城市小區域暴雨積澇模擬的參數率定研究

史瀟，黃亮，彭楊，邱帥，陳昕

(1.江蘇省氣象服務中心，江蘇 南京 210000； 2.南京師范大學，江蘇 南京 210046； 3.南京市測繪勘察研究院有限公司，江蘇 南京 210019)

城市小區域暴雨積澇模擬的參數率定研究

史瀟1*，黃亮1，彭楊2，邱帥3，陳昕3

(1.江蘇省氣象服務中心，江蘇 南京 210000； 2.南京師范大學，江蘇 南京 210046； 3.南京市測繪勘察研究院有限公司，江蘇 南京 210019)

城市化快速發展使得城市暴雨積澇多發。SWMM模型的發展和其在城市中的應用較為成熟，模型所包含的參數物理概念相對清晰。本研究探索在大比例尺、高分辨率的空間地理數據和GIS技術的支撐下，針對城市小區域進行暴雨積澇模擬的參數率定方法，并分析不同參數率定對模型模擬效果的影響，以期提高SWMM模型在城市小區域暴雨積澇應用的準確性。

城市小區域；SWMM；參數率定；GIS

1 引 言

隨著城市化的快速發展，人類活動對城市氣象的影響力越來越顯著。城市綠地面積減小，高程建筑集中，城市硬化面積增加，不斷加劇的城市熱島效應是城市暴雨積澇的直接誘因。此外，快速的城市化進程與緩慢的排水管網改造速度之間的矛盾日益尖銳，排水系統建設滯后，老舊排水設施改造困難，也是引發城市暴雨積澇的主要原因。城市內澇所帶來的一系列社會經濟問題已成為困擾城市發展的主要災害因素。城市暴雨積澇研究越來越成為人們關注的熱點，各種研究反映城市雨洪特點的計算模型陸續被提出并加以應用，比較典型的城市暴雨管理模型有：①1970年美國環境保護署開發研制的暴雨洪水管理模型SWMM(Storm Water Management Model)；②美國工程師協會水文工程中心在1976年完成的水存儲、出口、漫流徑流模型STORM(Storage Treatment and Overflow Runoff Model)；③國內由清華大學規劃院在SWMM模型基礎上提出Digital Water模型，將排水管網動態模擬計算能力和GIS空間管理分析功能融合為一體的城市給水排水模型[1]。

2 研究區域概況和模型選用

2.1 研究區概況

本文研究區域面積約為25.96 ha，區內居民小區建筑較多，多為低矮建筑，地下管線已大多實現雨污分流。境內地勢較高且區域相對獨立，內部管線均向外圍流出且外圍管線無入流。研究區概況如圖1所示。

圖1 研究區域范圍

空間數據源為區域內1∶500比例尺地形圖數據、地下管線數據，1 m×1 m分辨率DEM，1∶2 000比例尺的地表覆蓋圖斑數據。降雨數據采用由江蘇省氣象臺提供的2015年6月25日～6月27日強降雨所發布的降雨數據。結合暴雨淹沒發布官方信息并根據實地走訪調查，對SWMM模型參數進行初步率定。

2.2 城市暴雨積澇模擬模型選用

SWMM模型主要用于城市排水、防澇工程規劃、設計和管理的雨洪模型。芮孝芳等人通過對SWMM的模型結構和參數的剖析，證明其對城市雨洪形成過程的描述是符合迄今為止人們對城市產生匯流規律的認知的[2]。SWMM作為一套功能齊全、界面友好、易于使用的優秀免費軟件，成為許多商業軟件的核心，也為排水系統的科學研究提供了便利[3]。綜合本研究區的實際情況以及研究需要，本文選用SWMM模型來進行南京市暴雨積澇模擬是可行的。

SWMM模型是一種典型的城市雨洪模型，它將城市暴雨內澇過程大致分為三部分：降雨過程、城市地表的產匯流過程、城市排水管網排水過程。其模型基本構成是由城市匯水信息與城市排水管網信息組成的城市排水概化模型。其中，管道節點即檢查井概化為點，排水管道概化為線，城市匯流區概化為面。匯水區的出水口連接有管道節點和排水管道，組成排水管網。其產匯流分析方法是以水文學和水力學為基礎的，能較好模擬城市暴雨積澇過程，本實驗選用的是Horton下滲曲線法。在模擬坡面匯流過程中，利用水量平衡方程和曼寧公式來描述坡面水流。坡面形成的雨洪進入管道就轉入管道匯流階段，提供三種方法來進行管渠管段的流量演算：恒定流演算、運動波演算和動態波演算。由于研究區地形地勢以及排水管網實際規劃的影響，研究區在暴雨積澇過程中回流現象比較顯著。因此本實驗中選用的是動態波演算方法。SWMM的模擬結果如排放口負荷、管段流量、管段超載、溢流節點(檢查井)在某一時間段內的水量容積變化以及洪流的發生等，詳盡地展現了研究區暴雨積澇情況，是后續3D場景可視化模擬的基礎。

