基于SWMM模型的城市內(nèi)澇模擬分析
——以芳村圍排澇片為例

翟明碩，王繼選，管 一，郭亞芬

（1.河北工程大學(xué)水利水電學(xué)院，河北 邯鄲 056038；2.河北工程大學(xué)河北省智慧水利重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 邯鄲 056038；3.韓城市水文水資源節(jié)水中心，陜西 韓城 715400）

隨著對(duì)城市內(nèi)澇問題的不斷研究，以現(xiàn)代化軟件為基礎(chǔ)的內(nèi)澇模型以其強(qiáng)大的耦合能力逐漸成為一種新的發(fā)展趨勢。其中，將GIS 技術(shù)和SWMM相結(jié)合為城市內(nèi)澇問題的研究提出了新方向[1]。自20世紀(jì)中期，國外學(xué)者PALAKA等[2]利用GIS技術(shù)與SWMM 模型基于現(xiàn)有排水系統(tǒng)建立水力和水文模型，重新設(shè)計(jì)雨水排水溝，以保證低洼地區(qū)不會(huì)造成淹沒。SEENU 等[3]利用GIS 技術(shù)與SWMM 模型相結(jié)合，用于研究洪水易發(fā)區(qū)域不同降雨程度下洪水影響的空間范圍，以確定主要淹沒區(qū)域位置，研究結(jié)果有助于管理和緩解洪水以及脆弱地區(qū)的防洪。黃國如等[4]利用SWMM模型與ArcGIS技術(shù)的集成構(gòu)建內(nèi)澇模型，并對(duì)不同暴雨重現(xiàn)期下的淹沒情況進(jìn)行分析。石赟赟等[5]基于GIS 技術(shù)構(gòu)建淹沒分析模塊，與SWMM 模型相結(jié)合，對(duì)城市暴雨內(nèi)澇淹沒范圍和淹水深度進(jìn)行模擬分析，得到的結(jié)果能直觀表現(xiàn)受澇區(qū)淹沒范圍和淹水深度，并對(duì)相關(guān)研究具有一定的應(yīng)用價(jià)值。李智等[6]以山地臨海城市為例，運(yùn)用SWMM 模型結(jié)合ArcGIS技術(shù)，模擬不同暴雨重現(xiàn)期下城區(qū)的內(nèi)澇災(zāi)害情況并分析了受災(zāi)區(qū)域的內(nèi)澇成因。

本文基于GIS 技術(shù)和SWMM 模型，結(jié)合相關(guān)數(shù)據(jù)以及歷史降雨數(shù)據(jù)，對(duì)芳村圍排澇片上的易澇點(diǎn)進(jìn)行內(nèi)澇模擬研究，并利用2021、2022 年汛期實(shí)測降雨過程驗(yàn)證所建模型精度，對(duì)其內(nèi)澇積水等級(jí)進(jìn)行模擬，最后進(jìn)行內(nèi)澇成因分析。本研究成果為以后廣州市的城市內(nèi)澇工作提供參考依據(jù)，同時(shí)為廣州市排水精細(xì)化決策提供科學(xué)依據(jù)。

1 模型介紹

本文通過ArcGIS 軟件對(duì)研究區(qū)域進(jìn)行基礎(chǔ)數(shù)據(jù)分析處理，以DEM 提取地形特征信息，再結(jié)合管網(wǎng)、河流等數(shù)據(jù)，劃分子匯水區(qū)，利用劃分出的子匯水區(qū)進(jìn)行排水管網(wǎng)的概化，最后結(jié)合出水口、檢查井等數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)化為inp 格式導(dǎo)入SWMM 模型中。根據(jù)土地利用數(shù)據(jù)、道路面數(shù)據(jù)、DEM 數(shù)據(jù)確定并調(diào)整面積、坡度和不透水比例等相關(guān)參數(shù)，對(duì)每個(gè)匯水區(qū)進(jìn)行賦值，并對(duì)整個(gè)SWMM 模型進(jìn)行率定[7]。SWMM 模型是一個(gè)動(dòng)態(tài)降雨-徑流模型，主要用于計(jì)算城市區(qū)域的徑流水量和水質(zhì)[8]。

