基于SWMM的城市下垫面改变对汇流特性影响研究

刘 灿

(重庆交通大学，重庆 400074)

城市化发展迅速，原始流域地面条件变化巨大，地表下渗、产汇流等水文过程特征也发生了改变，对城市管道的行水过程带来巨大压力。原有的降雨径流排放途径与方法因城市化而改变，水文效应也因此变化。同时，下垫面的改变对整个水文过程造成了无法逆转的结果，主要体现在曾被植被拦截收留的降水径流在现状城市地面很快就被收集排放，少数城市排水系统无法满足重现期较大降雨所产径流，便会发生城市内涝灾害，对人民生命财产造成威胁。下垫面不透水率增加会导致城市区域产汇流时间大幅缩短的现象，且城区蓄水、集水设施十分稀少，导致市政管道洪水峰值流量与均值流量皆有不同程度增加，受于排水系统的局限因素，城区遭遇洪涝频数以及受灾程度会明显增加[1-2]。

SWMM模型面世后经多次完善升级[3]，前后完善和新增了模型功能，添加了低影响开发模拟场景，使水质模块和水文水力模块关联度增加，提高了模型模拟准确度，提供了更好的操作环境和界面，使其在城市雨洪模拟过程和水质模拟等领域作用显著[4]。模型径流模块可在独立降水事件模拟基础上进行，添加多场次降雨事件达到连续降雨模拟的效果，通过布设管渠、蓄水池、排水口等设施并完成输入数据、率定研究流域下垫面属性参数[5]，便可较为准确模拟降水—径流等复杂水文过程，模拟出管网系统中汇水情况的动态轨迹。排水系统作为模型输送模块的载体，承担着输送模块对雨水输送的演算过程的基础作用，选定节点以及管道的基本参数，便可演算市政管道雨水传输过程中污染物的扩散情况。全文利用SWMM模型模拟了重庆巴南区龙洲湾地区排水管网在不同暴雨重现期下的下垫面不透水率改变管网汇流及径流系数变化情况，根据模拟结果，对城市小流域下垫面产汇流敏感性分析，找出影响径流原因，提出降低城市径流产生量的措施。

1 模型与模拟方法

1.1 模型简介

SWMM是美国环保署为了应对市雨洪管理问题所开发的经典模型[6]。运用了坡面产汇流原理，利用圣维南方程组、非线性水库等经典理论。既可模拟地表径流过程、排水管网运行状态，还可模拟各污染物在水流运动中扩散情况。大量运用SWMM模型工程报告表述，均取得较为良好的模拟效果[7]，在充足的资料条件支撑下，也可用于山地区域的雨洪模拟。在低影响开发(LID)评价中，暴雨洪水管理模型也可模拟不同LID措施组合，根据研究区域的实况需求布设最佳适宜性措施，使居住区科学合理的渗透、雨水滞留，提升其应对极端天气的能力[8]。还可借助SWMM模型模拟不同低影响开发措施方案对区域径流污染扩散情况[9]。刘含影[10]对比了水文、管网、水质、成本经济4个方面下的LID措施方案，找寻了适合研究区域的的最佳选择。Sun Yongjun[11]等人提出了海绵城市的灰色基础设施向绿色基础设施转变过程中遇到的问题及采取的措施，建议在建设海绵城市的过程中，不能简单地着眼于绿化指标，忽视人与自然、自然与自然的联系，在建设过程中考虑当地的建设现实，要因地制宜，系统科学地制定发展路线，才能有效利用海绵城市的效果，解决城市水资源可持续问题。张恒[12]运用Citespace软件研究了SWMM模型是城市洪涝治理以及海绵城市建设领域热点，同时建议健全海绵城市建设相关法规，加强对项目的配套运营维护。

