基于SWMM和SCS法的城市內澇模擬及雨水管網系統評估

張金萍，張浩銳，方宏遠

(1.鄭州大學水利科學與工程學院，鄭州 450001；2.鄭州大學黃河生態保護與區域協調發展研究院，鄭州 450001)

隨著城市化進程的加快，城市下墊面發生了巨大改變，植被裸地大面積減少，建筑道路大面積增加，城市區域不透水率顯著增大，雨水的下滲量減少，一旦遭遇強降水或連續性降水，城市排水系統無法快速排出地表雨水，就會引起城市內澇災害[1-3]。

想要改變城市內澇問題日益突出的現狀，城市雨水管網系統的完善和改造是重點，然而我國大部分城市的雨水管網系統設計標準較低，無法應對較高重現期的極端暴雨[4]。應用水文模型模擬不同重現期降雨的城市內澇過程能較好地分析現狀雨水管網運行情況，并為改善城市排水系統和解決城市內澇問題提供思路。20世紀80年代以來，隨著遙感技術[5-7]和地理信息系統[8-9]的發展及其在水文學上的廣泛應用，城市水文學研究取得顯著性進展，且在此期間開發了許多城市水文模型，如暴雨洪水管理模型(stom water management model,SWMM)、STORM、hydrological simulation program-fortran(HSPF)、Wallingford model等[10]，其中SWMM模型因其具有諸多優點得到廣泛應用。例如：曹夢然等[11]基于SWMM分析了南京市秦淮區不同重現期暴雨情景下的管網節點積水情況，并選用淹沒積水深度和淹沒時長2個因素劃分內澇風險等級；朱呈浩等[12]運用SWMM模型模擬了西安市灃西新城區的洪澇過程，并根據溢流節點的積水深度進行了風險評估；宋耘等[13]基于SWMM模擬了南京市2011年“7·18”暴雨的內澇過程，擬合出了地表積水量與最大積水深度的函數關系；張士官等[14]基于SWMM模擬了某老城區雨水管網現狀，分析了檢查井節點溢流與管網超載狀況，提出多種傳統改造方案。當前研究大多數根據模擬結果中管網超載狀況和節點溢流情況進行內澇風險評估或排水系統改造，分析造成管網超載和節點溢流的影響因素以及二者之間聯系的研究尚不多見。因此，本文應用SWMM模型建立鄭州市高新區的城市排水模型，輸入3場不同重現期的實測降雨進行模擬，結合模擬結果對高新區的排水管網系統進行綜合分析，總結管網超載和節點溢流的主要影響因素以及二者之間的聯系，為高新區排水管網系統改善和城市內澇問題治理提供參考。

1 研究區概況

鄭州市高新區位于鄭州市城區西北部，全區管轄面積99 km2，東接環城快速路，南臨西流湖，西接西南繞城高速公路，北臨連霍高速公路。該區位于平原地區，平均坡度0.29%，整體地勢西高東低、南高北低，海拔高度98～119 m。其氣候條件為溫帶大陸性季風氣候，四季分明，全年平均降雨量542.2 mm，降水四季分配不均，多集中于夏季，春旱夏澇現象尤為嚴重[15]。其下墊面情況見圖1，其中：水域約占2.14%；林地約占7.12%；草地約占11.61%；耕地約占19.97%；建筑約占24.5%；未利用土地約占8.73%；道路約占25.93%。高新區的凈雨通過雨水管網匯集排放到索河和須水河中，最終排入賈魯河后流出鄭州市。高新區是1988年啟動籌建的河南省第一個開發區，經過30多年的快速發展，已經成為中國中部頗具競爭力的高新技術產業高地，因此，降低該區的內澇風險、改善城市排水管網系統具有重大意義。

圖1 研究區下墊面情況

2 數據與方法

2.1 基礎數據

水文氣象數據。研究中所采用的水文氣象數據主要包括降雨、徑流和積水點及其分布，其中降雨數據來源于高新區的氣象站點，由于高新區當地缺乏相應的徑流數據，因此后續在模型驗證時采用了綜合徑流系數法，積水點及其分布來源于鄭州市市政工程管理處勘測設計研究所。

下墊面數據。下墊面數據主要包括研究區的土地利用類型數據、DEM高程數據，由地理空間數據云下載高新區的遙感影像數據，應用ENVI的監督分類功能將其土地利用類型分為7類：水域、林地、草地、耕地、建筑、未利用土地和道路。DEM高程數據采用了地理空間數據云中ASTER GDEM 30M分辨率數字高程數據。

