基于城市雨洪模型的地表汇流方式选择----以郑州市为例

李 东，荐圣淇，张 颖，胡彩虹

(郑州大学水利与环境学院，郑州 450001)

城市大规模的扩张，使城市下垫面透水性能大大降低，减少了雨水向地下入渗，导致峰现时间提前，汇流速度加快，径流量明显增大，因此引起城市防洪能力下降，导致城市洪涝灾害发生次数不断增加，且危害等级呈不断提高趋势[1-3]。2016年7月武汉发生了特大暴雨，导致城区各处路段被淹，严重威胁着人民群众的生命财产安全，给国家的经济带来了巨大的损失。近几年，城市内涝现象日益频繁，暴雨滞水时间长、深度大、波及范围广等特点，给城市居民生活带来了极大的不便和安全隐患。

近年来，郑州市极端天气频发，短时间、突发性的局部地区暴雨灾害发生的频率较高，由此造成的内涝灾害危险性极大，因此在城市建设过程中必须注重城市洪水的模拟，提前做好相关预报工作，增强城市的防洪能力。然而，城市洪水模拟过程是一个复杂且不确定的过程，只是用简单的运算方法是不能对城市洪水过程进行真实的模拟，诸多研究表明，传统的水动力学算法计算繁琐，条件要求复杂，在实际应用中较难实，只依靠水文学方法计算虽然较为简单，但是物理机制却不明晰[4-9]。因而，探索有效降低城市内涝灾害风险的新型城市雨洪管理模式就显得尤为重要[10]。其中SWMM模型在城市雨洪管理中应用较为广泛，在基于SWMM模型的城市雨洪管理研究中，大部分特征参数设置已经颇为成熟[11,12]，但对于汇水区地表汇流方式模式的选择对城市雨洪模拟结果影响的研究甚少。城市雨洪管理模型地表汇流方式的选择是模拟降水在地表径流流经路径的选择，选择合理的地表汇流方式可以提高模型模拟结果的精度。赵冬泉分析了子汇水区划分的程度以及流经路径模拟结果的影响，结果表明子汇水区划分程度和流经路径的不同，对模拟结果的时间过程曲线有较大的影响[13]。

目前，由于对城市雨洪管理模型中的地表汇流方式的研究不足, 不同地表汇流方式的选择对模拟结果的影响往往会被忽视。本文以郑州市为研究区域，根据郑州市的遥感影像和城市管网等数据，构建了子汇水区为2200个的郑州市雨洪管理模型，通过在SWMM模型汇水模块中设置不同的地表汇流方式，分析了不同汇流方式的选择对城市雨洪管理模型的模拟结果的影响。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

郑州位于河南省中部，西南方向地势较高，而东北方向地势较低，城市西部与东部地面的自然高差达到30多米。郑州属于北温带大陆季风气候，冷暖气团交替频繁，年平均降水量为635.6 mm，汛期集中于每年的7月到9月，汛期降雨量占全年总降雨量的60%～70%。郑州市水系属于黄河水系(见图1)，该城区雨水的排放，主要是就近排入河道，城区内的雨水分别从贾鲁河、金水河、索须河、魏河、东风渠、七里河、熊儿河等河道汇入贾鲁河后，排出市外(中牟站)。郑州市区面积1 010 km2，本次研究范围为郑州市绕城高速环绕的建成区部分，面积约550 km2。

图1 郑州市区水系图Fig.1 Water system map of Zhengzhou City

1.2 降雨资料

本次研究的目的是针对郑州市区的具体情况，构建城市暴雨洪水模型，模拟郑州市在不同汇流情况下的径流情况。因此，对于实测降雨资料的选择应以满足模型的功能性为主，降雨资料主要选择短历时的大暴雨。本研究选取降雨径流序列范围为2010-2014年，选取3场短历时暴雨，分别为20110726、20120707、20120827，由于SWMM模型输入格式为降雨强度，因此将收集到的降雨量数据整理成降雨强度，其中降雨强度20120827>20110726>20120707。

1.3 SWMM原理

SWMM模型是一个基于水动力学的降水-径流模型，主要用于城市某一单一降水事件或长期的水量和水质模拟[14]。SWMM模型主要包括降雨模块、地表产流模块、地表汇流模块和管网汇流模块。

