基于SWMM模型的贵安新区暴雨径流过程模拟

胡彩虹 李东 李析男

摘 要：以贵州省贵安新区示范区为例，构建暴雨洪涝模型（SWMM），选择SCS径流曲线计算下渗量，比较模型模拟流量与研究区排水口的实测流量，结果表明模拟径流过程与实测径流过程吻合度较好，用于校准和验证的5场降雨径流的模拟误差分析和Nash系数也均符合标准。研究表明，SWMM模型可应用于贵安新区城市洪涝的模拟，可以为该地区海绵城市建设以及雨洪管理措施的实施提供理论依据。

关键词：贵安新区示范区;SWMM;SCS径流曲线;雨洪模拟

中图分类号：TV121 文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.05.002

Abstract：Taking the demonstration area of Guian New District as an example， the storm flood model was constructed and the SCS runoff curve was selected to calculate the infiltration amount. Comparing the simulated flow of the model with the measured flow of the drainage outlet in the study area， the results showed that the model-simulated runoff process was in good agreement with the measured runoff process. The simulation error analysis and Nash coefficients of five events of rainfall runoff used for calibration and verification were also in accordance with the standards. The research shows that the SWMM model can be applied to the simulation of urban floods in Guian New District， which can provide an important theoretical basis for the construction of sponge cities and the implementation of stormwater management measures in the region.

Key words： demonstration area of Guian New District; SWMM; SCS runoff curve; rain flood simulation

1 引 言

近年来随着我国城镇化速度的不断加快，城市洪水内涝问题成为威胁城市安全和社会稳定的重要因素之一[1-2]。为了防止城市内涝的发生，增强城市安全防涝能力，国家越来越重视城市防洪规划设计，积极推进海绵城市建设工作。贵安新区是我国八大国家级新区之一，力求在新区建设过程中结合海绵城市设计特点，降低城市内涝发生的风险，在这一过程中对于城市洪涝的模拟就显得尤为重要。目前世界上应用较为广泛的城市雨洪模型主要有Infoworks CS模型、MOUSE模型、MIKE Urban模型和SWMM模型等，SWMM模型是由美国环境保护署研究开发的，主要应用于城市地区单一事件或长期的降雨径流和水质模拟，可以对降雨形成的径流经地面、河道、排水管网以及蓄水等设施最终到达研究区出口的整个运动过程进行计算，已被国内外学者应用到城市洪涝模拟方面[3-6]。Jeong D. G.等[7]选择大田诺恩作为研究区，利用专家系统对SWMM模型的参数进行求解，研究表明分析结果可用于分析城市流域对设计降雨时间分布和城市化的反应趋势;Vander S. M.等[8]应用SWMM模型在澳大利亚悉尼市西部进行雨洪过程模拟研究，结果表明该模型在悉尼市西部具有一定的适用性;Tae Seok Shon等[9]以某工厂为例，运用SWMM模型中的低影响开发模块（LID模块）进行模拟，结果表明该模块能够较好地缓解非点源污染;黄卡等[10-11]根据研究区的实测资料，运用SWMM模型对城市不同重现期下的暴雨进行了模拟计算;边易达[12]运用SWMM模型模拟了济南市某区域的排水系统，研究表明SWMM模型在该地区模拟效果较好;程桂[13]以宜兴市某试验区为例，运用SWMM进行雨洪控制效果模拟，结果表明雨洪管理措施可有效降低峰值流量、延缓峰现时间和减小径流系数;朱培元等[14]运用SWMM模型在不同重现期条件下利用LID措施进行模拟，结果表明雨水桶对径流量的削减能力强于绿色屋顶，而绿色屋顶能够较好地推迟峰现时间;胡莎等[15]基于SWMM模型构建了山前平原型雨洪模型，结果表明该模型可为山前平原城市的水系排涝规划及治理提供依据。

本文以贵安新区示范区为研究对象，根据该地区的水文地质条件、下垫面条件和研究区监测站点降雨径流相关资料，结合贵安新区示范区的空间数据进行合理的概化，构建基于SWMM模型的贵安新区示范区城市暴雨洪水模型，以期为贵安新区海绵城市建设以及雨洪控制措施的实施提供理论依据。

2 研究区概况

貴安新区示范区位于贵州省安顺市与贵阳市之间，占地面积19.10 km2。该区属于北亚热带高原季风湿润气候区，气候适宜，多年平均气温为14.8 ℃，多年平均降水量为1 225.6 mm，年内降水变化极不均匀，其丰水期主要集中在4—10月，总降水量为1 066.6 mm，占全年降水量的87%。贵安新区示范区地处贵州高原中部南段，地势整体上西北高、东南低，整体较宽坦。该研究区域属于南明河流域，内部主要有车田河、汪官水库、宴贡水库、滴水河（部分）、兰花河、冷水沟河。

3 数据资料与研究方法

3.1 数据资料

SWMM模型所需的数据主要包括水文气象数据、遥感影像数据（LANDSAT8）、数字高程数据（DEM）、城市管网及河道资料等。管网及河道数据根据《车田河流综合治理可研设计报告》和《贵安新区直管区管线综合规划（2016—2030）》得到。

（1）水文气象数据。实测降雨数据由研究区4个雨量站的监测数据获得，实测径流数据由S6=S5-S1-S2-S3-S4监测站数据得到（见图1）。本次研究选择20170711、20170623、20170523、20170903和20170708共5场降雨对模型参数进行校准、验证。

