基于SWMM模型及GIS技术的城市雨洪调控情景模拟

黄诚 张晓祥 韩炜 刘昌军

摘要：为解决城市区域在发生暴雨后的内涝问题和探讨低影响开发（LID）措施对城市雨洪的调控效果，选取近年内涝频发的镇江市老城区作为研究区域，采用SWMM模型构建该地区排水系统模型，模拟了符合当地防洪标准的30 a一遇暴雨条件下管网系统运行情况;然后，以淹没较为严重的汇水区为研究对象，布设4种LID措施及不同组合模拟8种情景下径流控制情况;最后，在基于遥感技术提取的建筑物屋顶上随机布设20%，50%，80%的绿色屋顶设施（GR），从空间尺度对比汇水区径流系数对不同比例LID措施的响应。结果表明：① 在遭遇30 a一遇暴雨情景下，研究区内超过半数的节点和管网发生溢流或超载现象。② LID措施对控制城市雨洪有较好的效果，以S424汇水区为例，在径流量控制效果上，透水铺装>LID组合>绿色屋顶>雨水花园;在洪峰流量削减率上，透水铺装和雨水花园效果较好。③ 随着LID措施布设比例的增加，控制径流的效果越来越好，当区域内随机布设80%的绿色屋顶后，汇水区平均径流系数Ψ缩减60.39%。LID设计方案对海绵城市雨洪调控效果明显，可为当地内涝治理提供参考。

关 键 词：雨洪调控; 情景模拟; 低影响开发; SWMM模型; GIS; 海绵城市; 镇江市

中图法分类号： K909;TU992

文献标志码： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2022.04.006

0 引 言

随着城市化进程的推进，城市道路不透水面积和城市人口持续增加，破坏了原有的水文生态，在遭遇短历时暴雨后，极易形成城市内涝[1]。以2014年为例，全国遭受不同程度的洪涝灾害，因灾死亡485人，受灾人口7 382万人，受淹或内涝城市125座，直接经济损失1 500多亿元[2]。近20 a镇江市发展迅速，城市下垫面发生剧烈变化，暴雨内涝问题愈发突出，2015年7月，暴雨洪涝造成镇江市12.74万人受灾。日前，国务院办公厅印发《关于加强城市内涝治理的实施意见》中提出用统筹、系统的方法解决城市内涝问题[3]，镇江市作为第一批海绵城市建设试点城市之一，在绿色基础设施建设和道路房屋改造方面具有一定的基础，可为城市雨洪研究提供有力支持。

海绵城市指的是城市面对暴雨等自然灾害能够短时间将其减弱并适应环境达到减灾防灾的效果[4]。国内对海绵城市的理论研究以城市水文学为基础[5-6]。刘昌明等[7]提出LID设计应遵循因地制宜、就地消纳的原则，充分利用现有的地理要素，采用多种工程措施，维系城市良性水循环。目前在城市暴雨洪水模拟方面已取得了一系列研究成果，其中较具代表性的是美国开发的暴雨管理模型（Storm Water Management Model，SWMM），SWMM模型适用于水文水力条件复杂、以管网系统为主的城市地区。低影响开发（Low Impact Development，LID）是美国提出的新型雨洪管理的理念，主要是对径流进行源头管理，近年来越来越多地运用到海绵城市的建设中[8]。LID措施主要包括透水鋪装、雨水花园、植草沟、绿色屋顶等[9]，已有许多学者对LID措施在海绵城市的应用进行研究[10-11];此外，不同组合的LID措施对城市雨洪的最优控制效果也有较多研究[12-13]，但以上研究在城市下垫面的精度、LID布设合理性以及专题成果图的可视化表达方面还有所欠缺。

遥感技术为开展水文水资源领域的研究提供了优越的数据源和前提条件[14]。基于此，本文以镇江市老城区为研究区域，基于遥感正射影像提取汇水区高精度的下垫面作为模型输入，利用地理信息系统（GIS）合理概化，最终构建SWMM模型;同时将GIS运用于模型参数确定优化、LID布设合理性、专题地图要素展示及可视化表达，其结果可为老城区更新改造、补齐防涝设施短板提供科学依据。