(1)降雨模块。SWMM模型的主要输入变量是降雨，输入的降雨可以为不同重现期的设计降雨，也可以为实测降雨资料，还可以为雷达测雨数据。

(2)地表产流模块。当降雨落到地面以后，需要计算产流量，不同下垫面的产流量具有不同的计算方式。按照透水性不同将各子汇水区分成不透水区面积和透水区面积两部分。其中不透水区面积又将其分为有洼蓄量不透水区面积、无洼蓄量不透水区面积。

(3)地表汇流模块。将各个子汇水区的净雨过程转化为子汇水区的出流过程即为SWMM模型的地表汇流模块，通过将三种不同的下垫面，即有洼蓄不透水地面、无洼蓄不透水地面和透水地面近似处理为非线性水库。

(4)管网汇流模块。降雨流经各子流域地表后，汇入人工水沟及管道中，采用圣维南方程计算排水管网的汇流，考虑到水流方式的复杂程度，本次模型选择动力波进行求解。

1.4 排水管网的概化及子汇水区的划分

城市排水管网主要包括雨水口、管道、检查井、雨水泵站、排放口等几个部分，城市排水管网深埋于地下，管道布置复杂，整体概化管网会给模型带来较大的误差。因此需要将实际的管网简化为管网模型，使管网数据能够更加符合模型的所需，在保证真实准确和科学性的情况下，通常采取以下措施：

(1)不合并道路两侧的平行管线，在模型中设置双排管道，以及只保留管径在200 mm以上的管段，其他的略去；

(2)由于本次模拟的研究区域较大，小尺寸的管线数量多，为了减少模型计算的误差，一般只保留雨水主干管道和干管线；

(3)模型的节点设置，一般除了在雨水检查井处设置节点，当管段的管长超过2 000 m或管线的转角超过60°时也应该增设节点，以增加相应管段。

子汇水区的划分通常遵循地形、地貌特征、管网布局及雨水就近排放的原则，首先根据郑州市的实际地表汇流情况将城区整个汇水区划分为若干个小的子汇水区；再确定各个子汇水区上地表径流的流经路径，建立子汇水区与周围其他子汇水区或管网节点的相应关系。其划分主要遵循以下的原则：

(1)根据郑州市的地形资料，汇流方向由研究区的坡度进行确定；

(2)依据郑州市区的建筑物分布、道路和河流水系情况，划分各个子汇水区，再结合道路的检查井的位置采用泰森多边形法进行细分子汇水区；

(3)子汇水区径流就近汇入管网节点(检查井)或汇入邻近子汇水区。

1.5 模型参数的选择

刘兴坡[15]对SWMM模型中的水文参数的灵敏度进行分析，研究表明：各参数的灵敏度在不同的情景下排序不同，对径流过程影响最敏感的参数是子汇水区不透水面积比例，然后是不透水区洼蓄量、管道曼宁粗糙系数子汇水区面积、特征宽度、不透水区粗糙系数、平均坡度、初始入渗率、透水区洼蓄量、透水区粗糙系数、无洼蓄不透水面积比例、衰减常数和稳定入渗率。

本次研究中，子汇水区透水面积比例根据遥感数据已经确定，子汇水区面积和坡度根据GIS已确定，特征宽度的计算方法采用周毅[16]对漫流宽度计算研究中的方法，其他参数取值见表1。

表1 参数取值Tab.1 Parameter values

本次模型参数验证采用Nash-Sutcliff确定性系数NS表示，首先设置河道的初始流量为零，与中牟站实测流量进行对比时，通过计算得出，实测流量与模拟流量的NS达到0.8以上，其他各误差分析均符合国家标准。

1.6 汇流方式

本研究采用SWMM模型，根据地面的透水性质将汇水区分成可渗透子汇水区和不可渗透子汇水区，并通过Subarea Routing汇流方式来标识各子区之间的流经路径[17]。SWMM模型中汇水区的地表汇流方式分别为PERVIOUS、 IMPERVIOUS和OUTLET[18]。PERVIOUS指两个子区之间的坡面径流由不可渗透区流向可渗透区；IMPERVIOUS指两个子区之间的坡面径流的流动是由可渗透区流向不可渗透区；OUTLET不可渗透区和可渗透区产生的径流均直接流向汇水节点。

