基于SWMM模型及GIS技術的城市雨洪調控情景模擬

黃誠 張曉祥 韓煒 劉昌軍

摘要：為解決城市區域在發生暴雨后的內澇問題和探討低影響開發（LID）措施對城市雨洪的調控效果，選取近年內澇頻發的鎮江市老城區作為研究區域，采用SWMM模型構建該地區排水系統模型，模擬了符合當地防洪標準的30 a一遇暴雨條件下管網系統運行情況;然后，以淹沒較為嚴重的匯水區為研究對象，布設4種LID措施及不同組合模擬8種情景下徑流控制情況;最后，在基于遙感技術提取的建筑物屋頂上隨機布設20%，50%，80%的綠色屋頂設施（GR），從空間尺度對比匯水區徑流系數對不同比例LID措施的響應。結果表明：① 在遭遇30 a一遇暴雨情景下，研究區內超過半數的節點和管網發生溢流或超載現象。② LID措施對控制城市雨洪有較好的效果，以S424匯水區為例，在徑流量控制效果上，透水鋪裝>LID組合>綠色屋頂>雨水花園;在洪峰流量削減率上，透水鋪裝和雨水花園效果較好。③ 隨著LID措施布設比例的增加，控制徑流的效果越來越好，當區域內隨機布設80%的綠色屋頂后，匯水區平均徑流系數Ψ縮減60.39%。LID設計方案對海綿城市雨洪調控效果明顯，可為當地內澇治理提供參考。

關 鍵 詞：雨洪調控; 情景模擬; 低影響開發; SWMM模型; GIS; 海綿城市; 鎮江市

中圖法分類號： K909;TU992

文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2022.04.006

0 引 言

隨著城市化進程的推進，城市道路不透水面積和城市人口持續增加，破壞了原有的水文生態，在遭遇短歷時暴雨后，極易形成城市內澇[1]。以2014年為例，全國遭受不同程度的洪澇災害，因災死亡485人，受災人口7 382萬人，受淹或內澇城市125座，直接經濟損失1 500多億元[2]。近20 a鎮江市發展迅速，城市下墊面發生劇烈變化，暴雨內澇問題愈發突出，2015年7月，暴雨洪澇造成鎮江市12.74萬人受災。日前，國務院辦公廳印發《關于加強城市內澇治理的實施意見》中提出用統籌、系統的方法解決城市內澇問題[3]，鎮江市作為第一批海綿城市建設試點城市之一，在綠色基礎設施建設和道路房屋改造方面具有一定的基礎，可為城市雨洪研究提供有力支持。

海綿城市指的是城市面對暴雨等自然災害能夠短時間將其減弱并適應環境達到減災防災的效果[4]。國內對海綿城市的理論研究以城市水文學為基礎[5-6]。劉昌明等[7]提出LID設計應遵循因地制宜、就地消納的原則，充分利用現有的地理要素，采用多種工程措施，維系城市良性水循環。目前在城市暴雨洪水模擬方面已取得了一系列研究成果，其中較具代表性的是美國開發的暴雨管理模型（Storm Water Management Model，SWMM），SWMM模型適用于水文水力條件復雜、以管網系統為主的城市地區。低影響開發（Low Impact Development，LID）是美國提出的新型雨洪管理的理念，主要是對徑流進行源頭管理，近年來越來越多地運用到海綿城市的建設中[8]。LID措施主要包括透水鋪裝、雨水花園、植草溝、綠色屋頂等[9]，已有許多學者對LID措施在海綿城市的應用進行研究[10-11];此外，不同組合的LID措施對城市雨洪的最優控制效果也有較多研究[12-13]，但以上研究在城市下墊面的精度、LID布設合理性以及專題成果圖的可視化表達方面還有所欠缺。

遙感技術為開展水文水資源領域的研究提供了優越的數據源和前提條件[14]。基于此，本文以鎮江市老城區為研究區域，基于遙感正射影像提取匯水區高精度的下墊面作為模型輸入，利用地理信息系統（GIS）合理概化，最終構建SWMM模型;同時將GIS運用于模型參數確定優化、LID布設合理性、專題地圖要素展示及可視化表達，其結果可為老城區更新改造、補齊防澇設施短板提供科學依據。

