基于SWMM模型的暴雨洪水模擬研究
----以鄭州大學(xué)新校區(qū)為例

李 東，薦圣淇，王慧亮，胡彩虹

(鄭州大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院，鄭州 450001)

0 引 言

伴隨著城市化進程的加快，城市人口急速增長，城鎮(zhèn)化的提高導(dǎo)致城市不透水面積的增加，土地利用性質(zhì)發(fā)生重大改變，天然下墊面的狀況發(fā)生了顯著的變化。城市化進程直接影響了流域大環(huán)境的產(chǎn)流規(guī)律，以及取、用、耗、排水條件。同時，在全球變暖背景下，城市氣溫明顯升高，降水呈現(xiàn)出或增或減的趨勢性變化。從我國多數(shù)城市的情況來看，受氣候變化和下墊面環(huán)境變化等多種因素的影響，城市洪澇災(zāi)害發(fā)生次數(shù)不斷增加，且危害等級呈不斷提高趨勢[1]。從2006年開始鄭州市平均每年遭遇暴雨內(nèi)澇災(zāi)害次數(shù)15次，平均每年的暴雨內(nèi)澇災(zāi)害損失超過2億元；2016年7月9日新鄉(xiāng)發(fā)生特大暴雨，使新鄉(xiāng)大部分交通癱瘓，房屋坍塌，車輛受損，超市門面大量被淹，直接經(jīng)濟損失23 071萬元。2016年7月湖北省武漢市發(fā)生持續(xù)暴雨，武漢一周內(nèi)降雨量占全年平均降雨量的40%，近2萬名村民生活的轄區(qū)變?yōu)橐黄粞螅?4人死亡1人失蹤，經(jīng)濟損失22億元。當(dāng)下，城市規(guī)模的擴張已使得水文特征、洪澇災(zāi)害的成因機理發(fā)生變化，隨著城市化向縱深發(fā)展，城市洪澇災(zāi)害將更加頻繁。城市水文效應(yīng)，特別是城市地區(qū)降雨徑流規(guī)律以及應(yīng)對技術(shù)的研究已成為新熱點。利用先進的技術(shù)手段對城市暴雨內(nèi)澇進行模擬分析為城市合理規(guī)劃和防災(zāi)減災(zāi)等提供科學(xué)依據(jù)，已經(jīng)引起人們的重視[2-4]。

自20世紀80年代以來SWMM ( Storm Water Management Model)已廣泛用于我國多數(shù)城市的暴雨徑流模擬研究中，如北京、天津、成都等[5]，均表明SWMM對于不同地區(qū)具有較強的適用性。但是之前的研究多是基于實測數(shù)據(jù)來率定和驗證模型參數(shù)，在一些小區(qū)域?qū)崪y數(shù)據(jù)比較容易獲得，而在大范圍內(nèi)測量降雨的徑流過程操作起來難度很大。本研究與其他研究的不同之處就在于，在沒有徑流過程實測資料的情況下，利用設(shè)計暴雨及雨型模擬鄭州大學(xué)新校區(qū)的暴雨徑流過程。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域的概況

鄭州大學(xué)新校區(qū)選址于鄭州市西邊的高新技術(shù)開發(fā)區(qū)內(nèi)，鄭州高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)位于鄭州市西北部，南臨西流湖，北接邙山，東與環(huán)城快速路聯(lián)，西四環(huán)穿區(qū)而過，距市中心約12 km，南距310國道2 km，北鄰連霍高速公路，對外交通條件優(yōu)越。鄭州市屬北溫帶大陸性季風(fēng)氣候，冷暖氣團交替頻繁，春夏秋冬四季分明。冬季漫長而干冷，雨雪稀少；春季干燥少雨多春旱，冷暖多變大風(fēng)多；夏季比較炎熱，降水高度集中；秋季氣候涼爽，時間短促。全年平均氣溫15.6 ℃；8月份最熱，月平均氣溫25.9 ℃；1月份最冷，月平均氣溫2.2 ℃，全年平均降雨量542.2 mm。整個新校區(qū)規(guī)劃由西四環(huán)、科學(xué)大道、長椿路和蓮花街圍合而成，南北長約2 100 m，東西寬約1 100 m；主要包括辦公樓、教學(xué)樓、宿舍樓、餐廳、廣場、操場、道路和綠地等，總面積284.4 hm2，其中綠地總面積約為113.4 hm2，綠地率約為40%(如圖1所示)。