当子汇水区的地表汇流方式选用PERVIOUS模式时，模型演算面积比(Percent Routed)可较好地表征子汇水区内有效不可渗透区和非有效不可渗透区的比例。郑州市区人口密度大，建筑物密集，地表不透水率较大，不可渗透区高度集中，其不可渗透区域大多直接由不透水沟渠和雨水检查井汇入管网，最后排入河道，少数不透水区径流则经透水区域汇入管网或河道，故其不可渗透区要以有效不可渗透区为主。当子汇水区的地表汇流方式选用PERVIOUS时，模型演算面积比一般选择15%，当子汇水区的地表汇流方式选用IMPERVIOUS和OUTLET时，模型演算面积比一般选择默认的100%。

2 结果分析

2.1 管网概化及子汇水区划分结果

根据郑州市区现状和规划管网情况，依据排水管网的空间拓扑关系，对郑州市区的排水管网进行概化。将郑州市区管网概化结果为2 431个节点，2 451条管段，其中道路与管网双层管网1 083条。郑州市排水系统概化结果见图2。

本文根据郑州市的管网布设情况，基于子汇水区概化原则，划分的子汇水区既要满足模型模拟精度，又要保证划分子汇水区的简易性，。因此经过综合分析，把面积为550 km2的研究区划分为2 200个子汇水区(见图3)。

2.2 汇流方式模拟结果

本次研究采用SWMM模型中的PERVIOUS、 IMPERVIOUS和OUTLET三种地表汇流方式对郑州市暴雨洪水过程进行模拟，采用20110726，20120707，20120827三场短历时暴雨对应的实测流量数据与模型模拟的径流过程进行对比分析，结果如图4所示。

图4 实测流量数据与模型模拟的径流过程Fig.4 Data of measured flow and model simulated runoff process

当SWMM模型中的地表汇流方式选择OUTLET时，模拟的径流过程和洪峰流量比实测值明显偏高，这三场暴雨的洪峰流量相对误差分别为8.2%，11.2%，6.8%，OUTLET汇流方式将所有不可渗透区均当做与排水系统直接相连的有效不可渗透区处理，而忽略了非有效不可渗透区的存在，非有效不可渗透区域径流汇流时通常流经多处可渗透区域，这个汇流过程往往伴随大面积下渗，因此OUTLET汇流演算方式模拟的结果与实测结果存在较大的差异。

当SWMM模型中的地表汇流方式选择PERVIOUS时，模拟的径流过程和洪峰流量与实测的结果差异较小，这三场暴雨的洪峰流量相对误差分别为1.9%，2.8%，2.1%，主要表现在暴雨强度选取不同，模拟的结果与实测的结果存在差异。当选择高强度短历时暴雨模拟时，模拟得到的洪峰流量和洪水过程往往大于实测值；当选择低强度短历时暴雨模拟时，洪峰流量和洪水过程往往小于实测值。

当SWMM模型中的地表汇流方式的选择IMPERVIOUS时，IMPERVIOUS和OUTLET汇流方式下模拟的径流过程和洪峰流量相差甚少，但相比PERVIOUS模式下的模拟结果和实测结果存在较大的差异。

3 结 论

本文基于郑州市的实测降雨数据，在子汇水区划分为2 200个的情况下，通过在SWMM模型的汇水模块中设置OUTLET，IMPERVIOUS，PERVIOUS 3种地表汇流方式，定量分析了地表汇流方式对郑州市径流过程和洪峰流量的影响。结果表明：

(1)应用SWMM模型，针对郑州市现有和规划的城市排水管网系统，当子汇水区数量划分为2 200个时较适合郑州市实际状况。

(2)当SWMM模型中的地表汇流方式选择IMPERVIOU和OUTLET时，汇水区地表径流的模拟结果相似，但相比Perviou模式下的模拟结果和实测结果明显偏大。

(3)当SWMM模型中的地表汇流方式的选择PERVIOUS时，汇水区地表径流的模拟结果与实测结果存在较小的差异。因此，郑州市地表汇流方式的选择PERVIOUS进行模拟较为合理。

(4)由于本次模拟过程中所需要的数据资料条件有限，资料的不完整性导致模型模拟精度偏低，故应搜集更加详细准确的数据资料进一步验证。

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