1.2 模型建立

1.2.1研究区域概化

建模对象为龙洲湾B区，研究区域面积约为59 hm2，不同区域水文特征同异性并存，结合研究区域水文特征，将相似度较大，区别度较小的区域划分在同一分区，并根据市政雨水管网分布、土地利用类型、交通道路规划设计等资料人工划分8个子汇水区(见图1)，对子汇水区的划分还有泰森多边形法，但研究区域地面属性较为单一且占地面积小，因此，选择人工划分。分别为公园、广场、房屋屋顶、硬化道路、人工湖，所占比例分别为14%、6%、39%、30%、11%，雨水由子汇水区收集经排水管网汇集，流向PFK1，然后排至河流。

图1 子汇水区模型概化示意

1.2.2模型参数确定

区域城区规划建设完成后，地面产流为该区域的主要产流方式，少量产流为壤中流和地下产流。汇流手段先以坡面汇流为主，其次为市政管道汇流。上述确定的子汇水区属性已定，绿植覆盖率较低，降水之后的蓄水集水能力弱，下垫面糙率小。模型参数获取方式有两种，一是从市政管网图以及用地规划直接提取，如划分后的集水区域面积、子汇水区平均坡度和特征宽度，市政管道大小形状以及比降。另外一种便是根据子汇水区特征属性所定，如洼蓄量、曼宁系数等参数，这些参数需要确定其物理意义及取值范围，再查阅相关文献经验确定。

通过地勘资料与查阅相关文献、手册，确定子汇水区域主要参数(见表1)。

表1 子汇水区域主要参数

子汇水区采用霍顿入渗模型模拟降水入渗过程，由于降雨历时较短(120 min)，蒸发忽略不计。由模型手册和相关文献确定土壤最大入渗率76.2 mm/h，最小入渗率为3.18 mm/h，衰减系数为0.000 6/h。

坡面汇流原理为非线性水库法，联立曼宁公式及连续性方程求解。下垫面不透水洼蓄深度2.54 mm，透水洼蓄深度5.08 mm，透水区域、不透水区域、混凝土管道糙率分别取值0.24、0.012、0.012。降雨历时120 min，计算步长为5 min。

1.2.3 SWMM模型参数率定与校验

运用纳什效率系数验证龙洲湾B区模型结果的合理性。

(1)

式中：

n——观测值或模拟值的次数。

选取两场具有代表性降水过程作为研究区域的模型验证数据，得到模型区域观测实际径流序列值和SWMM模型的模拟径流序列值，通过(1)式计算模型的纳什系数验证所建模型参数取值合理性及准确性。

选定2018年6月30日和12月06日的2场降雨过程驱动模型，并获取实测径流数据来校验模型的参数取值可靠度。2场降雨的降雨信息以及径流数据观测数值和模拟数值如图2～3所示。

图2 20180630降雨、径流模拟实测对比示意

通过计算，这两场降雨的纳什系数分别为0.84和0.77，大于0.7，说明本次SWMM建模参数选取较为合理，可进行下一步研究工作。

图3 20181206 降雨、径流模拟实测对比示意

2 基于SWMM模型小流域城市汇流分析

城市化布局后用地类型突变，变化趋势都是由原来透水性较强的原始地貌变为了房屋建筑屋顶、宜居生活广场和沥青混凝土硬化道路等不透水地面。原始水循环产汇流条件被破坏，自然条件降雨、蒸发、入渗、径流比例失调。城区不透水面积比例急剧增加，雨水流动区域糙率变小，下渗量及壤中流减少导致水循环速度加快，产流到汇流周期过程缩短，径流量增加。

模型利用运动学方法以及地面和渠化水流要素的组合来估计洪水，水力部分能够通过稳定流、运动波和动力波3种方法来计算径流，通过结合运动方程获得的完整形式圣维南方程来执行交汇处的水流路径模拟。

2.1 研究区域雨形设计

研究区域雨形设计采用合成模拟法，运用理论、半理论的经验公式合成的芝加哥暴雨过程线法。

暴雨强度公式：

(2)