3 模型參數選擇及取值

SWMM模型既具有通用性也具有特殊性，對不同地域需要有效地加以取舍和選擇不同的計算參數，以更好地滿足區域適用性[3]。其中部分參數數據，如滲透性/不滲透性洼地蓄水量(mm)、曼寧粗糙系數、管渠進/出水偏移量(m)等，并不能直接通過實測獲得，而是通過經驗方法或者簡化的計算方法獲得，因此在模型應用之前還需要對這部分參數進行率定[4]。本實驗采用調參“試錯法”，即在一定范圍內依次改變模型中的參數，直到其偏離程度被調整到可容許范圍內為止，此時參數值可作為最終值。SWMM模型參數設置主要分為三部分，包括雨量站設置、城市匯水區參數設置和排水管網參數設置。

3.1 雨量站設置

雨量資料是由氣象部門提供的2015年XX雨量站降雨實測數據，為了保證模擬過程順利進行，將降雨資料編輯篩選整理成符合模型需求的時間序列文件，時間步長為 10 min。

3.2 匯水區參數設置

主要匯水區參數中出水口節點、特征寬度(m)、地表平均坡度(%)、不滲透面積百分比(%)是確定性參數，利用本試驗區基礎地理數據計算得到。其余參數為不確定性參數，文獻建議取值范圍即經驗參考值，如表1所示。

匯水區不確定性參數建議取值范圍 表1

3.3 排水管網/管渠參數設置

主要排水管網參數中內底標高(m)、最大深度(m)、管渠進出水口節點、管渠形狀以及管渠進/出水偏移量(m)利用基礎地理數據計算得到。其余3個不確定性參數的建議取值范圍，如表2所示：

管渠不確定性參數建議取值范圍 表2

4 參數率定過程及模擬結果分析

利用試驗區域地表覆蓋、衛星影像、城建普查、大比例尺地形圖以及高精度DEM等數據，劃分子匯水區并計算其透水面和不透水面的面積。應用ArcGIS對試驗區排水管網概化，建立排水管網物理模型，如圖2所示。

圖2 試驗區管網概化及子匯水區劃分

模型參數率定結果 表3

圖3 暴雨積澇區域示意圖

通過不斷調整輸入參數，最后當匯水區和管渠不確定性參數取值接近參考值范圍的中間值時，SWMM模型模擬執行結果報告顯示，模型的地表徑流量誤差為-0.52%，流量演算誤差為0.4%，這說明對于徑流和演算具有可忽略的質量守恒連續性誤差，模擬的質量很好[5～7]。另外，通過收集相關歷史資料并進行實地訪調查，發現當參數取值接近參考值范圍的中間值時，模擬演算得到的暴雨積澇區域與實際發生積澇的位置最相符，模擬效果比較理想。表3為模型參數率定結果，圖3為模擬演算得到的暴雨積澇區域。

5 結 語

SWMM模型包含的各項參數比較完整地描述了城市雨洪的形成過程。本文結合城市小區域高精度、大比例尺基礎地理數據探索了SWMM模型參數率定，通過試錯法對匯水區以及排水管渠的不確定性參數進行調整，使模擬結果與實際情況相符合。該率定方法可為城市小區域利用SWMM模型建立積澇預報預警、防災具有指導意義。

[1] 張杰. 基于GIS及SWMM的鄭州市暴雨內澇研究[D]. 鄭州：鄭州大學，2012.

[2] 芮孝芳，蔣成煜，陳清錦等. SWMM模型模擬雨洪原理剖析及應用建議[J]. 水利水電科技進展，2015(4)：1～5.

[3] 史蓉，龐博，趙剛等. SWMM模型在城市暴雨洪水模擬中的參數敏感性分析[J]. 北京師范大學學報·自然科學版，2014(5)：456～460.

[4] 趙冬泉，王浩正，陳吉寧等. 城市暴雨徑流模擬的參數不確定性研究[J]. 水科學進展，2009，20(1)：45～51.

[5] 黃金良，林杰，杜鵬飛. 城市降雨徑流模擬的參數不確定性分析[J]. 環境科學，2012，33(7)：2224～2234.

[6] 蔣元勇，豐鍇斌，劉學文等. 城市雨洪SWMM模型的敏感參數研究綜述[J]. 生態科學，2015(2)：194～200.

[7] 劉興坡. 基于徑流系數的城市降雨徑流模型參數校準方法[J]. 給水排水，2009，35(11)：213～217.

Research in the Parameter Calibration for Rainstorm Waterlogging Simulation in Small Urban Areas

Shi Xiao1，Huang Liang1，Peng Yang2，Qiu Shuai3，Chen Xin3

(1.Jiangsu Weather Service Center，Nanjing 210000，China； 2.Nanjing Normal University，Nanjing 210046，China； 3.Nanjing Institute of Surveying，Mapping&Geotechnical Investigation，Co.，Ltd，Nanjing 210019，China)

With the rapid development of urbanization，more and more urban rainstorm waterlogging has occurred. The development of SWMM model and its application in the city are more mature，and the physical concepts of parameters which the model contains are relatively clear. This study explores a method of parameter calibration for rainstorm waterlogging simulation in small urban areas under the support of large-scale，high-resolution spatial geographic data and GIS technology，and analyzes the influence of different parameter calibration on the simulation effect of the model to improve the accuracy of SWMM model applied to the rainstorm waterlogging in small urban areas.

small urban area；SWMM；parametercalibration；GIS

1672-8262(2017)02-16-03

P208.2

A

2017—02—21

史瀟(1989—)，女，碩士，助理工程師，研究方向：3S與氣象應用，氣象災害等。 基金項目：江蘇省測繪地理信息科研項目資助(JSCHKY2015012)