模型分析下的匯水區(qū)劃分方式對水文模擬結果的影響研究

項 寧，李連文，詹 健，姜章澤君，周金琨

(南昌大學建筑工程學院，南昌 330031)

隨著我國城市化進程加快以及城市的熱島效應的凸顯，導致城市內(nèi)澇頻繁發(fā)生。為更好的解決城市內(nèi)澇頻發(fā)這一難題，出現(xiàn)了各種城市模擬軟件，其中應用較為廣泛的有SWMM、Infoworks、DHI MIKE等[1-6]，在最新修訂的《室外排水設計規(guī)范(2014年版)》中對模型法也做了規(guī)定“當匯水面積超過2 km2時，宜考慮降雨在時空分布的不均勻性和管網(wǎng)匯流過程，采用數(shù)學模型法計算雨水設計流量”[7]。隨著城市雨洪模型的廣泛應用，模型的模擬精度成為重要的研究內(nèi)容之一。

模型構建過程中，子匯水區(qū)的劃分方法會對模型的精度產(chǎn)生影響[8-10]，學界已針對子匯水區(qū)的劃分進行了一些研究。宋瑞寧[11]等利用Infoworks ICM模型，分別以檢查井和雨水口建立了深圳市光明新區(qū)新城公園管網(wǎng)模型，得出在中小尺度下用雨水口為節(jié)點對匯水區(qū)進行劃分，在大尺度下用檢查井為節(jié)點對匯水區(qū)進行劃分。秦攀[12]等認為時間降雨輸入下匯水區(qū)的劃分精度對水質模擬的結果影響較大，單一月份連續(xù)降雨輸入下，匯水區(qū)的劃分精度對水質模擬的結果影響較小。模型匯水區(qū)的劃分方法現(xiàn)以軟件自動劃分(泰森多邊形法)和傳統(tǒng)手動劃分方法為主，因手動劃分匯水區(qū)的復雜性及不滲透系數(shù)等參數(shù)的難以確定性，故針對此兩種方法的研究對比較少。

本文根據(jù)手動劃分匯水區(qū)的難點，選擇可以根據(jù)圖層計算不滲透系數(shù)的MIKE模型，以鷹潭市月湖新區(qū)為例，分別構建軟件自動劃分匯水區(qū)和傳統(tǒng)手動劃分匯水區(qū)兩種模型，并將一維模型MIKE URBAN和二維模型MIKE21耦合建立MIKE FLOOD模型[13]，對兩種匯水區(qū)劃分方式下模擬結果進行分析，為模型構建合理進行匯水區(qū)的劃分提供依據(jù)。

1 研究區(qū)域及邊界數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)概況

本文研究區(qū)位于江西省鷹潭市月湖新區(qū)，面積約為2.43 km2，年均降雨量為1 817.2 mm，降雨主要集中在4-10月，因研究區(qū)為規(guī)劃區(qū)，故下墊面情況根據(jù)道路用地、居民用地、教育及公共設施用地及其他用地來確定，研究區(qū)域用地情況如圖1所示。

圖1 研究區(qū)概況圖Fig.1 Research area overview

1.2 邊界及數(shù)據(jù)

1.2.1 降雨數(shù)據(jù)

目前國內(nèi)對于研究區(qū)域的劃分和降雨不均勻性關系尚無統(tǒng)一規(guī)范標準，一般研究區(qū)域較大時需要考慮各地塊的降雨強度的不同。本文以雨量站為控制點，研究區(qū)域較小，且不涉及跨雨量站以及行政區(qū)域，故不需考慮降雨的不均勻分布。

本文降雨數(shù)據(jù)是通過翻斗式雨量計FC-YL，無紙化記錄儀進行收集得來。其性能符合國家標準GB/T11832-2002《翻斗式雨量計》相關要求。研究區(qū)域的設計暴雨強度公式為：

q=5 020(1+0.694 lgP) / (t+19.7)0.915

(1)

式中：q為暴雨強度，L/(s·hm2)；P為降雨重現(xiàn)期，a；t為降雨歷時，min。

本文研究區(qū)域雨型選用芝加哥雨型，采用短歷時降雨2 h，時間步長1 min，雨峰系數(shù)r=0.4，計算得到5個重現(xiàn)期(1年、2年、5年、10年、20年)下，各場設計降雨過程如圖2所示。

圖2 不同重現(xiàn)期降雨過程線Fig.2 Different return period rainfall process lines

1.2.2 二維地形數(shù)據(jù)

本文地形數(shù)據(jù)來源于規(guī)劃CAD高程數(shù)據(jù)，經(jīng)GIS提取，并進行補充插值，處理成DEM(網(wǎng)格寬度為4 m)，然后利用MIKE ZERO建立.dfs2文件，并對道路進行降低0.15 m，以突出道路的行洪能力，形成二維地形數(shù)據(jù)如圖3所示。