本文中主要采用SWMM 模型[9]對(duì)研究區(qū)域進(jìn)行水文模擬，通過不同實(shí)測降雨模擬結(jié)果得到降雨期間研究區(qū)域積水點(diǎn)積水深度過程線，并與實(shí)際積水深度過程線進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。

2 研究區(qū)概況

荔灣區(qū)位于廣州市的西部，總面積為62.4 km2，是廣州市重要的商業(yè)中心?；ǖ睾訖M穿荔灣區(qū)，流向?yàn)橛杀毕蚰?，本區(qū)東北部有人工湖泊荔灣湖[10]。區(qū)內(nèi)因自然水系分為芳村圍、海龍圍、葵蓬圍排澇片。本文主要研究對(duì)象為荔灣區(qū)內(nèi)芳村圍排澇片，芳村圍排澇片總面積為21 km2。芳村圍排澇片內(nèi)澇點(diǎn)位置，如圖1所示。

圖1 芳村圍排澇片內(nèi)澇點(diǎn)位置

3 內(nèi)澇模型構(gòu)建

本文為了更精確監(jiān)測易澇點(diǎn)內(nèi)澇情況，對(duì)芳村圍排澇片上8個(gè)易澇點(diǎn)進(jìn)行了單獨(dú)建模。

3.1 管網(wǎng)數(shù)據(jù)處理及概化

本文對(duì)芳村圍排澇片上8 個(gè)內(nèi)澇模型進(jìn)行了如下步驟的管網(wǎng)數(shù)據(jù)處理以及管網(wǎng)概化，概化后的芳村圍排澇片管網(wǎng)有1 082 根雨水管道、1 061 個(gè)檢查井節(jié)點(diǎn)、8個(gè)排水口，如圖2所示。

圖2 雨水管網(wǎng)概化

3.2 子匯水區(qū)劃分

匯水區(qū)不可跨越河道，例如河道左岸的地表徑流不可能越過河道流入右岸的管網(wǎng)中，所以需要在生成泰森多邊形之前沿河道分區(qū)。另外，由于Arc-GIS 內(nèi)部工具算法的誤差，生成后的泰森多邊形可能在河道兩岸共屬一個(gè)匯水區(qū)，因此需要人工檢查并修正。沿河道劃分修正的子匯水區(qū)，如圖3所示。

圖3 子匯水區(qū)劃分

3.3 參數(shù)設(shè)置

子匯水區(qū)劃分完成后，還需補(bǔ)充匯水區(qū)的相關(guān)參數(shù)。

（1）研究區(qū)域內(nèi)只設(shè)定一個(gè)雨量站，所以匯水區(qū)的雨量計(jì)參數(shù)統(tǒng)一設(shè)置成固定值。

（2）對(duì)于平原城區(qū)，匯水區(qū)出水口即所在區(qū)域內(nèi)的檢查井，確保編號(hào)一一對(duì)應(yīng)。

（3）匯水區(qū)面積用ArcGIS 軟件自帶的幾何計(jì)算工具計(jì)算補(bǔ)充，默認(rèn)單位是平方米，建模標(biāo)準(zhǔn)格式是公頃，需將計(jì)算后的數(shù)據(jù)除以10 000完成單位轉(zhuǎn)換。

（4）匯水區(qū)的長度是指從區(qū)域內(nèi)一個(gè)點(diǎn)流到另一個(gè)點(diǎn)的最長距離。若將匯水區(qū)概化成矩形，則寬度=面積/長度。水流速度約為0.5～1.0 m/s，匯水區(qū)兩點(diǎn)間最遠(yuǎn)距離的水流時(shí)長約為10～15 min，所以匯水區(qū)長度可按以下公式估算：

