基于SWMM-CCHE2D耦合模型的海绵城市内涝管控效果评价

房亚军，于川淇，金 鑫

1.北京交通大学经济管理学院，北京 100044 2.北京市通州区水务局，北京 100011 3.北京市通州区供水排水水质监测站，北京 101100 4.清华四川能源互联网研究院，成都 610000

0 引言

现阶段我国城市化进程与城市防洪排涝工程建设不同步，致使城市洪涝灾害频发[1]。2012年7月，北京“7·21”特大暴雨，房山区为重灾区，70多人遇难，很多设施被冲毁，多条地铁、公交、铁路停运[2]。2014年8月，重庆云阳、奉节等区域遭受特大暴雨，出现严重城市内涝，造成直接经济损失5.8亿元[3]。2017年6月，湖南长沙地区遇特大暴雨，遭受严重城市内涝，造成巨大经济损失[4]。解决暴雨导致的城市内涝，已成为迫在眉睫的问题[5-7]。

城市内涝产生原因在于建筑密度大，地下空间和排水管网工况复杂，尤其暴雨条件下的汇流速度较快，城市凹地易造成大面积积水。建立城市的降雨产流、管网排水和内涝淹没的数学模型，需具备更加全面的实时监测数据和更加精准的地形数据，以便更加精确地模拟密集建筑物对洪水过程的影响。单一管网模型和水动力模型不能全面准确地模拟城市内涝排水过程，因此需要产流模型和水动力学模型进行耦合来模拟城市的降雨产流、管网排水和内涝淹没过程。陈浩等[8]利用SWMM(storm water management model)模拟分析了低影响开发雨水系统的设计方案效果，结果充分反映了设计过程中LID(低影响开发)设施的设计对年径流总量控制率、污染物去除率等的影响。徐乐等[9]利用CCHE2D(center for computational hydroscience and engineering 2-dimensional)模型模拟了城市引水渠内的水流特性，模拟结果与实际测量相吻合。SWMM和CCHE2D软件在城市管网模拟以及地表二维水动力模拟方面都具有各自的特点，但目前多为单向耦合[10]，而较少见将二者耦合来进行海绵城市洪涝管控的模拟。其中，一二维水动力学模型耦合常见于河道防洪研究，例如，刘永志等[11-12]耦合一二维水动力学模型研究了珠江三角洲樵桑联围的防洪问题。

本文以北京市通州区海绵城市建设试点区为研究区域，通过SWMM-CCHE2D耦合模型模拟暴雨条件下通州区海绵城市建设试点区的产汇流特征和径流削减变化等，以期为解决城市内涝和应急管理提供技术支撑。

1 模型简介

1.1 SWMM模型

SWMM[13]是面向城市区域雨水径流水量和水质分析的综合性模拟软件，广泛应用在城市排水管网模拟方面。SWMM模型构成包括降雨模型、地面径流模型和管网汇流模型，在模拟管网汇流过程中，基于圣维南方程，采用运动波法、扩散波法和动力波法模拟管道水流运动[13]。

一维圣维南运动方程公式为

(1)

式中：Q为流量，m3/s；t为时间，s；s为沿管道流程的距离，m；A为过水断面的面积，m2；g为当地的重力加速度，m/s2；h为管道水头，m;K为流量模数。

SWMM可用来设计控制洪灾的各种排水设施、制定最小的合流制溢流策略、评估入流和入渗对生活污水管溢流的影响，用于非点源污染研究及评估减少雨季污染负荷的最佳管理措施。 SWMM为非商业性软件，使用成本低，同时源代码开源，为软件集成到系统平台提供了便利，并且SWMM模型模拟计算速度相比于同类软件较快。

结合城市复杂的下垫面和排水管网，采用SWMM建模，用于针对城市排水系统的分析、设计和优化管理，如蓄水能力优化、雨水处理分析、洪泛区管理、防洪减灾措施(如LID)等分析[14]。由于SWMM没有二维水动力模块，故本研究采用美国国家计算水科学工程中心(national center for computational hydroscience and engineering，NCCHE)开发的CCHE2D模型作为研究工具，主要用于雨水管网溢流造成的内涝模拟。

1.2 CCHE2D模型

CCHE2D模型由二维网格生成器和数学模拟图形界面构成，其采用隐式解法，模拟结果更加准确快速，模拟速度明显优于MIKE(MIKE powered by DHI)模型，适用于分析解决和地表水相关的水流运动、洪灾风险管理和风暴潮与海浪的灾害影响等，是模拟水力复杂物理过程的有效工具[9,15-16]。针对城市内特殊的水力条件，CCHE2D模型可更精准快速地模拟受高密度建筑物影响的洪水过程。CCHE2D水流模拟采用交错网格法求解连续方程水位，水深积分的二维控制方程在笛卡尔坐标下可表示为

