不同重现期下的银川市金凤区暴雨径流模拟研究

侯景伟，孙诗琴

(1.宁夏大学地理科学与规划学院，宁夏 银川 750021；2.中煤(西安)地下空间科技发展有限公司，陕西 西安 710199)

随着城市化进程加快，城市不透水面积大量增加，土地利用性质发生了显著变化，城市铺设的部分管网已无法承受强降雨和不透水面积增加带来的负荷，致使城市地表径流量增加、洪涝灾害频发[1]。此外，城市内涝发生时，含有固体悬浮物、植物营养物和有毒化学物质等污染物的地表径流流入城市水体，给居民生活和安全带来巨大威胁[2]。因此，如何解决城市内涝和水质污染问题是一直是决策者和相关研究人员关注的热点[3]。

城市内涝和水质污染问题可以借助地理信息系统(geographic information system，GIS)和暴雨洪水管理模型(storm water management model，SWMM)进行可视化地模拟。GIS与流域水文模型有很强的互补性[4]，可以分别从时间特征、空间特征分析城市内涝情况，为城市内涝预警和防灾减灾[5]提供了可视化的建模工具。Smith等[6]研究发现GIS的克里金插值技术可以准确预测站点未来的降雨量，借助SWMM能辨析空间分布对降雨的影响。Seenu等[7]以印度南部海德拉巴市为研究区，利用GIS技术将SWMM模拟结果可视化，得到洪水时空变化结果及洪水易发区，有助于洪水易发区的管理和治理。Munir等[8]构建GIS、遥感和SWMM的集成系统，预测山洪灾害风险，将山洪灾害产生的破坏性能量转换为缺水地区所需能量，并对改善堤坝构造提供可行性意见。赵冬泉等[9]基于GIS和SWMM快速构建城市排水管网模型，准确提取属性数据并划分子汇水区，为其他分布式水文模型构建提供借鉴。王慧亮等[10]利用GIS与SWMM耦合构建城市暴雨淹没分析模型，通过分析郑州市不同重现期下的节点积水深度分布特点，发现郑州市排水管网设计标准偏低，积水水深和范围随着降雨强度增大而增大，排涝能力有待提高，为郑州市排水管网建设及雨洪管理提供了指导性建议。李智等[11]运用ArcGIS和SWMM分析了山地临海城市的受灾区域内涝成因，并提出在关键位置布设泵站可有效缓解排水压力，为解决城市内涝提供可行性方案。周倩倩等[12]利用SWMM和GIS构建双层耦合排水系统，实现城市内涝过程的动态化演示，并验证了系统精度，为城市内涝预警提供科学决策。由此可见，GIS技术在城市暴雨径流模拟中能够进行数据处理和模拟结果的可视化工作，与SWMM集成构成的城市内涝风险预测耦合系统可以达到防洪减灾和灾害预警的目标[13]。

本文以银川市金凤区中部为研究对象，利用GIS和SWMM模型模拟和评估不同重现期下的汇水区径流、节点溢流、管网最大满流深度、管网超载、最大积水深度和积水时间以及内涝风险，旨在为城市内涝风险评估和防治、管网规划和维护、海绵城市建设提供参考依据。

1 研究区概况和数据收集

本文选择宁夏银川市金凤区中部为研究区(图1a)。该区地处东经106°12′38″ ～ 106°14′48″、北纬38°28′49″ ～ 38°29′55″，位于亲水大街以东，贺兰山中路以南，正源北街以西，北京中路以北，占地面积约547.74 hm2。气候属于温带大陆性气候，年均蒸发量约1 170 mm，年均降雨量仅186.7 mm。土地利用类型包括居民区、工业用地、农场、道路、绿地、水体、未利用地、停车场、广场等(图1b)。地形相对平坦，地势东南高、西北低，海拔高度介于1 092～ 1 114 m。研究表明，研究区近年来降雨量逐年增加，降雨分布不均，自然灾害频发[14-15]。

a)DEM

研究区基础数据主要包括不同重现期下设计降雨数据、比例尺为1∶10 000和分辨率为5 m的数字高程模型(DEM)、土地利用矢量数据、排水管网矢量数据(表1)。排水管网矢量数据主要包含管线、节点和出水口，其中管线属性信息包含名称、长度、起始节点名称、终止节点名称；节点属性信息包含名称、坐标和高程；出水口属性信息包含名称、坐标和高程。所有数据统一采用WGS_1984_Transverse_Mercator投影坐标系。