式中：L為匯水區(qū)長度（m）；v為流速（m/s）；t為匯水區(qū)兩點(diǎn)間最遠(yuǎn)距離的水流時(shí)長（s）。

由于先前計(jì)算的匯水區(qū)面積單位是公頃，建模需要的寬度單位是米，所以計(jì)算寬度時(shí)還需進(jìn)行單位轉(zhuǎn)換，計(jì)算公式如下：

式中：Width為匯水區(qū)寬度（m）；Area為匯水區(qū)面積（hm2）。

（5）坡度是指坡面垂直高度H和水平距離L的比值，如圖4所示，用百分?jǐn)?shù)表示，計(jì)算公式如下：

圖4 匯水區(qū)坡度計(jì)算

式中：slope為坡度（%）；θ為坡面與水平面夾角（°）；H為坡面垂直高度（m）；L為坡面水平距離（m）

利用ArcGIS 軟件內(nèi)的[3D Analyst 工具]—[柵格表面]—[坡度]，指定各參數(shù)的柵格表面坡度提取工具，提取坡度分布情況，如圖5所示。

圖5 坡度分布

此時(shí)的坡度數(shù)據(jù)是柵格圖層，將其添加到匯水區(qū)圖層的屬性表中。先將其以表格形式分區(qū)顯示，然后通過字段連接將坡度平均值mean值添加到匯水區(qū)屬性表，此時(shí)的坡度值其實(shí)是角度制的坡角，需要將其轉(zhuǎn)成弧度制求正切值，并用百分?jǐn)?shù)表示，按以下公式轉(zhuǎn)換：

式中：slope為匯水區(qū)坡度（%）；mean為坡度平均值（°）

轉(zhuǎn)換后，得到匯水區(qū)的坡度值，最小坡度為0.000 02%，最大坡度為85.14%。

（6）不同下墊面的產(chǎn)匯流參數(shù)不同，所以計(jì)算匯水區(qū)的產(chǎn)匯流參數(shù)時(shí)，首先選取不同土地利用類型的參數(shù)經(jīng)驗(yàn)值，然后根據(jù)面積權(quán)重法計(jì)算每個(gè)匯水區(qū)的參數(shù)值。本文選取的產(chǎn)匯流參數(shù)包括下滲、粗糙系數(shù)、洼地蓄水3 類，共有9 個(gè)，詳見表1。產(chǎn)匯流參數(shù)根據(jù)土地利用類型，參照經(jīng)驗(yàn)值分別選取。

表1 匯水區(qū)經(jīng)驗(yàn)參數(shù)取值范圍

3.4 內(nèi)澇模型率定

本文采用實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)率定和模型驗(yàn)證時(shí)，每個(gè)內(nèi)澇模型至少采用了3 套獨(dú)立的實(shí)測數(shù)據(jù)作為模型基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，并至少對(duì)2 套實(shí)測數(shù)據(jù)和模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，即2 場降雨率定、1 場降雨驗(yàn)證。每次率定應(yīng)選擇并收集3場降雨時(shí)段所對(duì)應(yīng)的降雨監(jiān)測數(shù)據(jù)和內(nèi)澇監(jiān)測點(diǎn)的實(shí)測水深數(shù)據(jù)，作為模型率定工作的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。在率定數(shù)據(jù)選擇時(shí)，還應(yīng)對(duì)模型所用的降雨數(shù)據(jù)進(jìn)行適用性分析，當(dāng)數(shù)據(jù)的質(zhì)量達(dá)到一定范圍內(nèi)才可用于模型的率定。選取的內(nèi)澇監(jiān)測點(diǎn)的實(shí)測水深數(shù)據(jù)、降雨監(jiān)測數(shù)據(jù)的時(shí)間間隔一致。

考慮監(jiān)測點(diǎn)實(shí)際情況，選擇監(jiān)測數(shù)據(jù)監(jiān)測頻次為5 min。率定結(jié)果詳見表2，表中“模擬最大積水深度”為模型中代表易澇點(diǎn)檢查井節(jié)點(diǎn)的最大水深，“實(shí)測最大積水深度”為內(nèi)澇監(jiān)測點(diǎn)的實(shí)測水深最大值。