(2)

式中：Z为水面高程，m；ζ为床底高程，m；h1为当地水深，m；u为垂线平均流速在x方向上的分量，m/s；v为垂线流速在y方向上的分量，m/s。

CCHE2D主要应用于河流、湖泊、水库和地表的二维水动力模拟、二维水质模拟、海岸和风暴潮模拟等，在本研究中主要用作模拟溢流点地面淹没水深及淹没范围。

1.3 模型耦合

SWMM模型和CCHE2D模型耦合可以将城市地表水动力和排水相结合，实现城市排水系统的模拟。城市管网模型与地表二维水动力模型将检查井、雨水篦子和城市海绵设施作为耦合连接点。SWMM模型模拟地表产汇流，地表产汇流通过检查井、雨水篦子和海绵设施排水口汇入管网；管网模型通过对管网水位、流量等模拟，将检查井和雨水篦子作为溢流出口，模拟得到溢流点。检查井和雨水篦子等溢流点的溢流又可以作为地表二维水动力模型CCHE2D的进水点源，基于溢流点地形模拟得出溢流区域的溢流范围和水深，对城市内涝提供预报预警和应急管理参考数据支持。SWMM-CCHE2D模型耦合物理过程如图1所示。

2 研究区与数据

2.1 研究区项目背景

2016年北京市通州区代表北京市成功入选国家第二批海绵城市建设试点，通州区海绵城市建设试点区的建成区面积7.41 km2，包含水域面积3.33 km2和建设用地面积约4.08 km2，其中建设用地包括居住用地、公共设施用地、商业服务业设施用地、绿地和广场用地等。原下垫面主要包括农田、村庄建设用地、城镇建设用地和道路用地等，其中村庄和城镇等建设用地大部分己经完成拆迁，仅保留东北部的中学和两块居住用地。项目区地处北京市区东南(图2)，区域内平均海拔35 m，地势平坦，平均坡度约1.38%。

图1 SWMM-CCHE2D模型耦合物理过程示意图

图2 研究区位置图

2.2 数据

2.2.1 地形与管网数据

地形与管网数据包括高精度DEM(digital elevation model)数据(1∶2 000)、土地利用类型数据、规划建设数据和排水管网数据。

2.2.2 监测数据

降雨径流监测数据包括降雨数据和流量数据。所有监测站点、用于率定的站点及管网分布见图3。

监测站点S3位于通胡大街排入北运河处，S6位于潞通大街排入北运河处。

图3 通州海绵项目区监测点位分布

Fig.3 Monitoring station locations at Tongzhou sponge project site

3 模型构建

3.1 SWMM模型管网构建

将现有管网数据导入SWMM模型中，输入管节点底部标高、埋深，管渠断面形状、最大深度，排水口形状、尺寸、底部标高，糙率等关键信息，计算管道入孔的井底标高和与其相连的管道管底标高的差值，设置进出水偏移量，对排水系统数据的连接性、高程关系等拓扑关系进行检查，充分模拟真实环境。模型共构建455个铰点、454段管道和11个排放口。

3.2 SWMM模型子汇水区划分

依据通州区海绵城市建设试点高精度(1∶2 000)地形数据和水系数据[17]，对集水区进行提取。先基于地形用流域软件划分子流域，再结合下垫面分布和道路、小区情况，把每块子流域又划分成若干个子汇水区。图4显示了研究区的子汇水区划分和管网布置，共划分了49个子汇水区。

3.3 SWMM-CCHE2D耦合模型构建

依据通州区海绵城市建设试点地形、土地利用类型和汇水分区等资料，经反复调试，在基本网格划分原则指导下，划分CCHE2D计算网格，采用结构化网格，共划分77 500个网格。在CCHE2D模型中设置边界条件，将SWMM模型计算得到的溢流点流量过程作为内涝模型的输入点源边界条件，以预热后的稳定初始水深为模型初始条件进行内涝模拟。

图4 通州海绵项目区SWMM模型子汇水区划分

以时间进程为基本计算过程，通过开发SWMM-CCHE2D模型耦合模块，在每一个时间步长内，把SWMM模型的输出二进制文件中节点溢流流量信息提取出来，然后将其作为输入传递给CCHE2D模型函数，作为CCHE2D模型的边界条件。参数成功传递后，在该步长内执行CCHE2D函数，进行内涝模拟后，结果存入扩展名为.his的二进制文件，该结果文件包含了耦合模型模拟后的内涝点位置、内涝范围和深度等所有的结果数据。同时，溢流点处的水深信息又通过CCHE2D函数的参数返回，作为SWMM模型中管网结点的新边界条件。此交互过程在耦合模型每一个时间步长内重复执行，直至时间进程结束。