表1 研究区基础数据概况

2 模型构建

SWMM是由美国环境保护署提出的一种动态的降雨-径流模拟模型[16]，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、水质影响评价[17-20]。

2.1 汇水区概化

由于研究区范围较小、管网走向简单且流向明确，因此根据管网走向、建筑物分布在ArcGIS中进行子汇水区概化(图2a)[21]。图2a中的部分雨水管线位于研究区的外侧，为了保证利用SWMM模拟管网时的水量平衡，把区域外管线所在道路区域纳入研究区，考虑将贺兰山中路、北京中路和正源北街的雨水径流汇入管网；剔除出水口附近区域汇入管线的径流。然后对构建的管网进行管网平差，确保使区域管网水量平衡。图2b展示了研究区管网分布情况，共有管线51条，节点32个，出水口1个。在ArcGIS 10.2中计算汇水区的不透水面积百分比、特征宽度、坡度和拐点坐标，然后导出为TXT文档形式输入SWMM。

a)子汇水区概化

2.2 芝加哥雨型设计暴雨

由于芝加哥雨型[22]对短历时降雨有较高的模拟精度，既可以融合当地的降雨特性，又可以简化研究过程[23]，因此，本研究采用芝加哥雨型[24-25]模拟银川市新城区海绵城市示范区的暴雨强度。银川市暴雨强度公式为：

(1)

式中q——历时t时间内的暴雨强度，mm/min；P——降雨重现期，a；t——降雨历时，min。

研究区不同重现期下的降雨过程见图3。

图3 不同重现期下的降雨强度

2.3 模型参数率定

本文参考刘兴坡等[26]提出的基于径流系数的城市降雨模型参数校准方法，通过对比城市综合径流系数经验值和SWMM模型模拟得到的模拟径流系数，对SWMM模型中的经验参数进行率定。 SWMM模型模拟所得径流系数值由各子汇水区径流系数加权平均得到。城市管网设计中的综合径流系数参考GB 50014—2006《室外排水设计规范》(表2)。

表2 城市综合径流系数经验值

经验参数校准过程如下。

a)根据GB 50014—2006《室外排水设计规范》，本研究的降雨重现期设置为3、5、10 a。基于芝加哥雨型分别模拟重现期P=1、2、 3 a的降雨过程，将所得模拟结果输入SWMM模型。

b)利用SWMM模型模拟重现期P=2 a时的各子汇水区的径流系数，进行加权平均得到模拟径流系数值，与综合径流系数值比较，将子汇水区的经验参数视为待校准参数，对待校准参数进行逐步迭代，获得满足要求的经验参数校准集。由于综合径流系数为区间值，所以满足要求的参数校准集并不是唯一解，而是包含多组解的集合，称为“满意解”。

c)利用SWMM模型模拟重现期P=1、3 a的降雨过程，设置降雨时间间隔为5 min，降雨历时2 h，峰值比例为0.475，对参数校准集进行率定[20]，得到重现期P=1 a条件下的模拟径流系数为0.642，重现期P=3 a条件下的模拟径流系数为0.707。以上结果说明，经过率定后的参数在重现期为P=1、3 a条件下有较好的稳健性，证明该参数校准集具有合理性。

基于综合径流系数法对SWMM模型参数经过10次迭代，发现从第5次开始到第10次的模型参数值没有变化，因此第5次迭代便得到模型参数的最优值。表3列出了前5次迭代的SWMM模型参数率定过程。最优的参数组合如下：不渗透曼宁系数为0.012，渗透曼宁系数为0.1，不渗透面积洼地蓄水量为0.5 mm，渗透面积洼地蓄水量为2.0 mm，最大入渗率为10.00%，最小入渗率为0.80%，衰减常数为4。