式中：

q——设计暴雨强度；

P——设计重现期；

t——降雨历时；

A1、C、n、b——参数，根据统计方法进行计算确定，若暴雨重现期不变且研究区域固定，A1(1+ClgP)则为一常数。

引入雨峰系数R描述雨峰的烈度以及定格峰前峰后降雨时长并降低降雨峰值对降雨—径流模型的影响。采纳重庆市暴雨强度公式(巴南)，式(3)推求龙洲湾地区设计洪水，雨峰系数r为0.416。

(3)

2.2 城市小流域径流模拟

径流系数可反映降水深度—径流深度随时间变化而变化的瞬时关系，主要受子汇水区地形地貌、汇水坡度等因素影响。Sen Zekai[13]也提出了关于径流系数的估算模型：

(4)

式中：

P——单位时间内的降雨量，mm；

K——土壤饱和系数；

dP——单位时间内的降雨量，mm；

dR——单位时间内产生的径流量，mm。

将芝加哥雨形合成的降雨数据导入到SWMM模型时间序列，运行模型得到子汇水区域的径流系数、排放口平均流量以及峰值流量(见表2)。由表2可知，由于暴雨重现期增大，地面下渗能力严重滞后于降水量，因此，径流系数随重现期增大而增大，人工湖ZMJ2变化更为显著，对降雨进行收集、拦截能力强，所以人工湖子汇水区径流系数相对于公园、硬化路面及屋顶等子汇水区较小。排放口峰值流量随着暴雨重现期的增大而增大，但增长速率逐渐降低，由最开始的34.9%增长率降低至4.2%，平均流量的增长速率由38.1%降低至10.7%。

表2 子汇水区域径流模拟成果 m3/s

3 小流域城市下垫面改变汇流分析

下垫面改变自然排水格局，导致区域雨洪调蓄能力下降，洪涝灾害频发且受灾程度剧增，径流系数作为雨洪管理模型重要参数，了解其变化大小及变化因素非常必要。本节以小流域城市下垫面的不透水率变化为因变量研究汇流特性的影响因素。具体变化为不透水率从75%上下浮动20%，不透水率定值95%和55%，得到在5 a、20 a、50 a、100 a暴雨重现期下，子汇水区ZMJ1-ZMJ8的径流系数的变化率及排放口峰值流量、平均流量的变化(如图4所示)。

由图4可知：在相同重现期，下垫面不透水率降低20%后的径流系数变化大于不透水率增加的，且在重现期增大时，径流系数变化在逐渐缩小。暴雨重现期增大，径流系数变化受下垫面不透水率的增加或降低影响变小，由5 a重现期的12.7%变化率降至7.3%。

图4 不同重现期下垫面改变径流系数变化对比示意

通过图5可知：下垫面不透水率由75%降至55%的条件下，暴雨重现期重5 a逐级递增到100 a，排放口峰值流量同比降低了21.0%、16.2%、14.3%、8.6%。排放口平均流量同比降低11.3%、7.2%、5.8%、4.3%。

图5 不同重现期下垫面改变排放口流量变化对比示意

同样下垫面不透水率由75%升至95%的条件下，排放口峰值流量同比增加了16.6%、11.0%、5.8%、2.1%。排放口平均流量同比增加9.9%、6.3%、4.7%、3.4%。排放口峰值流量与平均流量变化规律与径流系数一致，下垫面改变对低降雨强度影响十分巨大。

4 结语

1) 下垫面不透水率改变对小流域城市径流影响巨大，对暴雨重现期短的降雨尤为明显。因此，建议小流域城市设置生物滞留设施、雨水桶、透水铺装、绿色屋顶等集雨设施，可为城市增添“海绵”功能，在低强度降雨时，可起到收集雨水，节约水资源的效果，但此设施对高强度降雨径流影响较小。

2) 不透水率增加使研究区域的排水压力增大，径流系数也会增加，不透水率降低，小流域城市流量相应降低。但随着暴雨重现期年限增加，不透水率的变化对峰值流量和平均流量的产生影响幅度变小。且不透水率降低20%比不透水率增加20%的径流系数、峰值流量及平均流量变化更大，其原因是城区硬化下垫面75%不透水率已经较高，再次提升不透水率，径流效应对此变化敏感度变低。