考虑有效不透水下垫面的城市雨洪模拟模型——Ⅱ.雨洪模拟及水文响应分析

周 宏，刘 俊，高 成，周 毅，胡尊乐，徐向阳，宋凯璇

(1. 河海大学水文水资源学院，江苏 南京 210098；2. 河海大学水科学研究院，江苏 南京 211106；3. 江苏省水文水资源勘测局，江苏 南京 210029；4. 江苏省水文水资源勘测局常州分局，江苏 常州 213022)

快速城市化进程，加上全球气候变化影响，北京、上海、广州、深圳、武汉、杭州、济南、南京、郑州等大中城市相继发生了城市洪涝灾害事件[1]，给当地的社会经济发展带来了很大的损失。虽然城市洪涝问题得到越来越多的关注[2-4]，中国也推出了一系列旨在缓解城市内涝的政策和措施[5-7]，但是城市内涝频发的现象并未得到根本改善。

在海绵城市建设背景下，对城市雨洪精细模拟及管理提出了越来越高的要求。以往城市雨洪模拟中一般都是根据土地利用资料划分子汇水区，并按照不同土地利用类型加权确定各子汇水区的不透水性[8-10]，或者根据遥感资料进行下垫面分类，以总不透水面积(Total Impervious Area，TIA)计算各子汇水区的不透水性[11-13]。这些对不透水性的处理方法集总地对各种类型的下垫面进行概化处理，并在城市雨洪模拟中使用TIA而非有效不透水面积(Effective Impervious Area，EIA)来表征不透水性，难以表达下垫面的空间异质性，不能准确反映城市水文过程，无法适应新形势下城市雨洪精细管理的要求。Ebrahimian等[14]对城市流域不透水下垫面的3个重要参数(总不透水面积、有效不透水面积、有效不透水面积与总不透水面积的比值)进行了探讨，认为有效不透水面积是决定城市径流最重要的参数；Chen等[15]也将有效不透水面积作为一个新的参数应用于模型中，发现使用有效不透水面积可以提高径流预测的有效性；石树兰等[16]聚焦不透水下垫面的有效性问题，借助遥感影像，通过实地勘察识别大红门排水区的有效不透水下垫面，构建城市暴雨径流模型，发现考虑不透水下垫面有效性可提高雨洪模拟的精度；Sultana等[17]建立了南加州半干旱区域的有效不透水面积与总不透水面积回归关系，结果表明使用有效不透水面积可以减少径流量和雨水控制装置的设计规模。

虽然近年来已有不透水面积对城市雨洪的影响相关研究，但EIA和TIA水文响应的对比分析却不多见，且对不同下垫面间的产汇流作用过程及机制也缺乏深入研究[18]。尤其是在建设海绵城市背景下，主要均是通过增加透水面积(Pervious Area，PA)、减少EIA来达到径流控制效果[19-20]，而对于频繁发生的低、中量级降雨事件，EIA是排水系统中主要的径流来源[17，21]，在推进城市洪涝防治及海绵城市建设过程中，厘清EIA对城市产汇流过程的影响，揭示其水文响应规律，对雨洪精细管理背景下深入推进内涝防治及海绵城市建设具有重要意义[22]。

本文基于研发的考虑EIA的精细模拟模型[23]，构建双桥浜径流小区城市雨洪模型，设置不同的表征不透水性方法，对比不同重现期下EIA和TIA的水文响应，分析不同表征方法对内涝防治及海绵城市建设的影响。

1 双桥浜径流小区雨洪模型构建

1.1 研究区概况

双桥浜径流小区位于常州市主城区防洪大包围圈中北部(图1)，属太湖流域武澄锡虞区较为典型的平原城市区域，内涝成因在太湖流域平原河网地区具有普适性和代表性[10]。区域内地势平坦，呈西北高、东南低之势，地面高程为5～6 m；双桥浜由北向南贯穿整个小区，北至锦绣路，在润德半岛附近分成2支，1支向西至锦绣南苑，1支向南至北塘河，河道总长1.91 km(其中西支0.27 km)。与北塘河交汇处北侧双桥浜闸处同时建有双桥浜泵站，泵站设计流量为4.0 m3/s。根据数字化的下垫面信息分析，双桥浜径流小区道路及屋顶等总不透水下垫面面积为82.12 hm2，达总面积的51.3%，是一个典型的高度城镇化的城市径流小区。