表3 基于综合径流系数法的SWMM模型参数率定过程

3 结果及分析

3.1 不同重现期下的子汇水区径流模拟

运行SWMM模型，分别得到重现期P=3、 5、10 a下的产汇流结果(表4)。随着重现期的增加，总降雨量、地表蓄水量、地表径流量、径流系数均随之增加，入渗量随重现期增加逐渐增加，但是增量很小，说明降雨量只是影响下渗量的因素之一，在不同降雨重现期下，经过一段降雨历时后，土壤含水量达到饱和，土壤的入渗量趋于零。地表径流量的增幅最大，地表蓄水量增幅次之，径流系数随地表径流量的增加而缓慢增加。径流系数相对较高，说明该区域城市化程度较高，绿化面积不大，低影响开发设施相对较少，从而增加了径流系数，不利于缓解城市热岛效应。地表径流增幅最大的原因是城市绿化面积减少，道路和建筑物面积增加，地表水下渗减少，地表径流比重增加；另外，随着降雨量增加，地面超渗导致地表径流增大。

表4 研究区不同重现期下的产汇流结果

3.2 节点溢流评估

利用SWMM模型模拟重现期P=3、5、10 a下的节点积水状况。从模拟生成的报告中可得到不同重现期下易发生溢流的节点、节点最大溢流速率、溢流时间、总溢流量和积水深度。本文选择节点最大溢流速率、溢流时间、总溢流量进行节点溢流评估。

将不同重现期下的积水节点溢流速率、积水节点溢流时间和积水节点溢流量在ArcGIS 10.2中进行可视化显示。图4a—4c分别显示了P=3、5、10 a下积水节点溢流速率的空间分布，图4d—4f分别显示了P=3、5、10 a下积水节点溢流时间的空间分布，图4g—4i分别显示了P=3、5、10 a下积水节点溢流量的空间分布。

a)溢流速率(P=3 a)

节点J8、J14、J32、J33的最大溢流速率随重现期增加而增加。节点J31的最大溢流速率随着重现期增加先增加后逐渐减小，J29和J30的最大溢流速率随重现期增加先减小后缓慢增加。节点J8、J30、J31、J32的溢流时间随重现期增加而增加。节点J14的溢流时间随重现期增加先增加后基本保持不变。节点J29的溢流时间随重现期增加先减小后增加。节点J8、J29和J30的溢流量随重现期增加而增加。J14、J32和J33的溢流量随重现期增加先增加后减少。节点J31的溢流量随重现期增加而逐渐减少。

g)总溢流量(P=3 a)

5年一遇暴雨重现期下，J33的溢流速率、溢流时间和溢流量都最大，分别为2.6 m3/s、2.1 h和30 000 m3。J31、J32的溢流速率、溢流时间和溢流量较大。这3个节点上下游节点均存在溢流情况，不能快速排出大量雨水导致节点溢流情况较为严重。J8和J29这两处的汇流面积较小，并且所处地势较平坦，二者的最大溢流速率均小于1 m3/s，证明这2处节点具有较好的排水能力。节点J14为汇流点，溢流量为9 953 m3，汇流面积较大，不能满足排水需求。

与图1b比较，图4中节点最大溢流速率、溢流时间、总溢流量主要分布在人口密集、建筑物稠密、不透水面积百分比最大的区域。该区域的大多数建筑物和不透水面是在排水管网铺设之后建设的。设计的管网排水能力不能满足后期用户用水和排水要求的变化，致使该区域的节点出现溢流，地表出现积水现象。可以通过改造管网和调节水泵运行状态等措施解决该区域的节点溢流和水量不平衡问题。

3.3 管网排水能力评估

3.3.1管网最大满流深度评估

利用SWMM模型模拟得到重现期P=3、5、10 a条件下的汇水区管网最大满流深度，结果见表5。

表5 不同重现期下研究区管网最大满流深度

由表5得出，随着设计降雨强度增大，管网的最大满流深度均随之增大，说明管网的最大满流深度与降雨强度呈正相关关系。其中，管段G4、G5、G6的最大满流深度随重现期的增加而保持不变，满流深度为0 m，说明G4、G5、G6的满流深度在降雨过程中不受降雨强度影响；管段G3、G8、G106的最大满流深度随重现期的增加而变化不大，并且满流深度均在0.1 m以下，这是因为管段G3—G6、G8、G106位于研究区排水系统的最上游，处于研究区外侧，参与整个排水系统的运行较少，基本没有出现管网超载现象。