SWMM-CCHE2D耦合模型较单独使用SWMM和CCHE2D模型模拟的时间缩短。SWMM-CCHE2D耦合模型的模拟计算时间满足公式：

tsim=Δtsc+tc；

(3)

Δtsc=tsc-ts。

(4)

式中：tsim为SWMM-CCHE2D耦合模型的计算时间，min；Δtsc为耦合模块提取转换数据时间与SWMM运行时间的差值，min；tc为CCHE2D模型的计算时间，min；tsc为SWMM-CCHE2D模型耦合模块提取转换数据信息的时间，min；ts为SWMM模型计算时间，即从SWMM模型开始计算到SWMM-CCHE2D模型耦合模块开始提取SWMM结果数据的时间，min。

本项目模拟过程中，tc=0.11 min，ts=0.07 min，数据提取从SWMM计算开始便开始进行，SWMM计算结束数据提取结束，tsc约为0.10 min。模型耦合模块在SWMM开始计算的时候就进行数据提取和转换，因此，tsc包含了SWMM的计算时间ts，计算得到Δtsc为0.03 min。由上述公式可得，tsim= 0.14 min，小于SWMM与CCHE2D单独计算时间之和，说明耦合模型具有较好的时效性。

3.4 模型率定及验证

3.4.1 模型率定

依据相关手册、成果、文献、土地利用类型分布图及雨水工程现状图，查出产汇流、管网和溢流等一系列参数的取值，通过调整适当范围内的参数值，使模型正确、合理地满足预定的校核标准，本文使用流量监测数据校核模型参数[18]。通过对较敏感参数的调整，使预测模型的模拟结果与观测值匹配。

该模拟区域共有40个监测站点，监测站点位置见图3。经过对数据质量评估，本研究采用监测数据质量较高的S3、S6两站点用于模型率定和验证，主要调整参数是各地块的不透水率，总体而言，大部分地块调低了不透水率。

选择2019-09-09降雨的实测数据来率定雨洪模型，紫荆雅园雨量站降雨过程见图5，模型率定结果见图6。采用NSE(Nash-sutcliffe efficiency)系数来评估模拟值和实测值的吻合程度。对比实测和模拟结果(图6)可以看出，模拟值和实测值的峰值、曲线形状都较吻合，实测值比模拟值稍微滞后一点；主要原因可能是部分管道是老管道，管道内和入流口的通畅程度可能比模型设置值低，即管道糙率实际值比模型值高，从而引起实测结果相对于模拟结果滞后。

3.4.2 模型验证结果

选择同一地区2019-07-28降雨数据进行验证，实测降雨过程见图7，模型验证结果见图8。模拟值和实测值的对比结果和率定结果大体相同，对S6站点，趋势和峰值都大体相同；对S3站点，模拟值和实测值的趋势大体相同，但模拟值峰值稍微大一点，原因可能还是管道的实际糙率大于模型设定的糙率。

图5 北京通州紫荆雅园雨量站2019-09-09的降雨过程

图6 通州海绵区2019-09-09降雨模型率定结果

图7 北京通州紫荆雅园雨量站2019-07-28的降雨过程

图8 通州海绵区2019-07-28模型验证结果

4 模型模拟结果分析

4.1 设计降水过程

尽管芝加哥设计雨型对内涝模拟结果有一定影响，但是该雨型仍然为最常用雨型，按照《室外排水设计规范(GB 50014—2006)》[19]的要求，本文仍采用芝加哥雨型，通过引入雨峰位置系数r来描述暴雨峰值发生的时刻，根据该规范要求，采用最新暴雨强度公式计算设计降水过程，本文取r为0.4。设计降雨过程如图9所示。

图9 设计降雨过程

4.2 模拟结果分析

依据研究区地形地貌特征，设置LID措施类型为绿地(含下凹式)、生物滞留带(雨水花园、生态树池等)、透水铺装(包括透水路面、透水停车场等)、调蓄池，空间分布情况见图10。

图10 通州海绵区已建管网和LID措施

4.2.1 径流削减率模拟

为研究暴雨条件下海绵措施对径流的消减率，在100年一遇设计暴雨下，对比典型海绵地块(图11)在加上LID前后径流系数变化，发现加入LID后径流系数有较大幅度的下降，下降幅度为17.4%～40.6%(表1)，其中，最大降幅达40.6%(S38)。从表1看出，LID措施对降雨产流有较大的削减作用。