图1 双桥浜径流小区区位及下垫面分类Fig.1 Location and land-use distribution of Shuangqiaobang

1.2 模型构建

1.2.1 排水分区划分

双桥浜径流小区主要为居民小区及学校，区域内除部分未开发利用的地块外，基本均已铺设排水管网，地表径流主要通过排水管道汇入双桥浜，并经双桥浜末端的强排泵站将河水排至研究区外北塘河。对原始数据进行矢量化、点线连接关系修正、属性表修正等处理，制作双桥浜径流小区排水管网分布图，考虑地形因素，在此基础上进行子汇水区的划分，将双桥浜径流小区划分为290个子汇水区，总概化面积1.60 km2，子汇水区划分见图2。

1.2.2 排水管网概化

利用常州市水文局提供的双桥浜径流小区管网图，从CAD中提取管网数据。模型中排水管网概化的主要要素包括管底高程、管道长度、坡度、管径，以及水流在管道中的流向和检查井高程信息。排水管网概化示意见图2。

图2 子汇水区及排水管网概化Fig.2 Generalization result of subcatchments and drainage system

1.2.3 泵站及水闸调度

根据双桥浜径流小区水利工程情况以及防洪排涝调度要求，对水闸与泵站进行概化。由于双桥浜径流小区属于常州城市防洪大包围中的二级圩区，仅当内河双桥浜水位高于外河北塘河时，水闸才开启，在汛期基本关闭。泵站调度根据常州城市防洪包围圈调度规则进行调度，起调水位为4.0 m，当水位降至3.5 m后停泵。

1.3 模型率定与验证

1.3.1 屋顶连接到排水系统比例确定

根据屋顶连接到排水系统比例(γ)的确定方法[23]，选择2016年3月8日的降雨过程率定γ。2016年3月8日降雨量为26.5 mm，次洪量为1.73万m3，由于前期从2月23日开始无降雨过程，可认为此次降雨产生的径流均为EIA产生，不包含PA。模型不透水下垫面洼蓄统一设置为1.5 mm，设置不同的γ以使洪量与实测洪量一致，γ取不同值(1、0.9、0.88、0.87)时洪量分别为1.852万m3、1.753万m3、1.733万m3和1.723万m3。

由此可确定γ为0.88，即屋顶连接到排水系统的面积为34.98 hm2。因此，双桥浜径流小区道路及屋顶EIA总计69.32 hm2，占TIA比例为84.41%，所有EIA确定后不同类型下垫面面积见表1。

表1 EIA确定后不同类型下垫面面积

1.3.2 模型其他参数确定

参数的准确性是模型优越性能的重要基础。通过实地调研和资料搜集分析，对模型参数进行调整，并与实测过程进行比较，对模型进行率定和验证后，确保模型的计算精度，然后利用模型对不同方案进行分析计算。

由于双桥浜径流小区缺乏管网实测液位、流量等资料，仅在径流小区出口处布设有水位计，因而径流小区能用于率定的资料为出口处河道水位及泵站调度运行资料。由于水泵实际运行调度未严格按照调度规则进行，模型按照调度规则计算出的水位必然与实际水位存在差异，因此，在模型率定与验证过程中，根据泵站实际运行流量数据与河道水位—库容曲线反推实际出流过程进行率定与验证。

选择2015年6月2日(20150602)、2016年10月7日(20161007)2场降雨及反推流量过程作为率定数据，2015年8月15日(20150815)、2017年9月24日(20170924)2场降雨及反推流量过程作为验证数据。采用纳什效率系数(Nash-Sutcliff Efficiency，ENS)评价模型的模拟精度，ENS计算公式为

(1)

率定及验证结果见表2及图3。率定结果显示出口断面处流量变化趋势合理，峰值较为接近，ENS较高，说明模型的计算结果是可靠的。

表2 模型率定及验证评价结果

图3 率定及验证期模型模拟与实测流量对比Fig.3 Comparison of observed and simulated hydrographs during calibration and validation period

2 不同不透水性表征方案设置

2.1 不同不透水性表征方案模型参数设置

为了分析城市雨洪精细管理背景下EIA与TIA的适用性及水文响应的差异，模型中分别用EIA和TIA表征不透水性进行城市雨洪模拟，总共分为3种情景：① EIA表征不透水性并对模型参数进行率定(以下简称“EIA模型”)；② TIA表征不透水性但移用EIA模型参数(以下简称“TIA-PT模型”)；③ TIA表征不透水性并对模型参数进行率定(以下简称“TIA-PC模型”)。

(1) EIA模型。采用EIA表征不透水性，同时利用上文经过率定和验证的双桥浜径流小区城市雨洪模型，分析不同重现期下EIA的水文响应。该情景为合理表征不透水性并正确应用模型的场景，以此为基础，将情景②和情景③的结果与该情景相比较，分析TIA和EIA水文响应的差异。

