基于SWMM模型的暴雨洪水模拟研究----以郑州大学新校区为例

李 东，荐圣淇，王慧亮，胡彩虹

(郑州大学 水利与环境学院，郑州 450001)

0 引 言

伴随着城市化进程的加快，城市人口急速增长，城镇化的提高导致城市不透水面积的增加，土地利用性质发生重大改变，天然下垫面的状况发生了显著的变化。城市化进程直接影响了流域大环境的产流规律，以及取、用、耗、排水条件。同时，在全球变暖背景下，城市气温明显升高，降水呈现出或增或减的趋势性变化。从我国多数城市的情况来看，受气候变化和下垫面环境变化等多种因素的影响，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]。从2006年开始郑州市平均每年遭遇暴雨内涝灾害次数15次，平均每年的暴雨内涝灾害损失超过2亿元；2016年7月9日新乡发生特大暴雨，使新乡大部分交通瘫痪，房屋坍塌，车辆受损，超市门面大量被淹，直接经济损失23 071万元。2016年7月湖北省武汉市发生持续暴雨，武汉一周内降雨量占全年平均降雨量的40%，近2万名村民生活的辖区变为一片汪洋，14人死亡1人失踪，经济损失22亿元。当下，城市规模的扩张已使得水文特征、洪涝灾害的成因机理发生变化，随着城市化向纵深发展，城市洪涝灾害将更加频繁。城市水文效应，特别是城市地区降雨径流规律以及应对技术的研究已成为新热点。利用先进的技术手段对城市暴雨内涝进行模拟分析为城市合理规划和防灾减灾等提供科学依据，已经引起人们的重视[2-4]。

自20世纪80年代以来SWMM ( Storm Water Management Model)已广泛用于我国多数城市的暴雨径流模拟研究中，如北京、天津、成都等[5]，均表明SWMM对于不同地区具有较强的适用性。但是之前的研究多是基于实测数据来率定和验证模型参数，在一些小区域实测数据比较容易获得，而在大范围内测量降雨的径流过程操作起来难度很大。本研究与其他研究的不同之处就在于，在没有径流过程实测资料的情况下，利用设计暴雨及雨型模拟郑州大学新校区的暴雨径流过程。

1 材料与方法

1.1 研究区域的概况

郑州大学新校区选址于郑州市西边的高新技术开发区内，郑州高新技术产业开发区位于郑州市西北部，南临西流湖，北接邙山，东与环城快速路联，西四环穿区而过，距市中心约12 km，南距310国道2 km，北邻连霍高速公路，对外交通条件优越。郑州市属北温带大陆性季风气候，冷暖气团交替频繁，春夏秋冬四季分明。冬季漫长而干冷，雨雪稀少；春季干燥少雨多春旱，冷暖多变大风多；夏季比较炎热，降水高度集中；秋季气候凉爽，时间短促。全年平均气温15.6 ℃；8月份最热，月平均气温25.9 ℃；1月份最冷，月平均气温2.2 ℃，全年平均降雨量542.2 mm。整个新校区规划由西四环、科学大道、长椿路和莲花街围合而成，南北长约2 100 m，东西宽约1 100 m；主要包括办公楼、教学楼、宿舍楼、餐厅、广场、操场、道路和绿地等，总面积284.4 hm2，其中绿地总面积约为113.4 hm2，绿地率约为40%(如图1所示)。

1.2 SWMM模型概述

SWMM模型是动态的水文—水力—水质模拟模型，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[6]。它可以模拟完整的城市降雨径流和污染物运动过程，包括地表径流和排水系统中的水流，雨洪的调蓄处理过程，以及水质影响评价。模型输出可以显示系统内各点的水流和水质状况。SWMM可以用于规划、设计和实际操作，是一个运用相当广泛的城市暴雨径流水量、水质模拟和预报模型[7]。模型具体计算过程如下：

(1) 子流域概化。在SWMM模型中，一般将流域划分成若干个子流域，根据各子流域的特性分别计算其径流过程，并通过流量演算方法将各子流域的出流组合起来。各子流域概化成不透水面积和透水面积两部分，以反映不同的地表特性。

(2) 地表产流计算。对不透水地表净雨量，只需从降雨过程中扣除初损 (主要是填洼量)即可。在未满足初损前，地表不产流，一旦初损满足，便全面产流。对透水地表，除填洼损失外，还有下渗的损失，SWMM模型提供了Horton模型、Green-Ampt模型和SCS模型3种方法计算下渗量。

