市雨洪管理措施提供參考，并為該地區(qū)海綿城市建設(shè)提供技術(shù)支撐。

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