表2 8個(gè)內(nèi)澇點(diǎn)模型率定結(jié)果

3.5 模擬結(jié)果與分析

經(jīng)過上述步驟的模型率定后，本文選取20220326、20220501、20220512三場實(shí)測降雨數(shù)據(jù)進(jìn)行8個(gè)內(nèi)澇模型的降雨模擬以及結(jié)果分析，20220326場次的結(jié)果如圖6所示并詳見表3，20220501場次的結(jié)果如圖7所示并詳見表4，20220512場次的結(jié)果如圖8所示并詳見表5。其中，內(nèi)澇積水等級(jí)劃分如下：小于0.15 m 為無積水，0.15～0.3 m 為輕度內(nèi)澇，0.3～0.5 m為中度內(nèi)澇，大于0.5 m為重度內(nèi)澇。圖中“實(shí)測值”為內(nèi)澇監(jiān)測點(diǎn)的實(shí)測水深數(shù)據(jù)，“模擬值”為模型中代表易澇點(diǎn)檢查井節(jié)點(diǎn)的水深；表中“模擬最大積水深度”為模型中代表易澇點(diǎn)檢查井節(jié)點(diǎn)的最大水深，“實(shí)測最大積水深度”為內(nèi)澇監(jiān)測點(diǎn)的實(shí)測水深最大值。

表3 20220326場次降雨下積水模擬結(jié)果

表4 20220501場次降雨下積水模擬結(jié)果

表5 20220512場次降雨下積水模擬結(jié)果

圖6 20220326場次降雨下模擬水深與實(shí)測水深對(duì)比

圖7 20220501場次降雨下模擬水深與實(shí)測水深對(duì)比

圖8 20220512場次降雨下模擬水深與實(shí)測水深對(duì)比

從上述模擬結(jié)果可以看出，芳村圍排澇片內(nèi)8個(gè)內(nèi)澇模型的模擬積水深度都與實(shí)際積水等級(jí)完全相符但積水峰值并未達(dá)到完全相同。在本文的模擬結(jié)果中，節(jié)點(diǎn)積水深度模擬值大于內(nèi)澇監(jiān)測點(diǎn)的水深實(shí)測值，這是綜合考慮峰現(xiàn)時(shí)間與峰值2 種因素的結(jié)果。因?yàn)镾WMM 模型在率定過程中，調(diào)整一個(gè)參數(shù)會(huì)同時(shí)影響峰現(xiàn)時(shí)間與峰值，若只考慮峰值相近這一單一因素則會(huì)導(dǎo)致模擬與實(shí)測的峰現(xiàn)時(shí)間相差較大。本次模擬結(jié)果表明，芳村圍排澇片內(nèi)8 個(gè)內(nèi)澇模型模擬積水與實(shí)測積水相比，模擬結(jié)果基本符合內(nèi)澇情況；而且模擬出的峰現(xiàn)時(shí)間和實(shí)際內(nèi)澇積水峰現(xiàn)時(shí)間接近，代表這8 個(gè)內(nèi)澇點(diǎn)有著更精確的模擬效果，可為以后的內(nèi)澇模擬提供更好的依據(jù)。

4 結(jié)論

本文基于GIS技術(shù)和SWMM模型建立了城市內(nèi)澇模擬模型。結(jié)果表明，各易澇點(diǎn)模擬積水過程與降雨過程的變化趨勢基本一致，積水深度峰現(xiàn)時(shí)間相近，因此城市內(nèi)澇的治理可以關(guān)注降雨過程的趨勢；同時(shí)，根據(jù)不同降雨情況下模擬結(jié)果可知，各易澇點(diǎn)模型模擬積水深度與實(shí)際積水深度基本一致，證明本文所使用方法具有可行性。