(3) 地表汇流计算。地表汇流演算的任务是把各个子流域的净雨过程转化成流域的出流过程，在SWMM模型中，将子流域的3个组成部分近似作为非线性水库处理而实现的，即联立求解曼宁方程和连续方程。

(4) 排水系统流量演算。在SWMM模型中，主要通过输送模块和扩展输送模块来进行排水系统的演算，即通过求解圣维南方程组得出。

1.3 SWMM模型的建立

1.3.1 SWMM模型子汇水区划分

据地形数据，将郑州大学新校区概化为20个汇水区，21个节点、21条管道和一个出水口，模型概化如图2所示。

1.3.2 SWMM模型参数的确定

SWMM模型参数取值应在其符合物理意义的范围内，根据实测和文献资料得出SWMM模型中水文参数[8-10]，在计算各子流域的产流过程中，子汇水区域主要参数包括子汇水区域面积、地面坡度、特征宽度、子流域不透水部分地表水流的曼宁系数、子流域透水部分地表水流的曼宁系数、子流域不透水部分洼地蓄水深度、子流域透水部分洼地蓄水深度、无洼地蓄水的不透水面积百分比、模型入渗率及衰减常数等。根据校区排水管数据，采用半径为1 m的圆形管道，进水出水偏移0，管道粗糙系数取0.01，不同土地利用的径流系数根据SWMM模型用户手册确定，模拟过程采用动力波进行流量演算。其子汇水区域参数的设置见表1。

表1 子汇水区域参数的设置Tab.1 Sub catchment area parameter settings

1.4 设计暴雨

利用中国市政工程中南设计院编制的郑州市暴雨强度公式，以及利用芝加哥雨型合成重现期分别为0.5、2、10、50年的降雨事件，其雨峰系数均为0.4，降雨历时均为180 min。我国排水管渠设计的暴雨强度采用下式计算[11]：

(1)

式中：q为平均暴雨强度；P为设计降雨重现期；T为降雨历时；A、C、B、n均为常数，利用统计方法计算确定。根据中国市政工程中南设计院编制的郑州市暴雨强度公式可知：A、C、B和n分别为3073、0.892、15.1和0.824。根据上述参数，得到4种不同重现期的降雨强度过程线 (图3)。

图3 不同重现期3 h(r=0.4)降雨强度过程线Fig.3 Rainfall intensity process line of 3 h (r=0.4) with different return periods

1.5 方 法

本次对郑州大学新校区进行不同峰值比例、不同暴雨重现期、不同城市化水平以及LID实施等情境下的模拟。不同峰值比例模拟选取模型降雨重现期分别为2 a、10 a、50 a，峰值比例选取0.2、0.4、0.6、0.8的3 h暴雨过程；不同暴雨重现期模拟以现状不透水面积为60%的情景下，模型降雨采用重现期分别为0.5 a、2 a、10 a、50 a峰值比例r=0.4的3 h降雨来研究郑州大学新校区的降雨、下渗、径流情况；不同城市化水平选取三种不同的不透水面积比例开发前39%、现在60%和按规划开发完成后的82%三种情景(分别记为城市化水平Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ)分别进行暴雨洪水模拟，设计暴雨选择重现期为2年一遇、峰值比例r=0.4的3 h暴雨过程。

低影响开发LID是指基于模拟自然水文条件原理，釆用源头控制理念实现雨洪控制与利用的一种雨水管理方法[12]。郑州大学新校区每年杂用水量(浇洒道路、冲厕等)共141 万m3，而每年可收集雨量约为354 万m3[13]。因此，进行校园雨水回收利用具有可行性。根据雨水收集利用方式将校园分为多个片区，包括下凹绿地区、人工湿地集蓄区、雨水桶收集区、眉湖植被过滤收集区、绿色屋顶与雨水花园结合区、植被浅沟区、透水铺装区、运动场排放区[14]，如图4所示。

图4 郑州大学雨水利用分区规划图Fig.4 Rainwater utilization zoning plan of Zhengzhou University

本次的低影响开发LID采用重现期为3 h的暴雨，模型中假设50%低影响开发面积中的净雨会汇流到各自相应子汇水的透水区进行再次处理。

2 结果与分析

2.1 不同峰值比例情境下的模拟分析

不同峰值比例情境下的模拟结果见图5。由图5可知，研究区的降雨量不随峰值比例的变化而变化，不同的重现期暴雨峰值不一样，但暴雨峰值出现的时间一样，随着峰值比例的增加形成暴雨峰值的时间延长，无论是重现期为2 a、10 a、50 a，当峰值比例r=0.2时，暴雨峰值出现在40 min；当峰值比例r=0.4时，暴雨峰值出现在70 min；当峰值比例r=0.6时，暴雨峰值出现在110 min；当峰值比例r=0.8时，暴雨雨峰出现在140 min。