1 研究区域与SWMM建模

1.1 研究区概况与模型概化

镇江市地处江苏省西南部，属于亚热带季风气候，年降水量约1 088.2 mm，且多集中在夏季，具有“雨量大、时间短”的特点。同时该地属于“一水横陈，三面连岗”的河谷盆地，特殊的降雨条件和地理位置使得镇江面临外洪与内涝的夹击，汛期时常出现上有客洪侵袭、下受江潮顶托、南有山洪压顶、北受台风的威胁[15]。在2015年6月，由于连日的暴雨，导致镇江市珍珠桥涵洞积水超过80 cm，给市民生活造成较大的影响。本文以城市中心受灾区域作为模拟区域，面积93.40 hm2，根据遥感正射影像（见图1（a））得到该区域精细的下垫面类型（见图1（d）），经过概化后得到包含17个汇水区、34个交叉节点以及48根管道的集成SWMM模型（见图1（c））。研究区内大小河道共4条，地势整体较为平坦，局部北高南低，高程6.58～15.50 m（见图1（b）），坡度0.55°～6.85°，排水为雨污分流制，当地管网系统防洪标准为30 a一遇。

1.2 SWMM建模

1.2.1 设计雨量及雨型

根据中国GB 50014-2006《室外排水设计规范（2014年版）》和2014年6月镇江市政府修订后的暴雨强度公式（1）进行设计。

i=38.3623+39.0267lgT（t+19.1377）0.975（1）

式中：i为设计暴雨强度，L/（s·hm2）;t为降雨历时，min;T为设计暴雨重现期，a。设计雨型采用芝加哥雨型，使用符合当地防洪标准重现期T=30 a，降雨历时t=240 min，峰值比例r=0.4，累计降雨总量100.70 mm作为降雨输入。

1.2.2 模型参数

城市开发建设会显著改变地表的微地形特征，进而对子汇水区的划分与地表径流特征产生重要影响，科学划定汇水分区、快速提取相关水文参数是城市水文模型构建的重要基础[16]。基于研究区DEM（见图1（b））和下垫面数据（见图1（d）），最终细分为17个子汇水区。此外，模型下渗模式选择Horton，汇水区汇流模式采用Outlet模式。最后，利用SWMM模拟地表径流过程需要一系列的输入参数，包括确定性参数和经验性参数。确定性参数主要是汇水区基础数据（如坡度、宽度、不透水率等），其中坡度由ArcGIS坡度提取工具得到，而宽度由面积除以流长得到，本文采用边界上距离出口最远的某个折点来计算流长，汇水区不透水率由下垫面类型和其不透水率[17]决定。而经验性参数需要通过文献[15]、SWMM模型手册以及当地水文部门资料得到各个参数的范围。为提高参数的准确性，根据实地调查情况及当地水文从业人员实践经验和类似区域已公开发表的研究成果确定模型参数（见表1）。将得到的各个参数作为输入，利用连续方程（公式（2））和曼宁公式（公式（3））求解蒸发、下渗、径流等输出结果。

dVdh=Adhdt=Ai″-Q0 （2）

式中：V为总积水量，m3;h为地表水深，m;A为汇水区面积，m2;t为降雨时间，s;i″为净降雨强度，mm/s;Q0为径流流量，m3/s。

Q0=W×1n×d-dp53×S12 （3）

式中：W为汇水区特征宽度，m;n为曼宁粗糙系数;d为地表水深，m;dp为地表蓄水最大深度，mm;S为汇水区平均深度，m。

2 现有排水状况分析

采用公式（1）设计30 a一遇暴雨作为模型输入对研究区现有的管网系统进行模拟，得到的结果如表2～3所列。

由表2可知，在遭遇30 a一遇降雨时，超载时间超过1 h的节点数有19个，占56%;发生溢流的节点数量为22个，占65%，其中溢流时间超过1 h的节点数为7个，占21%。从表3可以看出超载时间超过1 h的管道数有20条，占42%;最大流量与完全正常流量比例大于1的管道数有17条，占35%。如图2所示，现有的排水管网系统超过一半的节点和管网出现溢流和超载现象，其中较为严重的区域主要分布在研究区南部地势较低的S419、S424、S435汇水区。

