水文模型在济南市海绵城市建设中的应用

丁素媛，冯 平，于海军

（济南市水文局，山东 济南 250014）

水文模型在济南市海绵城市建设中的应用

丁素媛，冯 平，于海军

（济南市水文局，山东 济南 250014）

简要分析了水文模型的建设内容与技术路线，探讨了水文模型在济南海绵城市建设中的应用效果。

济南市；海绵城市；水文模型

近年来，海绵城市建设为济南市水资源和雨洪灾害问题的解决提供了契机。水文模型的研制与应用将为济南市海绵城市建设提供技术支撑。

1 水文模型研制的技术路线

1.1 济南市水循环规律研究

收集国家气象局和济南市水文局长期观测的气象和水文长序列数据，如降水、蒸发、土壤含水量、地表径流和地下径流等陆地水循环关键要素，气温、相对湿度、风速、辐射等主要气象要素，借助线性回归法、滑动平均法等方法，以及降雨强度、径流系数等常用水循环要素表征指数，全面分析近几十年来济南市主要陆地水循环要素的季节、年际、年代际等多时间尺度的趋势性、突变性、周期性等演变规律，开展济南市陆地水循环格局及水资源情势时空变异诊断。

基于济南市陆地水循环主要要素的时空演变规律特征，采用主成分分析、聚类分析等统计分析方法识别影响济南市陆地水循环要素及水资源格局变化的主要控制因素，并检测其时空演变趋势；采用统计分析方法、弹性系数法、水文模型模拟法等研究方法，辨识自然气候变化与人类活动对济南市陆地水循环格局影响的贡献率，为下一步济南市分布式水文模型开发以及海绵城市建设提供科学依据和理论基础。

1.2 济南市分布式水文模型建立

研究分别采用坡度、地形指数和下垫面相似度指数，从不同角度定量描述下垫面的产汇流特征。在对DEM图、土地利用图和土壤分布图叠加分析基础上，合理选择下垫面前期湿润条件，分别绘制坡度、地形指数和下垫面相似度指数等值线图。将各种下垫面划分方法形成的栅格数据分别与各种下垫面原始空间数据进行分析和比较，检验所建单元划分方法对流域下垫面的描述精度。择优作为研究区域的格网划分方案。如果不满足精度要求，则重新选择算法对网格进行加密。根据城市水文过程耦合模拟的需要，结合河道、街道分布，对所生成的格网进行必要的加密和剖分，实现单元和各水流通道边界之间的紧密连接。在对SCS模型、Horton产流模型和Green-Ampt模型的比选基础上，深入探讨济南市的下渗机制。模型的率定和验证分为两个步骤：根据研究区域雨量站、河道控制站历史监测数据，对分布式水文模型进行初步率定与验证，确定模型的初始参数。在此基础上，采用灵敏度分析方法，分析模型产汇流参数的灵敏度，确定影响模型精度的主要参数。在对数字高程地图和历史洪涝灾情分析基础上，根据积水点的观测信息和雨量站、水文站的实时监测资料，采用多目标参数优化方法，对模型的主要参数进行调整。最后，选择场次雨洪资料，对模型的精度进行验证，并对历史灾情进行复核，评价模型的适用性。

1.3 济南市洪水过程模拟

选择济南市海绵城市建设示范区作为研究对象，将描述管网、街道等汇流模型与分布式水文模型进行耦合，开发济南市洪水过程模拟模型，实现对洪水过程的精确模拟。

研究拟在SWMM模型的二次开发基础上进行分布式水文模型的构建。SWMM模型是目前应用最为广泛的城市水文模型之一，然而也存在地表汇流过程过于简略，无法描述洪水的空间传播过程等问题。本研究将采取多种方法对SWMM模型进行改进，其中既包括水文填洼模型，也包括基于三角形格网的洪水演进模型，还包括基于水动力学的二维水动力模型与基于路网和DEM的“源-汇”城市街道汇流模型。并将模型算法与上述格网划分方法耦合，在充分发挥SWMM模型优势的同时，建立具济南市特点，符合济南市洪水过程实情的分布式水文水动力模型。