1.2 SWMM模型概述

SWMM模型是動態(tài)的水文—水力—水質(zhì)模擬模型，主要用于城市某一單一降水事件或長期的水量和水質(zhì)模擬[6]。它可以模擬完整的城市降雨徑流和污染物運動過程，包括地表徑流和排水系統(tǒng)中的水流，雨洪的調(diào)蓄處理過程，以及水質(zhì)影響評價。模型輸出可以顯示系統(tǒng)內(nèi)各點的水流和水質(zhì)狀況。SWMM可以用于規(guī)劃、設(shè)計和實際操作，是一個運用相當(dāng)廣泛的城市暴雨徑流水量、水質(zhì)模擬和預(yù)報模型[7]。模型具體計算過程如下：

(1) 子流域概化。在SWMM模型中，一般將流域劃分成若干個子流域，根據(jù)各子流域的特性分別計算其徑流過程，并通過流量演算方法將各子流域的出流組合起來。各子流域概化成不透水面積和透水面積兩部分，以反映不同的地表特性。

(2) 地表產(chǎn)流計算。對不透水地表凈雨量，只需從降雨過程中扣除初損 (主要是填洼量)即可。在未滿足初損前，地表不產(chǎn)流，一旦初損滿足，便全面產(chǎn)流。對透水地表，除填洼損失外，還有下滲的損失，SWMM模型提供了Horton模型、Green-Ampt模型和SCS模型3種方法計算下滲量。

(3) 地表匯流計算。地表匯流演算的任務(wù)是把各個子流域的凈雨過程轉(zhuǎn)化成流域的出流過程，在SWMM模型中，將子流域的3個組成部分近似作為非線性水庫處理而實現(xiàn)的，即聯(lián)立求解曼寧方程和連續(xù)方程。

(4) 排水系統(tǒng)流量演算。在SWMM模型中，主要通過輸送模塊和擴展輸送模塊來進行排水系統(tǒng)的演算，即通過求解圣維南方程組得出。

1.3 SWMM模型的建立

1.3.1 SWMM模型子匯水區(qū)劃分

據(jù)地形數(shù)據(jù)，將鄭州大學(xué)新校區(qū)概化為20個匯水區(qū)，21個節(jié)點、21條管道和一個出水口，模型概化如圖2所示。

1.3.2 SWMM模型參數(shù)的確定

SWMM模型參數(shù)取值應(yīng)在其符合物理意義的范圍內(nèi)，根據(jù)實測和文獻資料得出SWMM模型中水文參數(shù)[8-10]，在計算各子流域的產(chǎn)流過程中，子匯水區(qū)域主要參數(shù)包括子匯水區(qū)域面積、地面坡度、特征寬度、子流域不透水部分地表水流的曼寧系數(shù)、子流域透水部分地表水流的曼寧系數(shù)、子流域不透水部分洼地蓄水深度、子流域透水部分洼地蓄水深度、無洼地蓄水的不透水面積百分比、模型入滲率及衰減常數(shù)等。根據(jù)校區(qū)排水管數(shù)據(jù)，采用半徑為1 m的圓形管道，進水出水偏移0，管道粗糙系數(shù)取0.01，不同土地利用的徑流系數(shù)根據(jù)SWMM模型用戶手冊確定，模擬過程采用動力波進行流量演算。其子匯水區(qū)域參數(shù)的設(shè)置見表1。

表1 子匯水區(qū)域參數(shù)的設(shè)置Tab.1 Sub catchment area parameter settings

1.4 設(shè)計暴雨

利用中國市政工程中南設(shè)計院編制的鄭州市暴雨強度公式，以及利用芝加哥雨型合成重現(xiàn)期分別為0.5、2、10、50年的降雨事件，其雨峰系數(shù)均為0.4，降雨歷時均為180 min。我國排水管渠設(shè)計的暴雨強度采用下式計算[11]：

(1)

式中：q為平均暴雨強度；P為設(shè)計降雨重現(xiàn)期；T為降雨歷時；A、C、B、n均為常數(shù)，利用統(tǒng)計方法計算確定。根據(jù)中國市政工程中南設(shè)計院編制的鄭州市暴雨強度公式可知：A、C、B和n分別為3073、0.892、15.1和0.824。根據(jù)上述參數(shù)，得到4種不同重現(xiàn)期的降雨強度過程線 (圖3)。