圖3 研究區(qū)地形圖Fig.3 Topographic map of the study area

1.2.3 下墊面及參數(shù)確定

因本次研究區(qū)域為規(guī)劃區(qū)，缺少建筑圖層數(shù)據(jù)，故本次研究提取了道路用地、居民用地、教育及公共設施用地及其他用地四種下墊面類型，子匯水區(qū)不滲透系數(shù)均是由概化的4種不同類型下墊面按比例組成，由軟件根據(jù)不同的面積比例及不同的綜合徑流系數(shù)來計算不滲透率，根據(jù)文獻[14]及《室外排水設計規(guī)范》(GB50014-2006)來確定不同類型下墊面相關參數(shù)見表1。

表1 不同類型下墊面參數(shù)[7]Tab.1 Different types of underlying surface parameters

2 模型的建立

2.1 一維排水模型建立

在排水模型建立前，對研究區(qū)域的節(jié)點和雨水管道概化，節(jié)點包含檢查井及排水口，研究區(qū)域的節(jié)點及管道數(shù)據(jù)來源于規(guī)劃部門提供的CAD圖紙，包含檢查井底標高、管底標高、管道斷面及尺寸，研究區(qū)管道均為圓管，最大直徑為1 800 mm，最小為600 mm。研究區(qū)域排水系統(tǒng)經(jīng)概化后節(jié)點共76個節(jié)點，其中包含4個排水口，共有73條管道連接。將管道和節(jié)點數(shù)據(jù)導入MIKE后，建立研究區(qū)的排水系統(tǒng)的拓撲關系。并將降雨數(shù)據(jù)等邊界條件導入模型。

2.2 子匯水區(qū)的劃分

本文模型建立時采用兩種方案進行子匯水區(qū)的劃分，每種匯水區(qū)的劃分均采用上述4種下墊面的面積比例來計算不滲透率。方案一是以軟件自動劃分匯水區(qū)；方案二是傳統(tǒng)手動劃分方法；具體劃分情況見圖4和圖5。徑流雨水量根據(jù)子匯水區(qū)與節(jié)點的連接流入檢查井并進入雨水管網(wǎng)(見表2)。

圖4 方案一軟件自動劃分匯水區(qū)Fig.4 Program 1 software automatically divides the catchment area

圖5 方案二傳統(tǒng)手動劃分匯水區(qū)Fig.5 Program 2 traditional manual division of catchment area

子匯水區(qū)的水文參數(shù)按照上述的下墊面類型確定，然后根據(jù)降雨徑流模型計算每個子匯水區(qū)的產(chǎn)流量，然后經(jīng)匯流模型計算得到各個檢查井的入流過程線。

2.3 二維模型建立及耦合

二維模型的建立要引入地面基礎地形數(shù)據(jù)，基礎地形數(shù)據(jù)根據(jù)上文處理得到，并對研究區(qū)域以外的區(qū)域進行剔除，將之外的標高進行拔高處理以關閉邊界。二維模型的參數(shù)設置根據(jù)文獻[15,16]確定，初始水位設置為0 m，干水深和淹沒水深分別設置為0.002和0.003 m，糙率設置為默認的32。二維模型建立完成后，利用MIKE FLOOD模型將一維模型和二維模型進行耦合[17]。

表2 不同劃分方式匯水區(qū)對比Tab.2 Comparison of different division methods of catchment area

3 結果與分析

3.1 一維模擬

采用6種不同重現(xiàn)期的芝加哥雨型設計的暴雨，對研究區(qū)域進行一維模擬，統(tǒng)計結果見圖6、表3和表4。

本文管道引用超負荷狀態(tài)S來表示管網(wǎng)的狀態(tài)[18]，當S<1時表示管網(wǎng)處于非滿流狀態(tài)，當12時，管道是由于自身過流能力限制造成的超載。由表2和表3可看出，方案一模擬結果中，S>2的超載管道比例要高于方案二，表明方案一的劃分方式對管道的負荷更大。這主要是由于軟件自動劃分時，匯水區(qū)是根據(jù)檢查井進行劃分，然后徑流流入?yún)R水區(qū)內(nèi)的節(jié)點內(nèi)，而人工進行劃分主要根據(jù)街道和街區(qū)情況進行劃分，對匯水區(qū)匯入節(jié)點通常人為進行定義，更為符合實際徑流情況，而軟件自動劃分匯水區(qū)不會考慮管道的服務范圍，通常會造成管道超出服務范圍而導致管道超載。

圖6 不同重現(xiàn)期時54號排水口流量隨時間變化圖Fig.6 Variation of flow rate of No. 54 outlet with time in different return periods