管網數據。高新區管網數據從鄭州市排水工程規劃中獲取，其分布情況見圖2，該區共有180根管段，管段總長度101 191 m，最小管徑為500 mm，最大管徑為2 000 mm。

圖2 研究區排水管網分布

2.2 SWMM模型

SWMM模型是美國環保署(Environmental Protection Agency,EPA)于1971年開發的動態降雨-徑流模擬計算程序，主要用于城市區域徑流水量和水質的單一事件或者長期(連續)模擬[16]。軟件的功能由4個模型決定：水文模型、水力模型、水質模型和低影響開發模型(low impact development,LID)，即根據輸入模型的降雨數據和模型系統的處理特性，模擬地表徑流、管網匯流、雨水調蓄設施處理和水質評價[17]。本次研究擬建立雨水管網模型模擬城市內澇過程并對城市管網系統的風險性進行分析，整個模擬過程主要包括以下3個過程。

地表產流過程。SWMM模型將一片區域劃分為3部分，分別為透水面積A1、有洼不透水面積A2和無洼不透水面積A3,其中：A1上的產流不僅要扣除填洼量，還要扣除下滲引起的初損；A2上的產流等于其上的降雨量減去初損即填洼量；A3上的產流等于其上的降雨量減蒸發量。

地表匯流過程。SWMM模型的地表匯流計算采用非線性水庫模型，即聯立求解連續方程和曼寧方程[18]。

管網匯流過程。SWMM模型管網匯流分為恒定流、運動波和動力波:恒定流法認為管道中的水流狀態是均勻恒定的理想狀態，與實際情況不符；運動波法假設管渠中水面坡度即管道坡度，對有壓流、回水逆流、滯水等模擬有局限性，且僅支持模擬樹狀管網[18]；動力波可考慮管段的入口及出口損失，可模擬封閉管渠有壓流及一些復雜多變水流狀態。因此，本次研究選用動力波進行管網匯流計算。

3 模型建立

3.1 子匯水區劃分

應用ArcGIS處理高新區的DEM數據進行坡度和坡向分析，大致確定地表雨水的匯流方向和匯流范圍，再以高新區的土地利用類型分類、建筑物分布、道路以及河流水系作為參考進行劃分，全區總共劃分為158個子匯水區，見圖3。

圖3 研究區子匯水區分布

3.2 降雨數據輸入

鄭州市排水規范中的暴雨強度計算公式[19]為

(1)

式中：i為暴雨強度,L/(s·hm2)；P為設計暴雨重現期,a；t為設計暴雨總歷時,min。

根據鄭州市總體規劃，鄭州市中心城區暴雨重現期規劃一般為1～5 a。根據式(1)計算重現期分別為1、2、5 a的降雨量，并從實測降雨資料中選擇雨量、雨強基本對應的3場實測降雨作為基礎數據進行模型輸入與模擬，分析在這3場降雨情況下高新區管網超載及節點溢流情況。表1為3場實測降雨的特征值。

表1 3場實測降雨特征值

3.3 下滲模型選取

高新區作為新建城區，土地利用、土壤類型復雜多樣，耕地、林地、草地以及未利用土地的面積仍占有較大比例，同一子匯水區包含多種土地利用、土壤類型的情況不在少數，而這些匯水區域與不透水率較高的密集城區相比下滲作用有較大的差異，常用于密集城區的Horton模型對于透水面基本采用統一的入滲公式計算，沒有考慮不同透水性地面的差別對入滲過程的影響[20]。徑流曲線數法適用于下墊面、土壤類型復雜多樣的地區[18]，該方法能較好地體現高新區復雜下墊面條件下城區的下滲作用。因此，本次研究的下滲模型選用徑流曲線系數法。