圖3 不同重現(xiàn)期3 h(r=0.4)降雨強度過程線Fig.3 Rainfall intensity process line of 3 h (r=0.4) with different return periods

1.5 方 法

本次對鄭州大學(xué)新校區(qū)進行不同峰值比例、不同暴雨重現(xiàn)期、不同城市化水平以及LID實施等情境下的模擬。不同峰值比例模擬選取模型降雨重現(xiàn)期分別為2 a、10 a、50 a，峰值比例選取0.2、0.4、0.6、0.8的3 h暴雨過程；不同暴雨重現(xiàn)期模擬以現(xiàn)狀不透水面積為60%的情景下，模型降雨采用重現(xiàn)期分別為0.5 a、2 a、10 a、50 a峰值比例r=0.4的3 h降雨來研究鄭州大學(xué)新校區(qū)的降雨、下滲、徑流情況；不同城市化水平選取三種不同的不透水面積比例開發(fā)前39%、現(xiàn)在60%和按規(guī)劃開發(fā)完成后的82%三種情景(分別記為城市化水平Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ)分別進行暴雨洪水模擬，設(shè)計暴雨選擇重現(xiàn)期為2年一遇、峰值比例r=0.4的3 h暴雨過程。

低影響開發(fā)LID是指基于模擬自然水文條件原理，釆用源頭控制理念實現(xiàn)雨洪控制與利用的一種雨水管理方法[12]。鄭州大學(xué)新校區(qū)每年雜用水量(澆灑道路、沖廁等)共141 萬m3，而每年可收集雨量約為354 萬m3[13]。因此，進行校園雨水回收利用具有可行性。根據(jù)雨水收集利用方式將校園分為多個片區(qū)，包括下凹綠地區(qū)、人工濕地集蓄區(qū)、雨水桶收集區(qū)、眉湖植被過濾收集區(qū)、綠色屋頂與雨水花園結(jié)合區(qū)、植被淺溝區(qū)、透水鋪裝區(qū)、運動場排放區(qū)[14]，如圖4所示。

圖4 鄭州大學(xué)雨水利用分區(qū)規(guī)劃圖Fig.4 Rainwater utilization zoning plan of Zhengzhou University

本次的低影響開發(fā)LID采用重現(xiàn)期為3 h的暴雨，模型中假設(shè)50%低影響開發(fā)面積中的凈雨會匯流到各自相應(yīng)子匯水的透水區(qū)進行再次處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同峰值比例情境下的模擬分析

不同峰值比例情境下的模擬結(jié)果見圖5。由圖5可知，研究區(qū)的降雨量不隨峰值比例的變化而變化，不同的重現(xiàn)期暴雨峰值不一樣，但暴雨峰值出現(xiàn)的時間一樣，隨著峰值比例的增加形成暴雨峰值的時間延長，無論是重現(xiàn)期為2 a、10 a、50 a，當(dāng)峰值比例r=0.2時，暴雨峰值出現(xiàn)在40 min；當(dāng)峰值比例r=0.4時，暴雨峰值出現(xiàn)在70 min；當(dāng)峰值比例r=0.6時，暴雨峰值出現(xiàn)在110 min；當(dāng)峰值比例r=0.8時，暴雨雨峰出現(xiàn)在140 min。

圖5 不同峰值比例暴雨過程線 Fig.5 Rainstorm hydrograph with different peak value

2.2 不同暴雨重現(xiàn)期情境下模擬分析

不同暴雨重現(xiàn)期情境下模擬鄭州大學(xué)新校區(qū)，該區(qū)域降雨、下滲、徑流情況如下表2。由表2可知，隨著暴雨重現(xiàn)期的增加，該研究區(qū)域的降雨量和徑流系數(shù)明顯變大，雖然下滲量增加，但是降雨下滲的百分比率下降，說明隨著降雨的增強,下滲相對有所下降，0.5年一遇的降雨入滲率比50年一遇的降雨入滲率增多了26.7%。10 a重現(xiàn)期暴雨徑流量是0.5 a重現(xiàn)期徑流量的近3.3倍，50 a重現(xiàn)期暴雨徑流量是0.5 a重現(xiàn)期徑流量的近4.8倍，說明該區(qū)域?qū)τ诒┯攴浅Ｃ舾?，隨著暴雨重現(xiàn)期的增加，徑流量增幅變大。

