基于SWMM模型的城市內澇成因分析

丁青云　習雪飛

摘要：為探索城市內澇形成原因，研究城市雨洪的形成機理及排水系統的負荷能力，選取杭州西湖區之江新城作為研究對象，以2021年3月19日研究區典型場次降雨為例，采用SWMM模型進行了內澇模擬，并從水量平衡、管道滿載和溢流點等方面進行了分析。結果表明：之江新城73.2%的降水量形成了地表徑流；進入管道的水量中，48.2%的水量經管道直接排入河道，37.3%的水量從雨水井溢流，剩余的水量保留在管道中；50%的管道已經滿管，15.2%井點溢流。研究成果說明城市下墊面的改變會使產流量增加，城市排水系統能力不足會引起城市內澇風險。

關鍵詞：城市內澇； SWMM模型； 水量平衡； 排水系統

中圖法分類號：TU992 文獻標志碼：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2024.04.005

文章編號：1006-0081（2024）04-0031-04

0 引 言

隨著城市化進程加快和人口密度的不斷增長，降雨帶來的水文和水質問題對城市水體的影響日益顯著，城市內澇已成為繼人口擁擠、交通擁堵、環境污染之后的重大城市問題［1］。近年來，“城市看海”現象頻繁發生。2021年河南鄭州“7·20”特大暴雨災害造成了巨大的人員和財產損失［2］。因此，通過城市內澇模擬分析以提前制定相應的干預措施至關重要，內澇治理一直是近年來研究的重難點［3-4］。許多學者采用不同的方法對城市內澇模擬進行了研究［5-6］。然而，因城市雨洪具有隨機性和突發性，導致預測預警不夠精準、內澇成因尚不明晰，故無法采取精準的干預措施。因此，本文選取杭州西湖區之江新城為研究區域，搭建SWMM模型開展城市內澇分析，從水量平衡、管道滿載和溢流點等方面，探索城市內澇成因。

1 研究方法

1.1 模型介紹

SWMM模型具有免費開源和功能全面的特點。模擬輸出具有較好的靈活性，可以跟蹤模擬不同時間步長任意時刻內每個子流域所產生徑流的水量水質，以及每個管道和河道中水的流量、水深及水質等情況。SWMM模型通用性較好，對城市化地區和非城市化地區均能進行水文水質模擬，適用于排水系統相對復雜的區域模擬；在有地表信息和地下管道數據的情況下，既可對小流域進行模擬，也可對較大流域進行模擬［7］。基于上述優點，SWMM是目前經過驗證的在國內外廣泛應用的城市雨洪模型［8-10］。

1.2 計算流程

降雨后，地表-管網-河道水量循環全生命周期如圖1所示。地表的水會經雨水箅子或雨水井點排入管網。當管網中的水滿載，達到其承載能力時，一部分水會溢流再次進入地表，還有一部分水會經過出口排至河道。但是，當管網出口為淹沒出流時，管網中的水因受河道頂托作用無法排出，河道中的水會反流進入管網，進一步加重了管網中的水溢流至地表，而地表中的水會排入附近的河道，當河道中的水超過堤頂高程時，會出現漫堤涌入地表，遇到地勢比較低的地方就會出現內澇。基于上述的水量循環原理分析，梳理模型計算主要流程見圖2。

根據SWMM模型特點，選擇合適的模塊對雨洪進行模擬，主要包括降雨模塊、地表徑流模塊、管網匯流模塊（圖3）。模型計算時，將河道概化為管網，通過設置不同的斷面形狀，采用管網匯流模塊進行河道演進計算。