徑流曲線數法(curve number method)的核心就是確定匯水區的CN值，CN值可通過匯水區下墊面的土壤類型、土地利用類型以及土壤前期濕潤程度確定[21]。模型子匯水區CN值計算方法如下：查閱相關文獻資料[22]，確定鄭州市高新區的土壤類型屬于B類土壤(表2為徑流曲線數法土壤類型分類)，從而可查SCS-CN表確定B類土壤、AMCⅡ條件下的CN值(表3)；徑流曲線數法中利用前5 d的降雨深度作為依據，將前期土壤濕潤程度劃分為3個等級[23]，鄭州市高新區由于全年降雨次數少且集中在夏季，因此其平均前期土壤濕潤程度為較為干旱的AMCⅠ，再查CN換算表確定B類土壤、AMCⅠ條件下的CN值(表3)；應用ENVI的感興趣區域工具統計每個子匯水區各土地利用類型的面積占比；用面積對子匯水區中各土地利用類型的CN值進行加權平均計算，即可求得每個子匯水區的CN值。

表2 土壤類型分類

表3 CN值換算

3.4 參數確定

SWMM模型參數分為確定性參數和不確定性參數，其中：確定性參數例如管網長度形狀、尺寸等以及子匯水區面積、坡度、不透水率等是通過基礎數據處理或從鄭州市排水工程規劃中獲取,特征寬度選用公式W=2.29A0.4計算求得，式中A為子匯水區的面積；非確定性參數是通過參考相關文獻來確定[24]，例如透水區、不透水區、管道、河道的曼寧系數分別取0.180、0.021、0.014、0.030，透水區和不透水區的洼地蓄水量分別取6.8、3.5。

3.5 模型驗證

模型輸入3場不同重現期降雨得到模擬結果的地表徑流連續性誤差均為0，流量演算連續性誤差分別為-0.43%、-0.24%和-0.18%，根據模型手冊規定，連續性誤差小于2%可初步判斷模擬結果較為合理。由于缺少實測的徑流資料，因此以輸入模型的3場實測降雨數據為基礎，應用綜合徑流系數法進一步驗證模型[25-26]。根據子流域徑流系數，以子流域面積為權重，求得各子流域徑流系數的加權平均數，即本研究區域的綜合徑流系數。經計算，求得表1中3場實測降雨數據的綜合徑流系數依次為0.658、0.667、0.682，與鄭州市排水工程規劃中規定的密集城區徑流系數0.650相近，且高新區實測的5個積水點位置與模擬結果中的積水點位置一一對應，見圖4，故認為該模型具有較好的適用性。

圖4 研究區易澇區

4 結果分析

4.1 管網超載分析

管網超載運行特性。管段滿管和管段超載是衡量排水管網運行能力的重要評價指標。管段滿管是指管段的充滿度為1，而管段超載是指管段存在非正常流動現象。非正常流動現象是指管段由于實際流量大于滿流流量(指管段恰好充滿時的流量)或實際流速較大而造成的管段超負荷現象。表4顯示出不同重現期降雨條件下排水管網的運行特性。

表4 不同降雨重現期管網運行特性

由表4可知，管段滿管率和管段超載率隨著降雨重現期增大而增大：降雨重現期為1 a時，管段滿管率為4.4%，管段超載率為4.4%；降雨重現期為2 a時，管段滿管率為24.53%，管段超載率為24.53%；降雨重現期增加到5 a，管段滿管率為33.96%，管段超載率為32.08%，且有3根管段的最大流速超過了規范中管段的最大設計流速。

超載管段情況分析。管網超載主要是管網流量異變，管網最大充滿度發生變化。根據3場不同重現期降雨條件下管網流量與管網最大充滿度，可將超載管段分為4種情況：第1種情況，最大流量/滿流流量>1，最大充滿度=1；第2種情況，最大流量/滿流流量>1，最大充滿度<1；第3種情況，最大流量/滿流流量<1，最大充滿度=1；第4種情況，最大流量/滿流流量<1，最大充滿度<1。在3場實測降雨模擬結果中，這4種情況的超載管段數分別占超載管段總數的47.42%、8.25%、15.46%、28.87%，其中，第1種情況超載管段比例最高，第2種情況最低。

管段的滿管時長、超載時長以及滿管數量隨著降雨重現期的增大而增大，同時超載管段內部的情況呈現由不超載—第4種情況—第3種情況—第2種情況—第1種情況逐漸轉變的趨勢，見表5。

表5 典型超載管段內部情況變化

隨著降雨重現期增加，地表產匯流水量加大，進入管網的雨水也越來越多，管段逐漸被充滿并且最大流量超過滿流流量，這也體現了管段由不超載到超載再到嚴重超載的變化過程，從而導致管段超載時長增加。