图11 通州海绵区典型LID设施地块分布图

表1 通州海绵区加入LID措施各典型地块前后径流系数对比(100年一遇设计暴雨)

为研究透水铺装、生物滞留带、绿地等3种海绵措施对径流削减率的影响，将设置这3种海绵措施的所有地块径流削减率的提高幅度取平均值(表2)。可见生物滞留带在3种海绵措施中对径流削减率的影响最大，削减率的提高幅度达28.4%：原因是生物滞留带可迟滞水的快速流动、汇集，使之有充分时间下渗，因而对于径流削减率的提高效果也明显[20]。透水铺装和绿地对径流削减的效果差不多，在地势平坦地区，透水铺装可以让水充分下渗，所以削减率和绿地差不多。综合考虑各种因素后，通州采用了这3种海绵设施。

表2 100年一遇设计暴雨下各种海绵措施对径流削减率的提高幅度

4.2.2 内涝模拟

在1、5、20、100年一遇设计暴雨情景下，设置LID措施前后，SWMM-CCHE2D耦合模型模拟的内涝风险分布均随着设计降雨强度(下文简称“雨强”)增大而呈现递增趋势，但积水区域相对整个区域仍较小。内涝风险分布整体呈现离散状，尤其1年一遇设计暴雨，仅有2个孤立的内涝点。在已建海绵区加上LID设施，1、5、20、100年一遇设计暴雨下，内涝范围和没有LID的对比如图12所示。从图12看出，对同一重现期，加上LID措施后内涝点和积水面积都减少了。为了进一步定量分析内涝风险，对4场设计降雨的最大水深和内涝点数目进行了统计，如表3所示。

对于各种水平年，对比有无LID措施，内涝的积水深度对1年一遇暴雨差别不大，但是LID建成后内涝点数目有减少，原因可能是加上LID措施后，对早期峰值有削减作用，所以内涝点较少。5年一遇暴雨， LID建成后的积水深度和内涝点数均明显减少。对20年、100年一遇暴雨，有无LID的内涝差别很明显，但是，积水点的变化不明显，只是100年一遇暴雨才有微小差别。综上所述，从积水深度控制作用来说，100年一遇暴雨控制效果最显著。从内涝点数控制作用来说：5年一遇暴雨控制效果最显著，原因可能是通州区地形造成的，加了LID措施、削减雨峰后，5年一遇暴雨强还不是很大，有些不是很低洼的地方就不会成为内涝点，所以5年一遇暴雨对削减内涝点效果明显；而100年一遇暴雨，由于雨强很大，LID措施削减后留在地面上的雨量仍能够造成非低洼处淹没积水，所以内涝点处变化不大。但是，LID对水量的削减还是会影响积水的漫溢程度，所以，内涝有无LID还是会有差别的。

表3 设计暴雨下水深和内涝点数目

a1, a2. 1年一遇；b1, b2. 5年一遇；c1, c2. 20年一遇；d1, d2. 100年一遇。a1, b1, c1, d1为有LID，a2, b2, c2, d2为无LID。

5 结论与展望

1)SWMM-CCHE2D耦合模型在海绵城市内涝模拟过程中有良好的时效性，为城市内涝预报预警起到良好的技术支撑作用。通州海绵区SWMM-CCHE2D耦合模型的模拟结果可以较好地反映模拟区域降雨内涝情况，模拟计算时间远小于独立运行SWMM和CCHE2D模型计算时间之和。

2)SWMM-CCHE2D耦合模型具有良好的准确性，可为城市内涝应急管理提供可靠的数据支持。通过对不同海绵措施和重现期下设计降雨的内涝模拟，通州海绵城市在暴雨强度1年一遇时，积水深度范围差别不大，深度范围为0.02～0.29 m，暴雨强度为100年一遇时积水深度最深为1.63 m。

3)SWMM-CCHE2D耦合模型对海绵设施的合理规划和海绵城市建设方案比较选择起到技术支撑的作用。通过对不同海绵措施和重现期下的设计降雨的产流模拟结果表明，海绵措施的加入对径流削减率会有9.0%～40.6%不同程度的提高，其中生物滞留带的改善效果最明显，高达28.4%。

4)SWMM-CCHE2D耦合模型在城市内涝风险管控、风险区识别、洪涝保障机制等方面具有较大的应用价值。耦合模型模拟将成为城市内涝风险管理的重要非工程工具之一，在新城区规划编制、老城区设计改造及城市汛期应急管理等方面发挥重要指导作用。