管段G16、G25—G28的最大满流深度随重现期的增加而保持不变，满流深度为1.00 m，同时也是所有管网中满流深度最大值，因为G25—G28均处于研究区排水系统的最下游，排水负荷最高，导致以上管段超载现象较其他管段严重。

管段G19、G70、G72、G76—G78在3种重现期下的最大满流深度均大于0.5 m，其中管段G70和G72经过的子汇水区面积较大；G76—G78布设附近的子汇水区较密集。

3.3.2管网超载情况评估

管网满流深度和管网超载状况影响管网的排水能力。利用SWMM模型对重现期P= 3、5、10 a下的管网超载状况进行模拟，将管网两端满流时长作为管网超载情况的评估指标，见图5。

图5 不同重现期下的管网满流时长

由图5得到，发生满流现象的管网满流时长随降雨强度增大而逐渐增大，说明管网的满流时长与降雨强度呈正相关关系。其中，管段G16在3种重现期下的满流时长较其他管段小，达到6～9 h，这是因为G16处于研究区排水系统上游，降雨初期雨量较小，所以满流时长较小；管段G25— G28在3种重现期下的满流时长较长，达到10～11 h，这是因为G25—G28均处于整个排水系统最末端，流经上游管网的径流均在末端汇集，排水更耗时；管段G75在重现期P=3、5 a条件下未发生管网满流现象，但在降雨强度达到某一阈值时，会发生满流现象，满流时长仅0.01 h；管段G78在降雨强度较小时，未发生满流现象，但在重现期P=5、10 a条件下出现满流现象，满流时长仅0.01 h。

3.4 内涝风险评估

内涝风险评估可为城市应急预案制定、管网设计改造、灾后损失评估提供依据。由于缺乏研究区内长时间序列的历时降雨资料和排水信息，因此基于现有研究区基础资料，将SWMM模型模拟得到的研究区内的积水时长、积水深度、洪峰流量等信息导入ArcGIS 10.2，进行不同重现期下的积水时长、积水深度的空间分布可视化。本研究采用的内涝风险评估体系指标包括城市积水深度、积水时间和用地等级。结合城市用地重要性和敏感性，对3个指标在ArcGIS 10.2中进行叠加，并划分研究区内涝等级。

3.4.1最大积水深度空间分布

SWMM模型模拟得到的所有节点的最大积水深度导入ArcGIS 10.2，利用ArcGIS 10.2的反距离权重插值法对节点在不同重现期下的最大积水深度进行计算。插值结果见图6a—6c，研究区最大积水深度随重现期增大而增大，积水较深的区域面积逐渐增大；积水深度在180～200 cm的区域主要集中在南部和北部，东北部和西北部的积水深度为0～ 60 cm。根据内涝位置、积水深度可以分析这些区域可能暴露于洪水灾害影响下的财产、人口等经济活动和资源环境，实施相应的排涝措施，避免造成危险和财产损失。

a)积水深度(P=3 a)

d)积水时间(P=3 a)

g)内涝风险区划(P=3 a)

3.4.2积水时间空间分布

在SWMM模型输出的报告中提取所有节点的积水时间，并导入ArcGIS 10.2，利用ArcGIS 10.2的反距离权重插值法对节点在不同重现期下的积水时间进行计算。插值结果见图6d—6f。降雨强度较小时，北部积水时间在1 h以内，中部地区积水时间集中为1～ 2 h，东部地区的积水时间大于1.5 h。随着降雨强度增大，积水时间随之增大，东北部的积水时间大于2 h，中部积水时间为1～ 2 h。研究区超过50%的地区积水时间为1～ 1.5 h。积水时间较长的区域主要分布在学校和商业集聚区、人口密集区和主干道路上。

3.4.3内涝风险区划

目前，国内没有明确的城市内涝风险等级划分标准和相关规范，本研究参考了新西兰和英国的内涝标准，结合文献[27]的划分方法，并根据银川市现有降雨资料和排水资料，将研究区按照表6进行内涝风险区域划分。

表6 研究区内涝风险划分标准

将SWMM模型模拟的积水深度、积水时间和用地等级数据导入ArcGIS 10.2中进行重分类，积水深度小于0.2 m，赋值为1；积水深度在0.2～ 0.4 m之间，赋值为2；积水深度大于0.4 m，赋值为3。积水时间小于1 h，赋值为1；积水时间为1～2 h，赋值为2；积水时间大于2 h，赋值为3。用地等级为Ⅰ，赋值为1；用地等级为Ⅱ，赋值为2；用地等级为Ⅲ，赋值为3。并结合表6，利用ArcGIS 10.2的栅格计算器中的“栅格计算函数”进行逻辑计算，得到不同重现期下的内涝风险区划图(图6g—6i)。