表2 不同暴雨重現(xiàn)期情境下模擬結(jié)果Tab.2 Simulation results under different rainfall recurrence periods

2.3 不同城市化水平情境下模擬分析

不同城市化水平情景下暴雨洪水模擬結(jié)果如下表3。由表3可知，不同城市化水平在相同降雨情景下所產(chǎn)生的暴雨洪水過程不一樣，隨著不透水面積的增加，入滲量在減少，而徑流量在增加，所產(chǎn)生的徑流系數(shù)也在增大，在城市化水平I情景下，入滲量較城市化水平Ⅱ情景下增大了9.73 mm，提高74.33%，而徑流深減少8.07 mm，減少率為33.71%，徑流系數(shù)減少17%。而在城市化水平Ⅲ情景下，研究區(qū)的入滲量較城市化水平Ⅱ情景下入滲量減少了6.36 mm，減少了48.59%，而徑流深增大了4.45 mm，增加了18.59%，徑流系數(shù)增大了9.38%。同一地區(qū)，城市化水平越高，徑流系數(shù)就越大，發(fā)生暴雨洪水引起的城市內(nèi)澇的機率就越大。

表3 不同城市化水平情景下暴雨模擬計算結(jié)果Tab.3 Simulation results of rainstorm under different urbanization level

2.4 LID實施情景模擬分析

低影響開發(fā)模擬結(jié)果如下表4所示。由表4可知，在同等的暴雨條件下，LID施前后地表徑流變化比較大，入滲量增加了6.7%，徑流量減少了10.44%。說明低影響開發(fā)(LID)措施對地表徑流控制效果比較明顯，可以起到消減校區(qū)洪水的作用。

表4 LID設(shè)施實施前后地表徑流模擬結(jié)果Tab.4 Simulation results of surface runoff before and after the implementation of LID facility

3 結(jié) 語

本文在介紹了SWMM模型的基礎(chǔ)上，對鄭州大學(xué)新校區(qū)進行了不同峰值比例、不同重現(xiàn)期和不同城市化水平以及低影響開發(fā)措施等情境下模擬研究，結(jié)果表明：

(1)在根據(jù)城市化后鄭州大學(xué)新區(qū)下墊面情況研究的基礎(chǔ)上，通過對該地區(qū)雨洪的成因及現(xiàn)狀的研究，為鄭州大學(xué)新區(qū)暴雨徑流模擬模型的建立打下了良好的基礎(chǔ)、提供了很好的參考資料。

(2)隨著峰值比例的增加形成暴雨峰值的時間延長，但暴雨雨峰不變，暴雨過程線只是進行了左右平移； 10 a重現(xiàn)期暴雨徑流量是0.5 a重現(xiàn)期徑流量的近3.3倍，50 a重現(xiàn)期暴雨徑流量是0.5 a重現(xiàn)期徑流量的近4.7倍，從而說明該區(qū)域?qū)τ诒┯甑拿舾谐潭容^大。

(3)隨著城市化進程加快不透水面積比例增加，入滲量在減少，而徑流量在增加，所產(chǎn)生的徑流系數(shù)也在增大，城市化水平越高，徑流系數(shù)就越大，發(fā)生暴雨洪水引起的城市內(nèi)澇的機率就越大；

(4)低影響開發(fā)措施可以從控制和消減城市洪水的作用，合理利用低影響開發(fā)措施可以有效提高區(qū) 域管網(wǎng)處理一般大暴雨的能力，從而來降低區(qū)域內(nèi)澇發(fā)生的風(fēng)險。

城市暴雨洪水模型的建立、發(fā)展乃至成熟是一個漫長的、不斷修正的過程，本模型也尚存在很多不盡如人意的地方，如該地區(qū)地形、下墊面情況比較復(fù)雜，對模型參數(shù)選取有一定的影響，直接影響了計算的精度，以及降雨過程數(shù)據(jù)的缺失，導(dǎo)致無法與不同峰值與不同暴雨重現(xiàn)期降雨的模擬結(jié)果進行對比，因此仍有許多方面的工作需要進一步研究和探討。

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