基于SCS和GIS的不同降雨情景城市内涝过程模拟方法

(长江科学院 工程安全与灾害防治研究所，武汉 430010)

1 研究背景

近年来，全球气候不断变化，城镇化进程逐渐加快，我国各地灾害性气象事件频发，尤其是强降雨事件引发的城市内涝灾害日益严重。气候变化引起的海平面上升和水文循环加剧使得降雨时空分布十分不均匀[1]；城市化对水文过程的影响主要表现为径流过程，城市化使得下垫面条件改变，径流系数增加，汇流时间缩短，这些因素导致强降雨事件的频次与强度增加。2016年，我国暴雨异常频繁，南北洪涝并发，全国年平均降水量为730 mm，为历史最多，长江流域年平均降水量较常年偏多19%，仅次于1954年[2]。强降雨事件极易导致城镇区域发生内涝灾害，如2012年6月，北京发生大暴雨，全市平均降雨量达170 mm，城区平均降雨量达215 mm，造成79人死亡，160万群众受灾，116亿元经济损失[3]；2016年7月，武汉市汤逊湖、南湖片区一周雨量达582.3 mm，创历史新高，市内共65个气象站监测出降雨量超过200 mm，为特大暴雨，造成14人死亡，76万人受灾，23亿元经济损失[4]。

针对城市暴雨内涝灾害，国内外开展了大量研究。目前最著名的暴雨内涝模型为美国环保局开发的SWMM模型，该模型可对城市径流过程进行综合模拟分析，也是最早应用于城市暴雨的模型之一[5]；此外，其他模型如STORM模型、沃林福特(WallingFord)模型、MIKE模型、LISFLOOD模型等相继被开发应用。这些模型在输入资料及边界条件完备的前提下能对暴雨内涝进行较为准确的模拟，但建立模型所需参数较多，计算过程繁琐，在实际应用中操作难度较大[6]。国内城市暴雨内涝的研究相比于国外较晚，主要借鉴国外研究成果，目前常用模型包括城市雨水径流模型(SSCM)、内涝仿真模型、城市排水系统等，这些内涝模型在我国部分城镇区域进行了应用，但还未广泛推广。

基于以上分析，本文提出了一种基于SCS模型与地理信息系统(Geographic Information System，GIS)技术相结合的城市暴雨内涝过程模拟方法。该方法所需参数少，操作简便，同时适用于无资料地区，可对不同降雨重现期的城市暴雨产流过程、内涝积水高程和范围进行计算和分析。本文进一步拓展了城市暴雨内涝分析的研究思路，该成果可为城市暴雨内涝的预防和治理提供参考。

2 研究方法

不同降雨重现期情景下城市内涝过程的模拟包括降雨过程、产流过程、汇流过程以及内涝淹没分析4个方面，城市内涝过程情景模拟流程见图1。

图1 城市内涝过程情景模拟流程Fig.1 Process of urban waterlogging simulation

2.1 降雨过程线模拟方法

降雨是产生城市内涝灾害的直接因素，在研究城市暴雨产生的内涝灾害时，经常使用实测暴雨数据或者设计暴雨模型进行模拟。目前，对各类风险灾害进行研究时，更多关注那些可能带来损失的极端事件，设计暴雨模型符合灾害风险研究中的极值理论[7]。因此，本文选用设计暴雨模型进行研究。1957年，Keifer等[8]在研究芝加哥管网系统时，根据降雨强度、历时和频率之间的关系提出一种不均匀的合成暴雨过程线模型，即芝加哥降雨过程线模型，该模型在国外应用十分广泛。1998年，我国学者岑国平等[9]采用模糊识别法对芝加哥降雨过程线进行研究，分析表明：该模型符合我国暴雨特点，对任何暴雨历时的降雨都适用，只是平均强度不同。暴雨强度公式一般参考给水排水设计手册，见式(1)。

(1)

式中：Q为暴雨强度(L/(s·hm2))；A为不同重现期的降雨量(mm)；C为雨量变动参数；p为降雨重现期(a)；t为降雨历时(min)；b和n为常数，反映设计降雨强度随历时变化的情况。在特定重现期下，暴雨强度公式的分子A(1+Clgp)为常数，设为a，式(1)可简化为Horner强度公式[10]，即t时刻降雨强度为

(2)

芝加哥降雨过程线模型采用雨峰系数r(0

(3)