3 不同情景下LID模拟结果

3.1 参数设置

根据对现有排水管网的模拟结果，考虑对发生溢流较严重的区域布设LID措施，统计3个汇水区的下垫面数据，如表4所列（考虑到该区域水体较少忽略不计）。

将3个汇水区内30%的绿地改造为雨水花园，30%道路改造为透水铺装，对于屋顶占比较高的区域改造30%绿色屋顶以及布设LID的组合措施（10%雨水花园+10%透水铺装+10%绿色屋顶）;根据下垫面数据布设不同比例的LID措施，改造的比例分别为0.18，0.30，0.45，0.60。LID自然状态中主要参数取值参考SWMM手册和相关文献[16]，如表5所列。

3.2 模拟分析

分别模拟布设相同比例的雨水花园、透水铺装、绿色屋顶和LID组合措施4种方案汇水区的降雨径流过程（以下垫面较为平均的S424汇水区为例），结果如图3所示;根据下垫面条件布设透水铺装（以道路占比31.23%S419汇水区为例），模拟改造比例分别为0.18，0.30，0.45，0.60后汇水区降雨径流过程，结果如图4所示。在此基础上，在3个汇水区布设相同条件LID措施对比其洪峰流量削减率，如图5所示，可以看出布设方案对径流总量和洪峰流量均有一定的削减作用。从图3可知，S424在布设透水铺装后取得较好的成效，控制径流总量效果上，透水铺装>LID组合>绿色屋顶>雨水花园，相较于原始狀态均达到防洪减灾的效果。虽透水铺装径流总量大于LID组合，但洪峰流量削减率比LID组合高16%，此外绿色屋顶在该汇水区内的洪峰削减率较差，仅为8%（见图5）。随着LID比例的增加，对子汇水区内径流总量和洪峰流量都有明显的削减作用，从图4可知，当改造比例为0.45时已经达到较好的防洪效果，且在径流量方面与0.60的效果差距不大，但此时洪峰流量的削减率相差12%，因此需要根据实际情况考虑是否继续改造。透水铺装下渗率较高，其效果对于迟滞径流和削减径流有着较好的效果，并且随着LID比例增加，可达到的效果越好。由3个汇水区在各情景下的洪峰流量削减率可以看出，在改造60%的LID措施后，洪峰流量的削减率可以达到65%以上，进一步说明布设LID可达到较好的防洪减灾成效。

由于研究区内居民区密集、房屋众多，为更加精细地分析不同比例的LID措施在空间上对城市雨洪控制的影响，以城市低影响开发和城镇绿色基建的关键措施绿色屋顶（GR）为例进行模拟，能够直观地看出空间上不同比例的LID对缩减地表径流的作用。利用绿色屋顶对房屋屋顶进行改造，绿色屋顶设施增加了雨水的下渗，并对落到屋顶上的雨水有存储和吸收的作用，对地表径流减缓有着积极的作用，适用于密集的居民区。本研究根据正射影像提取出精细的屋顶数据，共设计4种方案，在研究区内随机布设0（原始），20%，50%，80%的绿色屋顶措施（见图6），根据布设条件在SWMM中重新构建模型，以30 a一遇的设计暴雨作为降雨输入，模拟4种情景下区域内径流系数的变化，结果表明布设绿色屋顶对缩减地表径流有显著作用。径流系数Ψ为一定汇水面积内总径流量与降水量的比值，它说明有多少降雨形成了径流，综合反映了汇水区内地理要素对径流的影响。随着布设比例增加，各汇水区径流系数减小，当布设比例达到80%，平均径流系数Ψ为0.324 5，减小了60.39%，各汇水区的径流系数级别的空间分布如图7所示，但研究区南部有两个汇水区径流系数变化不大，可能因为在该汇水区内还有其他因素影响径流，如不透水路面。LID措施控制径流效果总体较好，但在设计方案过程中，要采用降低环境影响、多种LID措施共用等原则合理改造，充分发挥LID措施滞留和调蓄雨水优势，做到最佳的设计方案。