1.3 建模數據

模型搭建和參數率定涉及以下資料：

（1） 降雨資料。包括實測降雨和設計暴雨，其中設計暴雨選用當地的城市設計暴雨公式，結合芝加哥雨型進行計算。

（2） 排水系統資料。包括雨水管段、雨水節點，數據屬性主要包括長度、管徑（或長與寬）、管道起始端的高程，雨水井或者檢查井深度、地面高程。

（3） 下墊面數據。包括土地利用類型、地形數據等，用來輔助子匯水區離散化劃分及其相關屬性參數的計算。

（4） 邊界數據。主要是排水出口邊界。當沒有邊界數據時，模型默認把排水出口作自由出流處理。

2 實例應用分析

2.1 模擬范圍選取

西湖區位于杭州市西部，轄區東西最大距離17.54 km，南北最大距離30.88 km，總面積312 km2。西湖區轄北山、西溪、靈隱、翠苑、文新、古蕩、轉塘、留下、蔣村、西湖10個街道（其中西湖街道由西湖風景名勝區托管）和三墩、雙浦2個鎮。轄區內有西山國家森林公園、西泠印社、之江國家旅游度假區等知名景區景點；是國家級園區集聚區，包括之江國家旅游度假區、國家高新技術開發區（江北區塊）、浙大國家大學科技園、中國美院國家大學科技園、西溪國家濕地公園和西山國家森林公園。

之江新城屬于西湖區的一部分，由于該區域處于同一匯水區且收集到的管網數據較完整，因此本研究選取以之江路、之浦路、云河路、繞城高速為邊界范圍的之江新城區域進行管網模型搭建，如圖4所示。

2.2 模型參數率定

SWMM模型的參數主要分為產流過程參數、匯流過程參數兩類。產流模塊率定的參數包括地表洼蓄量、入滲模型參數，其中入滲模型采用Horton滲透模型。匯流模塊率定的參數包括曼寧粗糙率。依據SWMM模型參數選取參考文獻報道的經驗值以及研究區域地表特征來確定率定的參數。因收集到的水雨情數據有限，本次模型率定采取現場調查的內澇位置、內澇時間、內澇深度，與模型模擬結果進行對比驗證，從而率定相關模型參數。具體數值見表1。

其他參數根據實際情況計算得到，如子匯水區不透水率，根據研究區域的影像圖和地類分布采用下式計算：

不透水率=1-（A×0.8+B×0.85+C×0.1+D×0.12+E×0.6）/（A+B+C+D+E）

式中：A為水系面積；B為綠地面積；C為道路面積；D為建筑面積；E為裸地面積。

根據收集到的管網數據對雨水井屬性（包括節點高程及地面標高）和雨水管道屬性（包括管徑及管道坡度）進行參數賦值。

2.3 模擬結果分析

選取了2021年3月19日研究區典型場次降雨作為模型計算場景，以通過模擬方法展現暴雨內澇特征，分析暴雨徑流排放、管網態勢，辨識區域內澇問題的成因。

2.3.1 水量平衡分析

根據2021年3月19日降雨的模擬結果，由水量變化可看出，因城市化進程的加快，使之江新城下墊面不斷改變，不透水面積增加，73.2%降水量形成了地表徑流，導致城市內澇形勢嚴峻。作為城市收納雨水的重要對象——地下雨水管道，經模擬進入管道的水量中，48.2%的水量經管道直接排入河道，37.3%的水量從雨水井溢流，剩余的水量保留在管道中（表2）。

2.3.2 管道滿載分析

根據2021年3月19日降雨模擬結果，挑選雨峰時刻進行雨水管道滿載情況分析，如圖5所示。從圖5中可看出，約1/2的管道已經滿管，意味著雨水井的蓄水能力逐漸變小，當達到其最大深度，即會出現溢流情況。

2.3.3 溢流點分析

根據2021年3月19日降雨模擬結果，發現1 375 個雨水井點中有209個井點溢流，達到15.2%，如圖6紅色圓點所示。

2.4 內澇成因分析

根據模擬結果分析得出該區域內澇成因主要包括以下幾個方面：① 因不透水面積增加，短歷時強降雨大部分變為地表徑流；② 內河水位高導致管道淹沒出流，排入管網的水只有接近50%最終流入河道；③ 河道未按照規劃實施，導致水網不連通；④ 管道出口附近沒有河道，使得管道雨水無序散排，不能就近排入河道，造成積水；⑤ 有近50%的雨水管出現滿管情況，設計標準不足。