超載管段等級劃分。根據管段超載時長的特點將超載管段分為3個等級，分布情況見圖5。具體內容如下：

圖5 不同重現期降雨條件下超載管段和積水節點等級分布

0～1 h為安全超載管段，雨水管段可以迅速排出城市子匯水區的雨水，超載時間較短，對管段壽命影響較小，兩端節點沒有產生積水或一端產生積水，大部分為短歷時積水，對城市交通和居民生活影響小，個別管段兩端節點產生長時間積水也是由于上下游連接了積水超載段或內澇超載段。

1～2 h為積水超載管段，雨水管段不能迅速排出城市子匯水區的雨水，超載時間較長，對管段壽命影響較大，兩端節點大部分都產生積水，節點積水時間較長，表明積水在地表停留一段時間，對城市交通和居民生活影響較大 。

大于2 h為內澇超載管段，雨水管段嚴重超負荷，管段很難滿足周圍子匯水區的雨水排放量，超載時間很長，對管段壽命影響很大，兩端節點大部分都產生積水，節點積水時間長、范圍大、深度深，并且影響上下游管段的超載性，由于積水量大、在地面滯留時間長，因此易造成城市嚴重的內澇問題。

超載管段原因分析。對不同等級下的超載管段進行分析，發現超載管段的超載原因主要分為主動超載和被動超載兩種，其中：主動超載是單根管段超載，該管段周圍通常子匯水區面積大、不透水率高，在降雨重現期較低的情況下管段兩端節點大部分不產生積水，能快速排出地面雨水量，僅在重現期較高的情況下易造成管段兩端節點產生積水；被動超載是兩根及以上的管段系統超載，某根管段由于上下游連接了超載較為嚴重的主動超載管段，導致連接在一起的這兩根或多根管段共同超載，無論降雨重現期高低，都易造成整個管段系統周圍節點和內部連接點產生積水。表6反映了不同重現期降雨條件下不同等級典型超載管段特性及超載原因。

表6 不同重現期降雨條件下不同等級典型超載管段特性及超載原因

由表6可知：安全超載管段主動超載是因為管段周圍匯水區不透水率高、面積大，造成管段短時間的超載；積水超載管段主動超載是因為管段周圍匯水區不透水率高、面積大，造成管段較長時間的超載；內澇超載管段主動超載是因為管段周圍匯水區不透水率高、面積大且數量多，造成管段很長時間的超載。在3種等級下超載管段的被動超載則均是由于上下游連接管段中有積水超載段或內澇超載段，造成本應不超載的管段短時間的超載現象。被動超載管段上下游連接管段的數量和超載時長嚴重影響著該管段的超載時長，其超載時長會隨著它上下游連接超載管段的數量增加、等級變化以及超載時長延長而延長。

因此可以得出：安全超載段能較快速排出地面雨水，對管段壽命影響較小，且不易造成連接管段節點積水或積水時間短;對于主動超載和被迫超載組成的超載系統(由多根安全超載管段和積水或內澇超載管段形成的管段超載系統)，增大其中的影響周圍管段超載性較大管段的尺寸、坡度或降低其周圍匯水區的不透水率，可以改善整個管段超載系統;積水超載段和內澇超載段容易使周圍管段出現短時間的被迫超載現象——被迫安全超載段。

4.2 節點溢流分析

積水節點等級劃分。隨著降雨重現期的增大，積水節點的數量也隨之增多。降雨重現期為1 a時有8個節點產生積水，降雨重現期為2 a時有37個節點產生積水，降雨重現期為5 a時有60個節點產生積水。

根據鄭州市市政排水管理部門相關標準，認為積水時長在2 h以內的積水點可以迅速排出，不會產生內澇，由此根據積水節點的積水小時數對其進行等級劃分，劃定積水小時數0～2 h為積水點、2～4 h為內澇點、大于4 h為洪澇點。不同重現期降雨條件下積水節點統計情況見表7，分布情況見圖5。

表7 不同重現期降雨條件下積水節點統計情況

積水點積水原因分析。對市政部門提供的高新區5個實測積水點所處位置的地理特性和環境特性進行分析,實測積水點空間地理環境見圖6。

圖6 實測積水點空間地理環境

實測積水點1：該節點位于高新區的密集城區和管網密集的路口，排入該節點的匯水區不透水率為66.96%，CN值為80.530 0，雨水下滲量少，排入節點的雨水量多，使節點易產生積水。