(2) TIA-PT模型。将TIA均作为EIA，即不区分下垫面的有效性与非有效性，将情景①中的EIA及非有效不透水面积(NEIA)相加得到TIA，其余参数均不改变，利用构建的双桥浜径流小区城市雨洪模型，分析不同重现期下的水文响应。该情景用TIA表征不透水性，是雨洪模拟中常见的不当使用模型的一种情景。

(3) TIA-PC模型。该情景是第2种常见的不当使用模型的情景。利用构建的双桥浜径流小区城市雨洪模型，与情景②相同，不区分下垫面的有效性与非有效性，将情景①中的EIA及NEIA相加得到TIA。在此基础上，选择与情景①EIA模型相同的降雨场次对模型参数进行率定与验证。TIA-PC模型率定及验证结果见表3及图4。除不透水性表征之外，TIA-PC模型与EIA模型主要参数的差别在于下渗率，EIA模型最大下渗率(f0)为75.6 mm/h，稳定下渗率(fc)为2.1 mm/h，而TIA-PC模型f0为118.7 mm/h，fc为4.1 mm/h。

表3 TIA-PC模型校验结果

图4 TIA-PC模型模拟与实测流量对比Fig.4 Comparison of observed and simulated hydrographs of “TIA-PC model”

2.2 不同参数设置方案雨洪模拟结果

采用EIA模型、TIA-PT模型、TIA-PC模型3种模型参数设置方案分别模拟双桥浜径流小区不同重现期下水文响应过程。设计暴雨采用常州市暴雨强度公式进行计算，设计雨量见表4。常州市暴雨强度公式为

表4 不同重现期设计雨量

(1)

式中：i为暴雨强度，mm/min；T为重现期，a；t为降雨历时，min。

设计暴雨时程分配采用芝加哥雨型，常州市180 min历时降雨雨峰位置系数r=0.381，降雨过程见图5。

图5 常州市不同重现期180 min芝加哥雨型Fig.5 Different design hyetograph of Changzhou City

EIA模型、TIA-PT模型、TIA-PC模型3种模型参数设置方案不同重现期下峰值流量、洪量、峰现时间结果见表5。

表5 不同参数方案水文响应结果

3 EIA与TIA水文响应对比分析

3.1 TIA-PT模型与EIA模型

对洪峰流量而言，无论何种重现期降雨条件下，TIA-PT模型洪峰流量均比EIA模型大；对洪量而言，不同重现期TIA-PT模型也均比EIA模型大；从峰现时间来看，TIA-PT模型峰现时间均比EIA模型早1 min。不同重现期下TIA-PT模型与EIA模型洪峰流量及洪量相对偏差见图6。

由图6分析可知，TIA-PT模型洪峰流量与EIA模型的相对偏差由0.5年一遇时相差5.11%逐渐减小到100年一遇时的0.06%，相对偏差随着重现期的增加逐渐减小。对洪量而言，TIA-PT模型与EIA模型的相对偏差也随着重现期的增加逐渐减小，由0.5年一遇时相差2.83%逐渐减小到10年一遇时的0.54%，且当重现期达到10年一遇后，两者的相对偏差趋于稳定。从峰现时间来讲，各重现期下，TIA-PT模型的峰现时间均比EIA模型提前1 min，并且当重现期达到3年一遇后两者峰现时间都不再变化。

图6 TIA-PT模型与EIA模型洪峰流量及洪量相对偏差Fig.6 Comparison of peak flow and flood volume of “TIA-PTmodel” and “EIA model”

使用TIA-PT模型出现上述与EIA模型结果差异的原因主要在于，城市下垫面在产流过程中并非所有的不透水下垫面上产生的径流均直接排至城市雨水管网，NEIA上产生的径流在流经PA后，或直接滞留在透水下垫面，或经透水下垫面排入管网系统。在降雨量较小时，NEIA上产生的径流在流经PA后，大部分滞留在透水下垫面，因此低重现期时TIA-PT模型洪峰流量及洪量与EIA模型相对偏差较大。随着重现期升高，PA产流量逐渐增大，PA滞蓄NEIA上的径流占自身产流量的比例变低，因而，随着重现期升高，洪峰流量及洪量的相对偏差逐渐减小，甚至当100年一遇重现期时，TIA-PT模型与EIA模型的洪峰流量仅有略微差别。

因此，在城市雨洪精细模拟模型使用过程中，由于使用TIA表征不透水性且移用EIA模型的参数，导致二者的水文响应出现差异，会高估洪峰流量及洪量，尤其对于低重现期降雨其高估的比例相对较大。无论是在城市排水工程规划设计还是在海绵城市建设过程中，都会在无形之中使工程规模偏大，增加工程投资总额。

