基于SWMM-CA耦合模型的镇江市内涝数值模拟

2022-08-29和鹏飞李琼芳

水利规划与设计 2022年9期

张建，和鹏飞，李琼芳，杜尧

(1.江苏省镇江市京口区水利局，江苏镇江 212000；2.河南省郑州市黄河水利科学研究院，河南郑州 450003；3.河海大学水文水资源学院，江苏南京 210024；4.江苏省南京市长江保护与绿色发展研究院，江苏南京 210024)

快速的城市化导致城市流域不透水面积急剧增加，进而影响了径流总量、洪峰流量和峰现时间[1- 2]，改变了流域的水文特性，加剧了城市洪涝风险[3- 4]。频发的城市内涝问题严重威胁了人民生命财产安全和经济社会的可持续发展，是我国城市发展面临的巨大挑战。数值模拟是研究城市内涝形成机理和演进规律的重要方法之一，可为内涝预警预报、排水规划与设计等提供科学参考[5]。在众多城市内涝模拟软件中，SWMM模型因其免费开源，出色的水文、水力计算性能应用最为广泛[6- 7]。然而，SWMM模型只具备一维水文水力计算但缺乏二维水动力计算能力[8]，无法给出淹没范围、淹没水深等重要信息。元胞自动机可将城市地表划分为规整的网格，基于简化的圣维南方程组计算地表积水的演变过程，但其不考虑地下管网汇流能力，不能反映管网汇流及溢流过程[9]。因此，本文以镇江市焦东片区为研究区，尝试将SWMM模型与元胞自动机进行耦合得到SWMM-CA模型，并利用实测降雨、流量、内涝等资料验证模型在研究区的适用性和可靠性，以期为城市内涝模拟与防控提供一种新的工具。

1 数据来源与研究方法

1.1 研究区概况

焦东片区位于国家海绵城市建设试点城市——镇江市主城区东北部，面积为6.51km2。片区内水系较为发达，主要河道分为两“横”四“纵”，两“横”由南至北分别为一夜河和二夜河，四“纵”分别为友谊港、胜利港、大寨港河前进港，如图1所示。片区部分管网设计标准偏低，排水能力小于1年一遇的管道占比48.07%[10]。焦东片区多年平均降雨量1063.1mm，雨季主要集中在7、8、9三个月，频发的暴雨导致主城区内涝积水严重，给居民生产生活带来很大不便。主城区易涝点如图2所示。

图1 焦东流域水系及径流方向图

图2 主城区易涝点分布图

1.2 数据概况

本文构建模型所采用的基础数据包括DEM数据(5m×5m)、土地利用数据，管网、河道数据以及实测降雨径流数据等，数据资料主要来源于镇江市住建局和镇江市京口区水利局，资料较为齐全。土地利用数据从高分辨率遥感影像数据中提取得到，其中绿地占比高达42.3%，其次是非车行硬地占比28.7%，道路、屋面和水面分别占比13.4%、9.6%、6.0%。降雨径流数据为监测点(图1红色三角)2019—2020年每5min的实测资料。

1.3 模型原理

1.3.1SWMM模型

SWMM模型是20个世纪70年代由美国环保署(Environmental Protection Agency，EPA)为了解决城市区域降雨-径流过程中水量及水质问题开发的模型[11]。SWMM模型主要是利用其计算模块(包括径流模块、输送模块、扩展输送模块、储存/处理模块和受纳水体模块)模拟降雨-径流过程中水文、水力的演变过程及污染物质迁移过程。在模型中，降雨在各子汇水区中形成地表径流，地表径流量和污染物质负荷量由地表径流模块进行计算，地表径流由各子汇水区出口流入地下排水管网或河道、水渠，最后到达流域出口，排水管网或河道、水渠的水流状态、污染物在迁移过程中的转化均由管网水力模块进行计算。SWMM模型的具体原理及计算步骤可参考文献[8]。

1.3.2元胞自动机

元胞自动机由科学家Von Neumann于20世纪50年代提出。元胞自动机在应用于城市内涝模拟时，可将城市地表划分为有限个紧密相连的网格空间，水量在相邻网格之间的流动过程，可以根据设定的局部演化规则进行模拟[12]。本文采用正方形网格，网格大小与DEM网格保持一致(5m×5m)，邻居类型选为摩尔型，即每个网格可向临近8个网格交换水量。局部演化规则选择曼宁控制方程：

(1)

(2)

由此可见，式(1)和(2)本质上是水力演算控制方程中的动量方程和连续性方程。

由式(3)可计算出元胞的水深：

(3)