通過對西湖區防洪規劃的深入了解，得出內澇主要是以下幾個方面導致。

（1） 城市化給城區排澇帶來不利影響。隨著城市化進程加快，原來部分河道水面被填埋，魚塘與農作物種植區轉變為城市建設用地，調蓄容積減少。另一方面，由于城市道路、公建設施、居民住宅密集，地面硬化率較高，城市下墊面降雨匯流特性發生了變化，產流時間縮短、產流量增加等諸多方面均增加了城市內澇的風險。

（2） 城市基礎設施建設降低了原有河道的排水能力。城區河道交叉建筑物多，部分道路建設時將原有的排水通道僅用一個小涵洞代替，建橋時大規模縮窄河道斷面，或在河道中設置阻水橋墩，造成橋涵阻水嚴重，限制和削弱了輸水能力，也制約著排澇閘排水能力的正常發揮，使原有的排水骨干河道網絡系統在城市建設中支離破碎，無法發揮正常的排水作用。

由此可見，根據模擬結果與基于城市規劃得到的內澇成因分析是基本吻合的，說明可將該項研究用于城市內澇預測預警中，進而提高城市內澇風險管理水平。

2.5 合理化建議

針對內澇形成原因，堅持以問題導向為原則，建議從以下幾個方面治理：① 增加綠化面積，提高透水率；② 根據氣象預報降雨，做好河道水位調控，合理降低水位，減少因河道頂托使管道出口排水不暢問題；③ 嚴格按照規劃實施河道治理，增加水網的連通性；④ 增加人工河道，確保管道出口，能將雨水就近排入河道；⑤ 雨水管網改造，增加管道的蓄水量；⑥ 根據城鎮規劃布局、地形，結合豎向規劃和城鎮受納水體位置，按照就近分散、自流排放的原則進行匯水區劃分和系統布局。

3 結 語

本研究旨在將SWMM模型應用到城市內澇模擬分析中，通過水量平衡、管道滿載和溢流點分析，得出研究區域內澇形成的原因，并提出了相應的合理化建議，為城市內澇治理提供了一條可供參考的方法。但是，由于所收集的典型降雨過程數據有限，因此今后還需要進行更深入的研究和驗證，以確保城市內澇模擬分析的精準度和可靠性。

參考文獻：

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（編輯：江 文）

Cause analysis of urban waterlogging based on SWMM model

DING Qingyun1，XI Xuefei2

（1.Zhejiang Water Conservancy and Hydropower Technical Advisory Center，Hangzhou 310020，China； 2.Zhejiang Dayu Information Technology Limited Company，Hangzhou 310020，China）

Abstract： In order to explore the causes of urban waterlogging，the formation mechanism of urban waterlogging and the load capacity of drainage system，Zhijiang New Town of Hangzhou West Lake District was selected as the research object.Taking the typical rainfall in the study area on March 19，2021 as an example，the SWMM model was used to simulate the waterlogging，and the water balance，pipeline full load and overflow point were analyzed.The results showed that 73.2% of precipitation can generate the surface runoff，48.2% of water entering the pipeline was discharged directly into the river through the pipeline，37.3% of the water overflowed from the rainwater well，and the remaining water was retained in the pipeline.50% of the pipe was full，and 15.2% of the well point was overflowed.The results indicated that increased production flow due to the change of the underlying surface of the city and the insufficient capacity of the urban drainage system caused the risk of urban waterlogging.

Key words： urban waterlogging； SWMM model； water balance； drainage system

收稿日期：2023-10-13

作者簡介：丁青云，男，碩士，主要從事水文學及水資源研究工作。E-mail：dqy0505@qq.com