1 研究區域與SWMM建模

1.1 研究區概況與模型概化

鎮江市地處江蘇省西南部，屬于亞熱帶季風氣候，年降水量約1 088.2 mm，且多集中在夏季，具有“雨量大、時間短”的特點。同時該地屬于“一水橫陳，三面連崗”的河谷盆地，特殊的降雨條件和地理位置使得鎮江面臨外洪與內澇的夾擊，汛期時常出現上有客洪侵襲、下受江潮頂托、南有山洪壓頂、北受臺風的威脅[15]。在2015年6月，由于連日的暴雨，導致鎮江市珍珠橋涵洞積水超過80 cm，給市民生活造成較大的影響。本文以城市中心受災區域作為模擬區域，面積93.40 hm2，根據遙感正射影像（見圖1（a））得到該區域精細的下墊面類型（見圖1（d）），經過概化后得到包含17個匯水區、34個交叉節點以及48根管道的集成SWMM模型（見圖1（c））。研究區內大小河道共4條，地勢整體較為平坦，局部北高南低，高程6.58～15.50 m（見圖1（b）），坡度0.55°～6.85°，排水為雨污分流制，當地管網系統防洪標準為30 a一遇。

1.2 SWMM建模

1.2.1 設計雨量及雨型

根據中國GB 50014-2006《室外排水設計規范（2014年版）》和2014年6月鎮江市政府修訂后的暴雨強度公式（1）進行設計。

i=38.3623+39.0267lgT（t+19.1377）0.975（1）

式中：i為設計暴雨強度，L/（s·hm2）;t為降雨歷時，min;T為設計暴雨重現期，a。設計雨型采用芝加哥雨型，使用符合當地防洪標準重現期T=30 a，降雨歷時t=240 min，峰值比例r=0.4，累計降雨總量100.70 mm作為降雨輸入。

1.2.2 模型參數

城市開發建設會顯著改變地表的微地形特征，進而對子匯水區的劃分與地表徑流特征產生重要影響，科學劃定匯水分區、快速提取相關水文參數是城市水文模型構建的重要基礎[16]。基于研究區DEM（見圖1（b））和下墊面數據（見圖1（d）），最終細分為17個子匯水區。此外，模型下滲模式選擇Horton，匯水區匯流模式采用Outlet模式。最后，利用SWMM模擬地表徑流過程需要一系列的輸入參數，包括確定性參數和經驗性參數。確定性參數主要是匯水區基礎數據（如坡度、寬度、不透水率等），其中坡度由ArcGIS坡度提取工具得到，而寬度由面積除以流長得到，本文采用邊界上距離出口最遠的某個折點來計算流長，匯水區不透水率由下墊面類型和其不透水率[17]決定。而經驗性參數需要通過文獻[15]、SWMM模型手冊以及當地水文部門資料得到各個參數的范圍。為提高參數的準確性，根據實地調查情況及當地水文從業人員實踐經驗和類似區域已公開發表的研究成果確定模型參數（見表1）。將得到的各個參數作為輸入，利用連續方程（公式（2））和曼寧公式（公式（3））求解蒸發、下滲、徑流等輸出結果。

dVdh=Adhdt=Ai″-Q0 （2）

式中：V為總積水量，m3;h為地表水深，m;A為匯水區面積，m2;t為降雨時間，s;i″為凈降雨強度，mm/s;Q0為徑流流量，m3/s。

Q0=W×1n×d-dp53×S12 （3）

式中：W為匯水區特征寬度，m;n為曼寧粗糙系數;d為地表水深，m;dp為地表蓄水最大深度，mm;S為匯水區平均深度，m。

2 現有排水狀況分析

采用公式（1）設計30 a一遇暴雨作為模型輸入對研究區現有的管網系統進行模擬，得到的結果如表2～3所列。

由表2可知，在遭遇30 a一遇降雨時，超載時間超過1 h的節點數有19個，占56%;發生溢流的節點數量為22個，占65%，其中溢流時間超過1 h的節點數為7個，占21%。從表3可以看出超載時間超過1 h的管道數有20條，占42%;最大流量與完全正常流量比例大于1的管道數有17條，占35%。如圖2所示，現有的排水管網系統超過一半的節點和管網出現溢流和超載現象，其中較為嚴重的區域主要分布在研究區南部地勢較低的S419、S424、S435匯水區。