(4)

式中t1和t2分别为峰前和峰后的降雨历时与雨峰时刻的时间间隔。

根据武汉市排水防涝系统规划，武汉地区短历时暴雨强度公式见式(5)—式(7)。

(5)

(6)

(7)

2.2 SCS产流模型方法

SCS产流模型是美国农业部土壤保持局在20世纪50年代提出的小流域产流模型，产流是暴雨经过下渗、填洼、蒸发后形成径流的过程。该模型考虑下垫面条件对径流产生的影响，结构简单、输入参数少，适用于不同尺度流域的径流模拟，在国内外得到了广泛应用[11-12]。SCS产流模型的基本原理是考虑下垫面条件的降雨径流关系与水量平衡方程。美国农业部土壤保持局通过大量研究资料分析得出SCS模型中的降雨径流关系，即

(8)

式中：P为降雨量(mm)；R为径流量(mm)；Ia为降雨初始损失量(mm)；F为降雨后期损失量(mm)；S为流域最大可能滞留量，即后期损失量的上限。

根据水量平衡原理：降雨量等于径流量与降雨初始损失量与后期损失量之和，若降雨未达到初始损失量则不产生径流，得到产流公式(9)。

(9)

流域产流过程中，初始损失量Ia不易求得，引进经验关系Ia=0.2S，最后的产流公式见式(10)。

(10)

流域最大可能滞留量S与无因次参数CN(Curve Number)有关，CN是一个反映降雨前流域特征的综合参数，与前期土壤湿润程度、坡度、植被、土壤类型和土地利用状况等有关[13]。根据有关文献对SCS模型中CN值的研究[14]中确立的CN值矩阵及该地区土地利用遥感分类结果，可确定不同利用类型土地的CN值，S与CN值的关系见式(11)。

(11)

SCS模型提供了4组产流能力不同的土壤类型，不同土地利用类型对应的CN值见表1。其中，A组为透水性很强的厚砂层、黄土层；B组为透水性较强的薄层黄土、沙壤土；C组为透水中等的黏壤土；D组为弱透水性的吸水后的膨胀土[15]。本文研究的区域为武汉市汤逊湖流域，将研究区的土壤类型与文献资料[16]进行对比，该区域土壤类型主要为壤土，透水性中等，对应B组CN值。

表1 几种不同土壤类型对应的CN值Table 1 Values of curve number (CN) in the presence of several different soil types

2.3 局部等体积法

城市地表产生径流以后，各处径流汇集到流域出口断面的过程为汇流。根据集水区域的积水量，采用基于GIS的局部等体积法模拟内涝淹没范围和淹没深度。“局部等体积法”将研究区域划分成若干个小的集水区域，在这些小的集水区域进行汇流模拟，最后在集水区进行汇合，暴雨内涝被视为无源淹没状态，不考虑汇流的具体过程，只考虑水流的重力特性，将径流按照地形特性由高到低填充各个洼地。其基本原理是某一时间步长的径流总量等于该时间步长内的淹没总量[7]，计算公式见式(12)。

(12)

式中：W为积水淹没的总水量；A为淹没区域面积；EW(x,y)为积水水面高程；Eg(x,y)为地面高程；dδ为淹没面积单元。由于城市暴雨积水速度较慢，水面可近似看作一个平面，地面高程可由地形网格DEM数据来表示，式(12)可简化为式(13)。

(13)

式中：Δδ为栅格单元的面积；N为淹没区域的栅格总数;Eg(i)为第i个栅格单元的高程。

局部等体积法计算流程见图2。首先确定水面高程的取值范围，使其最小值高于地面高程最小值，最大值低于地面高程最大值与降雨量之和，设定高程初始值为取值范围的平均值。若初始值大于栅格单元的高程，则该栅格单元产生积水，反之不产生积水。最后，将该积水量与用SCS模型产生的积水量进行比较，若二者差距较大，则重新设定水面高程，直到其差值小于允许误差，该高程即为积水水面高程。