4 结 论

（1） 镇江城区现有排水管网的排水能力在应对当地防洪标准30 a一遇的暴雨时，超过一半的节点和管线发生溢流或超载现象，在地势低洼的几个汇水区积水严重，需布设LID措施提升防洪能力。

（2） 在单个汇水区内，4种LID措施在削弱径流总量和洪峰流量方面均有效果。透水铺装效果最佳，其后依次是LID组合、绿色屋顶、雨水花园，可以看出透水道路下渗率较高，对降雨渗透较为显著。对比布设不同比例的LID措施，随着LID措施比例的增加对径流的控制效果提升，当布设60%的LID措施后，洪峰流量的削减率最高达到76%。

（3） 从整个研究区来看，与原始方案相比，布设LID措施对地表径流控制有较好的效果。在研究区域内随机布设20%，50%，80%绿色屋顶设施，区域平均径流系数分别减少9.26%，27.63%，60.39%。

研究结果有助于加强镇江城区海绵城市、韧性城市的建设，可为提升城市重点地区排水防涝能力提供一定的技术支撑。

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（编辑：谢玲娴）

Scenarios simulation of urban stormwater regulation based on SWMM model and GIS

in Zhenjiang City

HUANG Cheng1，2，3，ZHANG Xiaoxiang1，2，3，HAN Wei2，3，LIU Changjun4，5

（1.College of Hydrology and Water Resources，Hohai University，Nanjing 210098，China; 2.Center for Geospatial Intelligence and Watershed Science，Hohai University，Nanjing 210098，China; 3.Institute of Geographical Information Science and Engineering，Hohai University，Nanjing 210098，China; 4.Research Center on Flood and Drought Disaster Reduction of the Ministry of Water Resources，Beijing 100038，China; 5.Research Center on Flood and Drought Disaster Reduction，China Institute of Water Resources and Hydropower Research，Beijing 100038，China）

Abstract：

To solve urban waterlogging after rainstorm and understand the effect of low impact development （LID） measures on urban stormwater control infrastructure，the downtown of Zhenjiang City，which frequently suffers from waterlogging in recent years，was selected as the study area.The SWMM model was used to construct a drainage system model for the area，and the model simulated the operation of the pipe network system under a 30-year heavy rain that met the local flood control standards.And then taking the heavily submerged catchment area as the research object，4 LID measures and their different combinations were used to simulate the runoff control situation under 8 scenarios.Finally，20%，50%，and 80% green roof （GR） facilities were randomly arranged on the roof of buildings that were extracted by remote sensing，and the response of the runoff coefficient of the catchment area to different proportions of LID measures was compared.The results showed that：① More than half of the nodes and pipe networks were overflowed and overloaded under a 30-year heavy rain scenario.② LID measures showed a good effect on the control of urban rainwater.Taking S424 catchment area as an example，in terms of runoff control，Permeable Pavement>LID Combination>Green Roof>Rain Garden.In terms of peak flow reduction rate，Permeable Pavement and Rain Garden were more effective.③ With the increase of proportion of LID measures，the effect of runoff control was getting better and better.When 80% of the green roofs were randomly arranged in the area，the average runoff coefficient Ψ of the catchment area was reduced by 60.39%.The LID design scheme has obvious effects on the rain and flood regulation in sponge cities，and can provide a reference for local waterlogging management.

Key words：

stormwater regulation;scenarios simulation;low impact development （LID）;SWMM model;GIS;sponge city;Zhenjiang City