3 不同情景下LID模擬結果

3.1 參數設置

根據對現有排水管網的模擬結果，考慮對發生溢流較嚴重的區域布設LID措施，統計3個匯水區的下墊面數據，如表4所列（考慮到該區域水體較少忽略不計）。

將3個匯水區內30%的綠地改造為雨水花園，30%道路改造為透水鋪裝，對于屋頂占比較高的區域改造30%綠色屋頂以及布設LID的組合措施（10%雨水花園+10%透水鋪裝+10%綠色屋頂）;根據下墊面數據布設不同比例的LID措施，改造的比例分別為0.18，0.30，0.45，0.60。LID自然狀態中主要參數取值參考SWMM手冊和相關文獻[16]，如表5所列。

3.2 模擬分析

分別模擬布設相同比例的雨水花園、透水鋪裝、綠色屋頂和LID組合措施4種方案匯水區的降雨徑流過程（以下墊面較為平均的S424匯水區為例），結果如圖3所示;根據下墊面條件布設透水鋪裝（以道路占比31.23%S419匯水區為例），模擬改造比例分別為0.18，0.30，0.45，0.60后匯水區降雨徑流過程，結果如圖4所示。在此基礎上，在3個匯水區布設相同條件LID措施對比其洪峰流量削減率，如圖5所示，可以看出布設方案對徑流總量和洪峰流量均有一定的削減作用。從圖3可知，S424在布設透水鋪裝后取得較好的成效，控制徑流總量效果上，透水鋪裝>LID組合>綠色屋頂>雨水花園，相較于原始狀態均達到防洪減災的效果。雖透水鋪裝徑流總量大于LID組合，但洪峰流量削減率比LID組合高16%，此外綠色屋頂在該匯水區內的洪峰削減率較差，僅為8%（見圖5）。隨著LID比例的增加，對子匯水區內徑流總量和洪峰流量都有明顯的削減作用，從圖4可知，當改造比例為0.45時已經達到較好的防洪效果，且在徑流量方面與0.60的效果差距不大，但此時洪峰流量的削減率相差12%，因此需要根據實際情況考慮是否繼續改造。透水鋪裝下滲率較高，其效果對于遲滯徑流和削減徑流有著較好的效果，并且隨著LID比例增加，可達到的效果越好。由3個匯水區在各情景下的洪峰流量削減率可以看出，在改造60%的LID措施后，洪峰流量的削減率可以達到65%以上，進一步說明布設LID可達到較好的防洪減災成效。

由于研究區內居民區密集、房屋眾多，為更加精細地分析不同比例的LID措施在空間上對城市雨洪控制的影響，以城市低影響開發和城鎮綠色基建的關鍵措施綠色屋頂（GR）為例進行模擬，能夠直觀地看出空間上不同比例的LID對縮減地表徑流的作用。利用綠色屋頂對房屋屋頂進行改造，綠色屋頂設施增加了雨水的下滲，并對落到屋頂上的雨水有存儲和吸收的作用，對地表徑流減緩有著積極的作用，適用于密集的居民區。本研究根據正射影像提取出精細的屋頂數據，共設計4種方案，在研究區內隨機布設0（原始），20%，50%，80%的綠色屋頂措施（見圖6），根據布設條件在SWMM中重新構建模型，以30 a一遇的設計暴雨作為降雨輸入，模擬4種情景下區域內徑流系數的變化，結果表明布設綠色屋頂對縮減地表徑流有顯著作用。徑流系數Ψ為一定匯水面積內總徑流量與降水量的比值，它說明有多少降雨形成了徑流，綜合反映了匯水區內地理要素對徑流的影響。隨著布設比例增加，各匯水區徑流系數減小，當布設比例達到80%，平均徑流系數Ψ為0.324 5，減小了60.39%，各匯水區的徑流系數級別的空間分布如圖7所示，但研究區南部有兩個匯水區徑流系數變化不大，可能因為在該匯水區內還有其他因素影響徑流，如不透水路面。LID措施控制徑流效果總體較好，但在設計方案過程中，要采用降低環境影響、多種LID措施共用等原則合理改造，充分發揮LID措施滯留和調蓄雨水優勢，做到最佳的設計方案。