3.4.4内涝风险分析

解析图6并结合图1b区域用地类型和道路分布情况可知，研究区在重现期P=3 a时，已存在内涝高风险区域，面积占比较小；随着降雨强度增加，高风险区域面积逐渐增大。研究区在5 a设计暴雨重现期时，中部地区用地类型主要有行政办公用地、居住用地和绿地，用地重要等级为一类和二类等级的区域范围较大，并且中部地区在重现期P=5 a时的积水时间接近2 h，易形成内涝隐患。其中，凤凰公园和德馨公园是内涝高风险区域；银川市人民检察院和宁夏粮食大厦处于内涝中风险区域；碧水蓝天和逸馨苑等居民区也处于内涝中风险区域。

北部地区的主要用地类型有绿地、文化娱乐用地和居住地，用地等级为二类等级和三类等级的区域范围较大，但积水时间小于1 h，所以高风险内涝区域范围较小。其中，上海西路街道办事处处于内涝低风险区域；自治区党委位于内涝中风险区域；枕水花园、银新苑4区和悦海新天地购物广场位于内涝中风险区域；自治区人大处于内涝中风险区域和内涝高风险区域交界处，易发生内涝隐患较大。

南部地区的用地等级为一类等级的区域范围较大，但积水时间接近1 h，高风险区域范围较小。其中，自治区交通运输厅、银川万达中心、宁夏图书馆、宁夏博物馆、宁夏大剧院、招商银行和唐徕中学西校区等一类用地均位于内涝低风险区域；公安小区和金海明月位于内涝中风险区域；人民广场位于内涝高风险区域。

城市内涝风险评估是一个受多变量因素制约的复杂过程，主要制约因素有现状排水管网设计标准较低、暴雨频率增加、土地利用方式改变和城市化进程加快。随着城市化进程的加快，改变了土地的用地布局，使停车场、沥青道路、广场等不透水面以及民用和商用建筑物占用了大面积的林地、草坪、湖泊等，减少了雨水的入渗量和原始地表对雨水的调蓄能力，地表径流增大，低洼地区容易积水，内涝风险增大。内涝高风险区域的人类活动与地表环境交互作用较为强烈，道路、居民区等建设用地成灾风险相对较高。内涝低风险区域的人类活动强度较弱，土地利用类型主要以草地、林地、湖泊为主，地表径流强度较弱。

排水管网节点溢流和超载、积水深度和时间是暴雨内涝灾害的关键控制性指标，应根据溢流水量和内涝点位置采取不同的排涝措施，提高排涝效率，缩短易涝区域淹没历时，优化排涝设施布局，降低涝灾损失。另外，深入开展海绵城市低影响开发设施建设，合理布局植被浅沟、雨水花园、生物滞留设施、透水铺装、屋顶绿化等措施，衔接水系、绿地、景观、道路、竖向等专项规划，蓄、滞、排、渗、净、用结合，通过雨污分流和源头到末端的全过程雨水管理，实现雨水资源综合利用，从根本上降低城市内涝风险。

4 结论

利用GIS和SWMM模拟了不同重现期的城市暴雨径流过程，评估了排水管网的排涝能力和城市内涝风险。结果表明，重现期3、5、10 a时的地表径流分别为12.451、17.234、20.769 mm，5年一遇暴雨重现期下，节点J33的溢流速率、溢流时间和溢流量都最大，分别为2.6 m3/s、2.1 h和30 000 m3。管网满流深度最大值出现在管段G16、G25—G28，为1.00 m，满流时长最长的管段发生在G25—G28，达到10～11 h。研究区南部和北部的积水深度达到180～200 cm，超过50%的地区的积水时间为1～1.5 h。内涝高风险区域主要集中在凤凰公园、德馨公园和人民广场。该研究对城市雨水管理、水资源综合利用、城市内涝风险评估、排水管网维护和海绵城市建设具有一定的理论参考价值。