（2）DEM数据采用ASTGTM数据产品，用ArcGIS10.2计算出相应研究区的高程、坡度等地形参数（见表1）。

（3）遥感影像数据采用LANDSAT8数据，用ENVI5.3.1软件分析出相应研究区的不透水率等参数（见表2）。

（4）本研究选用SCS-CN径流曲线数模型，根据贵安新区示范区的土壤类型和地表覆被条件，进行不同土地利用面积的统计，按照SCS-TR55 1986赋以相应的CN值，然后取加权平均值[16]。CN值与土壤类型有关，研究区主要为残坡积红黏土，次要的是冲洪积卵砾石及砂土，属于C类土壤，其取值范围见表3。

3.2 研究方法

SWMM模型主要由地表产流、地表汇流和管网汇流等3个模块构成，对于地表产流模块中下渗量的计算，SWMM模型中有Horton模型、Green-Ampt（G-A）模型和SCS-CN模型三种[17]。贵安新区示范区属于残丘谷地，洼地、落水洞少见，未有较突出的暗河管道出现，地下水埋深为20～30 m，因而不考虑含水层与地下水的相互转化。在喀斯特地区，径流不仅仅受降雨量、降雨强度的影响，还受地表下渗能力的影响，SCS-CN模型能够客观反映地表产流受不同土壤质地及地表覆被状况的影响程度，是一种比较理想的喀斯特地区径流计算方法[18]。因此，本次下渗模型选择SCS-CN模型。

4 模型构建

SWMM模型构建是一个非常重要的操作步骤，包括基础数据收集、数据导入等前期准备工作，模型的基础数据将直接影响模型运行结果的精准度[19]，模型构建流程见图2。SWMM模型目前已经被广泛应用于全球城市排水系统的规划和设计计算，但要将其引用到贵安新区示范区，需要结合贵安新区的实际情况进行改进，主要是对模型中相关参数进行率定并检验模型的适用性。只有通过必要的模型检验，选择合理的产汇流参数，才能将其推广应用到贵安新区，取得合理的计算结果。

4.1 子汇水区划分

SWMM模型划分子汇水区时，应先在地形图上明确模型的矢量边界范围，再确定研究区排水口位置并由此划分子汇水区。

（1）排水区域划分。根据贵安新区示范区实际的地形地貌、下垫面情况和区域流水方向进行简单、合理的概化，将研究区划分成若干个相对独立的排水区域。

（2）编号及划分子汇水区。根据贵安新区示范区的雨水管网、道路、河道，将每个排水区域再细化为若干个子汇水区，并对所有的子汇水区进行编号。

（3）求面积。把排水管网导入到SWMM模型中，模型会自动测量出子汇水区面积。

（4）资料的输入。按照SWMM模型要求的格式，首先输入径流模块的降雨及各子汇水区的资料，然后输入城市管网、河道等参数资料，最终形成模型运行时所要求的输入文件。

（5）模型结果分析。通过模型运转，得出研究区出水口的径流过程并分析其合理性。

4.2 排水系统概化

根据贵安新区示范区土地利用现状，建立研究区城市暴雨洪涝模型。研究区总面积为19.10 km2，不透水面积为5.41 km2，占总面积的28.35%;透水面积为13.69 km2，占总面积的71.65%。根据整个研究区域的地形地貌、雨水管网、河道、道路等因素，将研究区共划分为18个排水单元、35个节点、6个监测点和4个蓄水单元，车田河横跨整个研究区，示范区出流监测点S6可控制整个研究区的闭合流域（见图1）。

4.3 参数校准与验证

模型的参数校准是城市暴雨径流模拟的重要步骤之一，在建模过程中模型常常会产生不确定性，主要原因是由模型参数的不确定性引起的。SWMM模型参数主要分为两类，第一类参数通常为区域特征参数，可直接获得，而第二类参数一般无法直接获得（见表4）。因此，在运用模型的过程中需要对模型的第二类参数进行校准验证，来提高模型模拟结果的精度及可靠性。

4.4 模型误差评定

根据我国《水文情报预报规范》要求，洪水预报误差评定主要指标有洪峰流量、峰现时间、洪水总量和洪水过程等，本文采用洪峰流量相对误差和Nash效率系数两个指标衡量模型模拟精度[21]。

4.5 模型模拟结果分析

模型模拟时，河道的初始流量设置为0，与研究区出水口的实测流量数据进行对比，计算出水口的实测流量与模拟流量的Nash-Sutcliff确定性系数，5场降雨均达到0.78以上即可。图3（a）、图3（b）和图3（c）为校准期实测流量与模拟流量过程，图3（d）和图3（e）为验证期实测流量与模拟流量过程，洪水模拟效果评价见表6。

整体而言，SWMM模型对贵安新区示范区5场降雨模拟效果较好：校准期的3场降雨洪水过程中，Nash系数均大于0.78，洪峰流量相對误差大都小于15%;模型验证期20170903和20170708场次暴雨径流过程Nash系数均大于0.82，洪峰流量相对误差最大为-12.18%。

5 结 语

以贵安新区示范区为例，选择适合该地区的SCS径流曲线估算地表产流，构建喀斯特地区暴雨洪涝管理模型，获得了较好的结果，与章程等人利用SWMM模型的SCS径流曲线下渗方程对喀斯特地区径流响应过程相符合，SCS-CN模型能够从客观上反映地表覆被状况的影响程度，是一种较理想的喀斯特地区径流计算方法。

运用SWMM模型对贵安新区示范区进行暴雨径流模拟，模型在校准和率定过程中5场降雨的Nash效率系数均大于0.75，洪峰和洪量相对误差均在±20%以内，表现出较好的适用性，表明SWMM模型在地形复杂、水文水力较复杂的南方喀斯特地区也具有较好的适用性。SWMM模型在贵安新区示范区模拟结果较为理想，可为该研究区城市雨洪管理措施提供参考，并为该地区海绵城市建设提供技术支撑。

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