式中，hi—元胞水深，m；Ai—元胞的面积，m2；其他符号意义与上相同。

1.3.3模型耦合方法

本文采用垂向耦合和侧向耦合相结合的方式将SWMM模型和元胞自动机进行一二维耦合。垂向耦合反映了一维地下排水管网与二维地表网格通过排水管网节点(监测井、雨水口等)的水量交换过程，包括节点溢流：

(4)

式中，Qn—节点溢流时水流从一维溢流到二维地表网格的交换流量，m3/s；c0—孔口出流系数，取值范围为[0，1]；Amh—检查井截面面积，m2；g—重力常数，m3/s；H1D、H2D—节点和地表网格单元在当前时间步长的水位，m。

还包括节点回流：

(5)

式中，cw—堰流系数，取值范围为[0，1]；w—检查井的周长，m；h2D—地表网格单元水深，m；Z2D—地表网格单元高程，m；其他参数意义同式(4)相同。

侧向耦合是指在地表一、二维水动力模拟中一维计算模块在河道两岸上与二维计算模块发生动态水流交换的过程，主要是用来模拟河道水位高于堤防高程后，洪水向城市区域蔓延及回流的过程。交换流量的计算采用堰流法，其公式如下：

(6)

其中：

hmax=max(Hr，Hc)-Ze

hmin=min(Hr，Hc)-Ze

(7)

式中，Hr、Hc—河道和二维地表网格单元的水位，m；Ze—堤顶高程，m；be—堰宽，即地表二维单元网格与河道相连的边长，m。

模型耦合计算流程如图3所示。

图3 城市内涝一、二维耦合模型计算流程图

1.4 模型构建

焦东片区已有排水系统为雨污分流制。研究区雨水经雨水系统收集后直排就近水系，污水进入污水处理厂。目前已有管道共1832根，其中雨水管道915根。基于SWMM-CA模型的建模要求以及研究区的实际情况，结合镇江市住建局提供的焦东流域现状雨水管网以及河道的数据资料，将研究区域排水系统进行概化，将多段长度较短的管道串联合并为较长的管道，忽略直径较小的支线管道管以及与其连接的雨水口，保留直径较大的管道。同时，由于研究区城市内河道经过人工整改，因此将其概化为规则的明渠。基于研究区的DEM数据(分辨率为5m)，利用GIS技术结合研究区中的地形、河道和道路划出较大的自然子流域，然后以检查井为节点采用泰森多边形进一步细分，最后再进行人工局部调整。最终建立的镇江市焦东流城市雨洪模型(一维SWMM模块)概化示意图如图4所示，模型共包括295个子汇水区、管网、河道节点291个(其中出水口2个)、管网、河道291段。

图4 焦东流域概化示意图

1.5 精度评价

本文选取纳什效率系数和流量峰值误差两个指标评价模拟效果，纳什效率系数和流量峰值误差的计算公式如下：

(8)

(9)

式中，Qt，obs、Qt，sim—t时刻的实测流量和模拟流量，m3/s；Qobs—平均实测流量，m3/s；Qp，obs、Qp，sim—实测流量峰值和模拟流量峰值，m3/s；N—实测流量数目。

2 结果与分析

2019年7月6日、2019年8月10日2场实测暴雨进行率定，2020年7月17日、2020年8月26日2场实测暴雨进行验证，并将模拟结果与禹山路上海绵城市监测点的管网径流实测数据进行对比，以验证模型的合理性。本论文所构建的SWMM-CA模型模拟的4场暴雨径流过程线如图5—8所示，模型率定期和验证期的指标评价结果见表1。

图5 20190706#场次降雨径流模拟过程线

由表1可知，整体而言，SWMM-CA模型在研究区内场暴雨条件下模拟效果均较好。其中，模型率定期的2个场次暴雨洪水过程中，纳什效率系数分别为0.72、0.88，洪峰值误差均小于20%，峰现时差分别为5、10min值。而模型验证期2个场次暴雨径流过程纳什效率系数为分别0.87、0.79，洪峰值误差为也都小于20%，峰现时差均为0。在模型率定和验证期洪峰模拟值均比实测值高，这可能是由于管网在实际运营过程中存在堵塞问题，对监测点洪峰值的测量产生影响，导致模拟结果存在一定的系统偏差。

从模型结果中提取20190706#、20200826#2场实测暴雨条件下城市地表最大积水深度数据，得到地表最大积水深度分布范围，如图9所示。模拟得到的研究区积水深度大多小于0.15m，在模拟期间不会造成严重的内涝灾害。积水深度较深的区域分布在禹山路和谷阳北路交汇处(卢家圩)附近，以及清平路与清河路交汇处附近。其中，卢家圩附近积水区在两场次暴雨模拟过程中的最大积水深度均超过了0.8m，是研究流域内内涝风险最大的地点，这与镇江市给排水管理部门对易涝点的统计数据相吻合(图2)。