1.4 典型区地下水下渗条件和泉流量关系模型

首先收集地下水基础资料和成果，分析地下水年均补给量、资源量和可开采量的变化；收集地下水实际开采量及用于生活、工业和农业的开采量、井数等；收集地下水水位监测和泉流量动态资料，分析逐月和逐年动态特征和变幅。面向济南市保泉行动的目标，分析地下水下渗条件的影响因素和多年来变化规律。

以收集的地下水动态资料（包括泉）和区域水均衡来建立相关关系模型并验证模型的可靠性。采用分区地下水均衡计算和统计，特别要分析地下水位、泉流量、代表性地下水位和地下水开采量的动态变化。预测分析海绵城市建设不同实施方案下地下水下渗条件变化以及泉流量动态变化，为海绵城市建设与保泉行动方案提供技术支持。

1.5 水循环模拟平台

以地理信息系统和数据库管理系统为开发平台，面向济南市主要河流、湖库水体日常水资源管理与海绵城市建设管理的需要，采用集成GIS组件和水文模型、洪水演进模型、地下水下渗条件与泉流量关系的模型，建立“水循环过程综合模拟与集成平台”。建立地理信息与水文信息主要参数数据、空间数据及属性数据的综合管理系统，实现多元数据和信息集成整合。集成水文模型、洪水演进模型、地下水模型，构建综合模拟系统，实现常态条件下水资源模拟和暴雨条件下洪水模拟及演进推算。建立基于GIS的空间分析及数据展示子系统，为海绵城市建设、常规水资源管理和城市暴雨洪水应急处理提供决策支持。

2 预期目标及成果

2.1 确定核心目标和指标，划定海绵空间管控格局

明确海绵城市建设的必要性、方向与要解决的问题，确定建设标准和指标体系，提出关键指标如年径流总量控制率等关键指标要求。

对城市的山水林田湖自然本底进行全面摸底，识别需要管控的海绵空间，构建海绵城市的自然生态空间格局，提出保护与修复要求；评估海绵城市建设技术的用地适宜性；划定海绵城市管控分区，提出竖向等管控要求，分解相关海绵指标，明确建设策略和指引。

2.2 制定出绿灰结合的系统方案

着眼于城市水循环来统筹考虑问题的解决。既要坚持目标导向，确保城市雨水径流能够就地得到有效控制，实现自然积存、自然渗透、自然净化；同时又要突出问题导向，系统识别城市内涝积水、水体黑臭、河湖湿地生态功能受损等问题，并提出相关的解决方案。

2.3 衔接相关规划，确定海绵建设重点区

通过海绵城市专项规划的编制，将雨水年径流总量控制率、径流污染控制率、排水防涝系统等有关控制指标和重要内容纳入城市总体规划，将海绵城市专项规划中明确需要保护的自然生态空间格局作为城市总体规划空间开发管制的要素之一；指导控制性详细规划尽可能考虑独立汇水区的因素，进一步将指标落实到地块和市政设施，奠定规划建设管控制度的基础；衔接道路交通、绿地系统、排水防涝等相关规划，将规划成果要点反馈给这些专项规划，并通过专项规划的进一步细化，确保海绵城市建设的协调推进。

明确海绵城市建设的重点区域与项目内容，将分解到排水分区或控制性详细规划单元的管控要求再进一步分解，落实到地块和市政设施。

2.4 实现“监测-模拟-展示”一体化

依据建设“现代泉城”城市建设思路和“广蓄水、储客水、保泉水”的治水思路，通过模拟和集成，客观准确评价济南市海绵城市建设和保泉措施效果，实现雨洪资源的高效利用。

（责任编辑赵其芬）

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1009-6159（2017）-05-0007-02

2017-02-28

丁素媛（1974—），女，工程师