3.2 TIA-PC模型与EIA模型

对洪量而言，无论何种重现期降雨条件下，TIA-PC模型洪量均比EIA模型小；对洪峰流量而言，低重现期时TIA-PC模型比EIA模型大，而高重现期时相反；从峰现时间来看，TIA-PC模型峰现时间均比EIA模型早1 min。不同重现期下TIA-PC模型与EIA模型洪峰流量及洪量相对偏差见图7。

图7 TIA-PC模型与EIA模型洪峰流量及洪量相对偏差Fig.7 Comparison of peak flow and flood volume of “TIA-PC model” and “EIA model”

由图7分析可知，无论在何种重现期条件下，使用TIA-PC模型都会比EIA模型低估洪量，两者相对偏差由0.5年一遇时相差18.49%增加到2年一遇时的23.15%，然后逐渐减小至100年一遇时的7.24%，相对偏差有随着重现期的升高而减小的趋势。对洪峰流量而言，5年一遇以下低重现期时，使用TIA-PC模型会比EIA模型高估洪峰流量，两者相对偏差由0.5年一遇时5.11%减小至5年一遇的1.36%，重现期越低，高估的洪峰流量相对比例越高；当重现期高于5年一遇时，使用TIA-PC模型会比EIA模型低估洪峰流量，并且随着重现期升高，低估的比例也越来越高。

使用TIA-PC模型出现上述与EIA模型结果差异的原因主要在于，低重现期时径流主要是由不透水下垫面产生，透水下垫面产生径流较少，使用TIA表征不透水性且据此率定模型时，不透水下垫面多产生的径流相对固定。随着重现期升高，降雨量及降雨强度增加，虽然TIA-PC模型最大下渗率、稳定下渗率均比EIA模型大，TIA-PC模型的透水下垫面也会与EIA模型一样逐渐产生地表径流。故而随着重现期升高，TIA-PC模型比EIA模型高估的洪峰流量比例会不断减小。在高重现期时，EIA模型中，由于下渗率较小透水下垫面开始产生大量地表径流，透水下垫面表现得越来越像不透水下垫面，TIA-PC模型中由于下渗率较大，透水下垫面产生径流相对EIA少，因此对洪峰流量低估的比例随着重现期升高而增加。

对于洪量而言，TIA-PC模型与EIA模型总的不透水下垫面面积是一定的，区别在于EIA模型中的NEIA是流动至PA上，对洪量的影响主要在于透水下垫面产生的径流量。而TIA-PC模型由于下渗率大，必然会比EIA模型低估洪量，只是当重现期增加，2个模型中的透水下垫面都会产生大量地表径流，其相对差异也就逐渐减小。

因此，在城市雨洪精细模拟模型使用过程中，由于使用TIA表征不透水性且率定模型参数，无论何种重现期计算出的洪量都会偏低，对洪峰流量而言，会从低重现期时偏大逐渐转变至高重现期时偏小，给城市内涝防治带来不利影响。低重现期的洪峰流量偏大会导致城市排水系统设计规模偏大，增加排水管网建设投资；高重现期洪峰流量偏小、洪量偏低，会导致城市防涝系统设计规模不足，可能无法有效应对城市内涝。

4 结 论

利用构建的城市雨洪精细模拟模型，以常州市双桥浜径流小区为例，采用不同不透水性的表征方法进行城市雨洪模拟，分析有效不透水面积在城市雨洪精细模拟中的影响。

(1) 无论在何种重现期条件下，用总不透水面积表征模型不透水性且直接移用有效不透水面积模型参数，会高估洪峰流量及洪量，并且其相对偏差在低重现期时相对较大，随着重现期升高相对偏差会逐渐减小。对于中重现期、低重现期的降雨，由于使用总不透水面积代替有效不透水面积高估洪峰流量及洪量的比例相对较大，无论是在城市排水工程规划设计还是在海绵城市建设过程中，都会在一定程度上使工程规模偏大，增加工程投资总额。

(2) 无论在何种重现期条件下，使用总不透水面积表征不透水性率定模型会低估洪量，并且相对偏差有随着重现期的升高而减小的趋势。对洪峰流量而言，5年一遇以下低重现期时，会使洪峰流量偏大，且重现期越低，高估的洪峰流量相对比例越高；当重现期高于5年一遇时，会低估洪峰流量，并且随着重现期升高，低估的比例也越来越高。对城市内涝防治系统而言，会导致城市排水系统设计规模偏大，增加投资，而防涝系统设施规模不足，难以有效应对城市内涝。