图5 不同峰值比例暴雨过程线 Fig.5 Rainstorm hydrograph with different peak value

2.2 不同暴雨重现期情境下模拟分析

不同暴雨重现期情境下模拟郑州大学新校区，该区域降雨、下渗、径流情况如下表2。由表2可知，随着暴雨重现期的增加，该研究区域的降雨量和径流系数明显变大，虽然下渗量增加，但是降雨下渗的百分比率下降，说明随着降雨的增强,下渗相对有所下降，0.5年一遇的降雨入渗率比50年一遇的降雨入渗率增多了26.7%。10 a重现期暴雨径流量是0.5 a重现期径流量的近3.3倍，50 a重现期暴雨径流量是0.5 a重现期径流量的近4.8倍，说明该区域对于暴雨非常敏感，随着暴雨重现期的增加，径流量增幅变大。

表2 不同暴雨重现期情境下模拟结果Tab.2 Simulation results under different rainfall recurrence periods

2.3 不同城市化水平情境下模拟分析

不同城市化水平情景下暴雨洪水模拟结果如下表3。由表3可知，不同城市化水平在相同降雨情景下所产生的暴雨洪水过程不一样，随着不透水面积的增加，入渗量在减少，而径流量在增加，所产生的径流系数也在增大，在城市化水平I情景下，入渗量较城市化水平Ⅱ情景下增大了9.73 mm，提高74.33%，而径流深减少8.07 mm，减少率为33.71%，径流系数减少17%。而在城市化水平Ⅲ情景下，研究区的入渗量较城市化水平Ⅱ情景下入渗量减少了6.36 mm，减少了48.59%，而径流深增大了4.45 mm，增加了18.59%，径流系数增大了9.38%。同一地区，城市化水平越高，径流系数就越大，发生暴雨洪水引起的城市内涝的机率就越大。

表3 不同城市化水平情景下暴雨模拟计算结果Tab.3 Simulation results of rainstorm under different urbanization level

2.4 LID实施情景模拟分析

低影响开发模拟结果如下表4所示。由表4可知，在同等的暴雨条件下，LID施前后地表径流变化比较大，入渗量增加了6.7%，径流量减少了10.44%。说明低影响开发(LID)措施对地表径流控制效果比较明显，可以起到消减校区洪水的作用。

表4 LID设施实施前后地表径流模拟结果Tab.4 Simulation results of surface runoff before and after the implementation of LID facility

3 结 语

本文在介绍了SWMM模型的基础上，对郑州大学新校区进行了不同峰值比例、不同重现期和不同城市化水平以及低影响开发措施等情境下模拟研究，结果表明：

(1)在根据城市化后郑州大学新区下垫面情况研究的基础上，通过对该地区雨洪的成因及现状的研究，为郑州大学新区暴雨径流模拟模型的建立打下了良好的基础、提供了很好的参考资料。

(2)随着峰值比例的增加形成暴雨峰值的时间延长，但暴雨雨峰不变，暴雨过程线只是进行了左右平移； 10 a重现期暴雨径流量是0.5 a重现期径流量的近3.3倍，50 a重现期暴雨径流量是0.5 a重现期径流量的近4.7倍，从而说明该区域对于暴雨的敏感程度较大。

(3)随着城市化进程加快不透水面积比例增加，入渗量在减少，而径流量在增加，所产生的径流系数也在增大，城市化水平越高，径流系数就越大，发生暴雨洪水引起的城市内涝的机率就越大；

(4)低影响开发措施可以从控制和消减城市洪水的作用，合理利用低影响开发措施可以有效提高区 域管网处理一般大暴雨的能力，从而来降低区域内涝发生的风险。

城市暴雨洪水模型的建立、发展乃至成熟是一个漫长的、不断修正的过程，本模型也尚存在很多不尽如人意的地方，如该地区地形、下垫面情况比较复杂，对模型参数选取有一定的影响，直接影响了计算的精度，以及降雨过程数据的缺失，导致无法与不同峰值与不同暴雨重现期降雨的模拟结果进行对比，因此仍有许多方面的工作需要进一步研究和探讨。

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