4 結 論

（1） 鎮江城區現有排水管網的排水能力在應對當地防洪標準30 a一遇的暴雨時，超過一半的節點和管線發生溢流或超載現象，在地勢低洼的幾個匯水區積水嚴重，需布設LID措施提升防洪能力。

（2） 在單個匯水區內，4種LID措施在削弱徑流總量和洪峰流量方面均有效果。透水鋪裝效果最佳，其后依次是LID組合、綠色屋頂、雨水花園，可以看出透水道路下滲率較高，對降雨滲透較為顯著。對比布設不同比例的LID措施，隨著LID措施比例的增加對徑流的控制效果提升，當布設60%的LID措施后，洪峰流量的削減率最高達到76%。

（3） 從整個研究區來看，與原始方案相比，布設LID措施對地表徑流控制有較好的效果。在研究區域內隨機布設20%，50%，80%綠色屋頂設施，區域平均徑流系數分別減少9.26%，27.63%，60.39%。

研究結果有助于加強鎮江城區海綿城市、韌性城市的建設，可為提升城市重點地區排水防澇能力提供一定的技術支撐。

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（編輯：謝玲嫻）

Scenarios simulation of urban stormwater regulation based on SWMM model and GIS

in Zhenjiang City

HUANG Cheng1，2，3，ZHANG Xiaoxiang1，2，3，HAN Wei2，3，LIU Changjun4，5

（1.College of Hydrology and Water Resources，Hohai University，Nanjing 210098，China; 2.Center for Geospatial Intelligence and Watershed Science，Hohai University，Nanjing 210098，China; 3.Institute of Geographical Information Science and Engineering，Hohai University，Nanjing 210098，China; 4.Research Center on Flood and Drought Disaster Reduction of the Ministry of Water Resources，Beijing 100038，China; 5.Research Center on Flood and Drought Disaster Reduction，China Institute of Water Resources and Hydropower Research，Beijing 100038，China）

Abstract：

To solve urban waterlogging after rainstorm and understand the effect of low impact development （LID） measures on urban stormwater control infrastructure，the downtown of Zhenjiang City，which frequently suffers from waterlogging in recent years，was selected as the study area.The SWMM model was used to construct a drainage system model for the area，and the model simulated the operation of the pipe network system under a 30-year heavy rain that met the local flood control standards.And then taking the heavily submerged catchment area as the research object，4 LID measures and their different combinations were used to simulate the runoff control situation under 8 scenarios.Finally，20%，50%，and 80% green roof （GR） facilities were randomly arranged on the roof of buildings that were extracted by remote sensing，and the response of the runoff coefficient of the catchment area to different proportions of LID measures was compared.The results showed that：① More than half of the nodes and pipe networks were overflowed and overloaded under a 30-year heavy rain scenario.② LID measures showed a good effect on the control of urban rainwater.Taking S424 catchment area as an example，in terms of runoff control，Permeable Pavement>LID Combination>Green Roof>Rain Garden.In terms of peak flow reduction rate，Permeable Pavement and Rain Garden were more effective.③ With the increase of proportion of LID measures，the effect of runoff control was getting better and better.When 80% of the green roofs were randomly arranged in the area，the average runoff coefficient Ψ of the catchment area was reduced by 60.39%.The LID design scheme has obvious effects on the rain and flood regulation in sponge cities，and can provide a reference for local waterlogging management.

Key words：

stormwater regulation;scenarios simulation;low impact development （LID）;SWMM model;GIS;sponge city;Zhenjiang City