图2 局部等体积法计算流程Fig.2 Process of isometric method

3 应用实例

3.1 研究区域及数据

本文选取汤逊湖流域作为研究对象，汤逊湖流域位于武汉市东部，由西侧的长江大堤和东、南、北的自然高地包围而成。流域汇水范围包括武昌区南部、洪山区西南部、东湖高新技术开发区西部和江夏区西北部，总汇水面积457 km2，属于典型的平原河网水系，水系纵横交错，十分发达。但流域内大部分地面高程低于长江汛期水位，容易发生内涝灾害，如2016年发生的暴雨致使多数区域被淹，积水难以排除，必须通过泵站抽排才能流出长江。区域内共有3个抽排泵站：汤逊湖泵站、海口泵站以及江南泵站，但实际运行且有较大抽排量的泵站为汤逊湖泵站。

研究数据主要有流域边界线、数字高程模型(ASTER GDEM，分辨率30 m)及遥感影像Landsat TM数据。其中，DEM数据可从GDEM官网免费获取(http://gdem.ersdac.jspacesystems.or.jp/download. jsp)。汤逊湖流域的DEM高程及影像数据见图3。

图3 汤逊湖流域DEM及遥感影像数据Fig.3 Digital elevation model and remotely-sensed image of Tangxun Lake catchment

3.2 城市内涝情景模拟结果

采用芝加哥降雨过程线模型得到汤逊湖流域内不同重现期的降雨强度过程线，根据降雨强度过程线，得到不同重现期内降雨过程的降雨量。采用遥感图像处理软件ENVI的监督分类工具对土地利用进行分类。流域内土地利用类型被分为林地、草地、水体、城镇、道路、工矿用地6类，具体分布见图4，不同土地类型对应的参数计算结果见表2。在此基础上，结合SCS产流模型计算径流量，将汤逊湖流域划分的若干集水区看作无源淹没状态，由局部等体积法得到不同重现期流域内的淹没高程。降雨量、径流量、淹没高程等具体计算结果见表3。

图4 遥感影像的监督分类结果Fig.4 Land use classification based on remotely-sensed image

土地类型CN值面积/km2占总面积比例S工矿用地4314.70.032336.70林地55118.90.260207.82草地5871.30.156183.93水体98121.00.2645.18城镇用地8188.00.19259.58道路8543.80.09644.82

表3 不同重现期的模拟计算结果Table 3 Results of simulation in different return periods

采用ArcGIS的空间分析工具对不同重现期产生的内涝淹没范围进行分析，得到流域淹没范围分布，结果见图5。由图5可知，发生10 a一遇的降雨情形时，汤逊湖开始发生溢满，渍水向周边扩散，积水尚不明显；20 a一遇降雨情形时，青菱湖开始溢满，周围小幅积水，对该片小区居民造成的影响较小，若采取抢排及向周边汇水区分流等措施可迅速消退。当降雨重现期为30～100 a时，汤逊湖、青菱湖、黄家湖3个湖泊均开始发生溢满，渍水流量不断增加，渍水在周边区域呈面状分布，积水和淹没范围相应扩大，容易造成内涝灾害。

图5 不同重现期降雨情形下内涝积水分布Fig.5 Submergence ranges in the presence of different return periods

结合不同重现期暴雨内涝积水范围可知，汤逊湖、青菱湖湖水溢满较快，周边地区容易发生积水从而产生内涝，而位于流域北部的南湖周边建设用地较多，竖向地面高程同其他区域相比较高，内涝积水相对较少。结合地理、地形条件可知，青菱湖，汤逊湖这2个湖泊的水位常年较高，发生暴雨时湖泊极易达到最大蓄水容积，无法继续蓄水从而出现内涝。相比于东湖水系，青菱湖、汤逊湖的生态环境较差、林地湿地分布的面积较小，加之湖水养殖等因素，防洪排涝极为不利。

另外，本文在进行内涝量模拟计算时，汤逊湖泵站抽排能力按照设计150 m3/s进行取值，而该泵站实际抽排能力远不能达到这个规模。特别是汛期，随着前池水位的增高，抽排能力会下降，一定程度上影响排涝，增加内涝积水。

4 结 论

针对汤逊湖流域建立的城市暴雨内涝风险的模拟方法，得到主要结论如下：

(1)基于SCS产流模型和GIS建立的城市暴雨内涝模拟方法计算较为简便，从对汤逊湖流域的模拟情形来看，该结果较好地反映了流域内的淹没状况，可在内涝灾害严重的无资料城区得到广泛应用。

(2)汤逊湖流域内湖泊众多，对防洪排涝的作用不可忽视。在今后的研究中，应充分考虑湖泊与河流之间的水力联系，重新规划湖泊的调蓄功能，降低城市内涝灾害。