表3 方案一不同重現(xiàn)期下超負荷管道統(tǒng)計 %

表4 方案二不同重現(xiàn)期下超負荷管道統(tǒng)計 %

由圖6可看出，在不同的降雨強度下，54號排水口流量隨時間的增長曲線走勢基本一致；方案二較方案一明顯可以使匯流延后約10 min；方案一峰值較方案二更大，但峰值持續(xù)時間更短，降雨強度越大越明顯。方案二可使匯流時間推遲主要是由于人工劃分匯水區(qū)時，會定義匯入檢查井為管道最遠點，延長了雨水在上游管道徑流的長度，故而增加了最終匯入時間；峰值對比情況可得出結論：方案一管道流量更加集中，這主要原因是方案一匯水區(qū)的劃分未考慮管道服務范圍，造成部分管道服務范圍更大，流量更加集中，這與管道超載原因相合。

3.2 二維模擬

一維模型和二維模型的耦合過程為：當節(jié)點水位標高高于地面高程時，水流會漫流至二維地形中，當節(jié)點水位標高小于地面標高時，積水會回流至節(jié)點從排水口排出[19]，因此可以模擬出雨水的溢流和積水情況。

根據(jù)《室外排水設計規(guī)范(GB50014-2006)》，當路面積水深度超過0.15 m時，可能會導致車輛熄火；當路面積水深度超過0.5 m時，會形成嚴重內(nèi)澇，影響出行；故本次根據(jù)積水深度分別將0.15和0.5 m作為分界劃分內(nèi)澇等級，根據(jù)不同降雨強度對淹沒水深進行分類統(tǒng)計如圖7、圖8(以2 a、10 a為例)和表5所示。

圖7 2 a研究區(qū)域積水水深(t=80 min)Fig.7 2 a of the water depth in the study area (t=80 min)

圖8 10 a研究區(qū)域積水水深(t=80 min)Fig.8 10 a of the water depth in the study area (t=80 min)

根據(jù)圖7、圖8及表5可知，隨著降雨強度的增大，兩種劃分方式中淹沒網(wǎng)格數(shù)及平均淹沒水深均呈現(xiàn)增加趨勢，且根據(jù)積水水深圖，淹沒區(qū)域大多在道路周邊及低洼地帶；由兩種匯水區(qū)劃分方式結果對比可知，平均淹沒深度方案一的劃分方式中均大于方案二；H≥0.50 m的網(wǎng)格個數(shù)中，不同重現(xiàn)期方案一分別比方案二高100%、22.25%、21.21%、27.62%、27.05%；0.15 m≤H<0.50 m的網(wǎng)格個數(shù)中，不同重現(xiàn)期方案一分別比方案二高29.22%、27.33%、22.74%、14.33%、12.91%。

表5 不同重現(xiàn)期下淹沒水深統(tǒng)計(t=80 min)Tab. 5 Flooding depth statistics under different return periods (t=80 min)

由此可看出，方案一匯水區(qū)劃分方式模擬出的內(nèi)澇程度要高于方案二；而H≥0.50 m與0.15 m≤H<0.50 m的網(wǎng)格個數(shù)之和，不同重現(xiàn)期方案一分別比方案二高129.22%、49.58%、43.96%、41.94%、39.96%，隨著降雨強度的增大，H≥0.15 m的淹沒網(wǎng)格個數(shù)的比值降低，這說明隨著降雨強度的增加，兩種匯水區(qū)劃分方式的內(nèi)澇差異性也隨之降低，雖然匯水區(qū)劃分方式的不同會使管網(wǎng)的負荷和區(qū)域淹沒不同，但這種差異性會隨著降雨強度的增大也隨之減小。

4 結 語

(1)本文采用MIKE FLOOD模型 分別構建了兩種匯水區(qū)模型，結果表明：軟件自動劃分匯水區(qū)的方式管網(wǎng)流量更加集中，管道超載數(shù)量和內(nèi)澇程度均高于傳統(tǒng)手動劃分匯水區(qū)。

(2)子匯水區(qū)劃分是模型建模的主要步驟之一，劃分的好壞對結果精度有較大影響。傳統(tǒng)手動劃分匯水區(qū)可根據(jù)地形及現(xiàn)實情況進行劃分，更加符合實際情況，但此方法劃分比較復雜、步驟繁瑣，更適合在研究區(qū)域較小或降雨強度較小的管網(wǎng)優(yōu)化時使用；而軟件自動劃分匯水區(qū)過程比較簡單，但此劃分不會根據(jù)地形情況進行調整，也不會考慮管道的實際服務范圍，更加適合大研究區(qū)域和城市內(nèi)澇研究時使用。在研究大區(qū)域時，應綜合考慮模型精度和工作效率，將大區(qū)域根據(jù)匯水分區(qū)進行劃分，然后再利用軟件進行自動劃分。

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