實測積水點2：該節點位于高新區的密集城區和管網密集的路口，為3個子匯水區的排放口，不透水率分別為43.17%、45.81%、59.88%，CN值分別為67.477 8、67.809 9、76.968 0，雨水下滲量少，排入節點的雨水量多，使節點易產生積水。

實測積水點3：該節點位于高新區的密集城區和管網密集的路口，為2個子匯水區的排放口，不透水率分別為61.11%、64.01%，CN值分別為76.260 4、77.434 5，雨水下滲量少，排入節點的雨水量多，使節點易產生積水。

實測積水點4：該節點位于高新區的密集城區和管網密集的路口，為3個子匯水區的排放口，不透水率分別為72.99%、48.03%、76.24%，CN值分別為83.154 6、74.770 0、85.519 1，雨水下滲量少，排入節點的雨水量多，使節點易產生積水。

實測積水點5：該節點位于高新區的密集城區和管網密集的路口，為3個子匯水區的排放口，子匯水區不透水率分別為68.82%、57.19%、33.49%，CN值分別為81.221 4、75.275 4、63.434 3，雨水下滲量少，排入節點的雨水量多，使節點易產生積水。

可見積水點產生的主要影響因素有匯水區不透水率、匯水區CN值、匯水區總面積、城市密集程度以及管網密集程度。表8為在不同重現期降雨條件下模型模擬的典型積水節點影響因素分析。

表8 不同重現期模型模擬的典型積水節點影響因素分析

4.3 管段和節點綜合分析

由圖5可以看出，管段超載和節點溢流有著十分緊密的聯系，隨著降雨重現期的增大，超載管段數量和積水節點數量均增多，超載管段兩端的節點易產生溢流，且大部分情況下超載等級較高的管段的上下游節點積水等級也較高，二者具有緊密的正相關關系。

根據高新區的超載管段和溢流節點的密集程度以及實測積水點分布，可以明顯看出高新區有4個易澇區，見圖4(以降雨重現期5 a一遇為例)。這4個易澇區均處于高新區的密集城區、商業區和管網密集的路口，并與高新區實測積水點位置大體一致。

5 結 論

在SWMM模型構建中下滲模型選擇了徑流曲線數法，高新區3場實測降雨模擬結果計算得出的綜合徑流系數與鄭州市排水工程規劃中規定的鄭州市密集城區綜合徑流系數相近，且高新區實測的5個積水點與模擬結果中的積水點相對應，因此認為該下滲模型在下墊面類型復雜的鄭州市高新區有較好的適用性。

模擬結果表明鄭州市高新區的雨水管網系統可有效抵御重現期1 a的降雨，而在遇到重現期2 a及以上的降雨時，會出現不同程度的管段超載和節點溢流現象，因此鄭州市高新區雨水管網系統無法滿足鄭州市排水工程規劃中要求的1～5 a的暴雨重現期規劃。

根據3場不同重現期降雨條件下管網流量與管網最大充滿度，可將超載管段分為4種情況：第1種情況，最大流量/滿流流量>1，最大充滿度=1；第2種情況,最大流量/滿流流量>1，最大充滿度<1；第3種情況，最大流量/滿流流量<1，最大充滿度=1；第4種情況，最大流量/滿流流量<1，最大充滿度<1。管段的滿管時長、超載時長以及滿管數量隨著降雨重現期的增大而增大，同時超載管段內部的情況呈現由不超載—第4種情況—第3種情況—第2種情況—第1種情況逐漸轉變的趨勢。

分別對鄭州市高新區的超載管段和積水節點進行了等級劃分：根據超載時長將超載管段分為安全超載管段、積水超載管段和內澇超載管段；根據積水時長將積水節點分為積水點、內澇點和洪澇點。管段超載有主動和被動兩種情況，其主要影響因素為上下游管段超載情況、兩端節點積水情況以及周圍匯水區不透水率及其總面積；節點積水的主要影響因素為匯水區不透水率、CN值、總面積以及城市和管網的密集程度。

管段超載和節點溢流存在一定的聯系，隨著降雨重現期的增大，超載管段數量和積水節點數量均增多，超載管段兩端的節點易產生溢流，且大部分情況下超載等級較高管段的上下游節點積水等級也較高，二者具有緊密的正相關聯系，由此導致高新區具有4個明顯的易澇區。