基于SWMM模型的沧州市区不同重现期暴雨内涝模拟研究

刘伟才

（河北省沧州水文勘测研究中心,河北 沧州 061000）

伴随国家城市化进程的不断加快,城市区域面积、人口等不断增加,突显出很多和城市发展不相适应的矛盾,城区内涝便是较为严峻的问题之一,给出行带来许多不变,造成一定的经济损失。近些年我国多数城市暴雨不断、内涝灾害频繁出现,导致人员死伤与财产巨大损失。河南郑州出现罕见持续强降水天气过程,7.20 特大暴雨导致郑州市遇难292人,失踪47 人,给河南造成了严重损失,农作物受灾面积1048.5 千公顷,成灾面积527.3 千公顷,绝收面积198.2 千公顷；倒塌房屋1.80 万户5.76 万间,严重损坏房屋4.64 万户16.44 万间,一般损坏房屋13.54 万户61.88 万间。城市抗洪防涝、规划建造等任务工作愈来愈受到国家社会各个方面的关注。本文基于SWMM模型对沧州市区不同暴雨频率下内涝情况进行分析,对内涝积水状况进行空间展示。

1 研究区概况

沧州市区（研究区域）面积为64.56 km2,以清池道路为分界线,把主城区划分成运河区与新华区。城区主干路四纵四横,南北方向大道从西往东顺序分别是迎宾大道、浮阳大道、交通大道、千童大道,东西方向路段从北往南顺序分别是渤海路、永济路、黄河路、海河路。主要建筑有华北商厦、吾悦广场、意明购物中心、清真南、北大寺、中心医院、人民医院、实验小学、第八中学、鼓楼上城、丽水华庭、阳光国际等主要建筑,建筑物类型主要是居民区、购物中心、写字楼、学校、医院等。

沧州市区（研究区域）地势平坦、低洼,河西地势较高,自然坡向为由南向北坡,平均海拔高程（黄海高程）9.5 m左右。运东地势较低,自然坡向为西南-东北向,平均海拔高程（黄海高程）7.2 m左右。旧城区多是人工填土,约2 m~3 m,一般地坪在海拔高程（黄海高程）10 m以上。研究区多年（1956年~2015年）平均降水量561.6 mm,降水年内分布不均,主要分布在汛期（6月~9月）,汛期降水占全年降水量的八成左右,降水年际变化较大,最大年平均降雨量1127.1 mm,最小年平均降雨量226.0 mm。多年平均蒸发量1201.2 mm（E-601 蒸发器1956 年~2013 年系列）,蒸发量最大月份为6月份,占年蒸发量的15.0%；蒸发量最小月份

为1月,占年蒸发量的2.1%。

2 模型建立

构建沧州市区沥涝模型基本工作包含下垫面数据提取、管线概化、汇流区分划与建模信息库四个模块,获取模型仿真所需要的数据与系数。

2.1 下垫面数据提取

下垫面数据的提取是汇流区分划与模型系数确定的基准,同时为模型的仿真运算依据。

参照沧州市区道路影像图中所给的实际测量高程点信息,运用ArcGIS 10.3 建立主城区数字地形图（见图1）,然后在此基础上制作城区坡向与坡度图。主城区土地应用布局图是对沧州城区将来构建状况的规划布局与对各个区域土地运用功能界定,在一定程度上能够反应以往与目前的土地利用状况,同等类别的土地利用形式给与等同的不渗水面积比、曼宁糙率、下渗率等下垫面的系数。接着将提取获得的下垫面数据做出类别划分,为分划子流域供应参考,并存储在GIS系统中,构建下垫面信息库。

图1 沧州市区DEM数据、坡度、坡向及土地利用图

2.2 汇水区分化

在 SWMM 模型里,把研究区块划分为多个汇流区,对其渗水地面洼蓄量、不渗水地面洼蓄量,曼宁参数等有关指标做出集中设置,每个汇流区包含一个排水口,连接到城区排涝管线中。按照研究区块的表层坡向土地利用的特性与距离结点的远近,把汇流区分划成346 个汇水区块,每个子汇流区块的径流当作结点流入量对接到最近的排水井结点。

2.3 管网概化

经过全方位思考城区排水管网系统的各类因素,包含排水标准确认、排水区域分划、出水口选择、地表积水深度与变动过程,出水口的布设、数目、管路布局、管道长度、管道直径、管道材料、水流速度、流水量、抽水泵布设、装机容纳量等,对管路做出概化,排水系统管路包含265 个结点、265条管线、27 个出口、14个排水站,见图2。

图2 管网概化后研究区域的节点与管网图

2.4 参数设置

（1）参数获得。沧州市区内涝模型的参数均有确切的物理涵义,因缺少实际测量数据与实验信息,仅能确认部分能够经过地理信息工具量测或者运算的参数,比如子流域面积、坡向、坡度与管长等。这种确切的指标数在模型仿真的准备阶段,已进行处理获得,模拟可按照实际调整即可。针对非确定性的指标数,在实践中经常用到的方式是按照下垫面的特点,按照数值或者相似理论设定完成的参数做初值预设,最后子在参数率定当中,经过参数筛选,获取参数的最佳值。

（2）参数设定方式。SWMM参数初值设定是模型仿真精确度的关键环节,参数包含城区汇流区参数设定与排水管路参数设定。

3 模型参数的率定与模拟验证

在率定模型参数的时候,为靠近实际的排水体系状态,尽量选取近些年出现的强度高历时短的特大降雨时期,经过对沧州近些年暴雨内涝信息的研究,选择了2009 年8 月16 号、2011 年7 月1 号以及2019 年8 月12 号降水内涝过程,降雨过程选择1小时当作一个时间段。模型通过上述三场暴雨过程及对应积水点积水过程对参数反复的试算调整,对产汇流参数做出适当调节,使其和实际相吻合。产流参数重点是调节子流域漫流宽度与不渗水面积比值；汇流参数则主要调节糙率。

将沧州市2019 年8 月12 日的内涝计算结果与相应实测的两个积水点内涝数据比对,比对结果见图3。对应该暴雨过程的淹没范围及水深的模拟结果见图4,模拟淹没总面积为141.75 万m2。可见率定调整后参数适用于预测研究区内暴雨淹没范围及水深。

图3 2019年8月12日实测积水深度与模拟深度的比较

图4 2019年8月12日暴雨淹没范围模拟结果示意图

4 不同重现期下内涝积水分析

通过统计可以得到在T=3年,T=5年,T=10年,T=30年,T=50年重现期下,历时24 小时的设计暴雨量分别为114 mm、134 mm、161 mm、204 mm、224 mm。只需输入不同情景的降雨参数,就能得到相应的模拟积水总水量结果。

4.1 3年一遇暴雨内涝模拟

3年一遇的长历时设计暴雨量114 mm,将设计暴雨过程输入到城市暴雨内涝模型,得到主要积水区间内相应管段节点内涝情况和内涝积水空间分布图（图5）,积水总量90.2万m3,积水面积365.75万m2,占研究区总面积的比例为5.67%。其中,解放路清真寺段积水最深（1.21 m）、积水历时最长（9.14 h）,按照内涝的严重程度高低,其它易涝区域依次为：东风路与建设大街交口至狮城商场、水月寺大街大化生活区、光荣路河北工专路段、御河路化勘家属院段、维明路市医院段、朝阳街北头中豪家具城、署西街北头五中、朝阳街与新华路交口。永济西路（朝阳街—光明街,浮阳北大道交口）、朝阳街（永济西路—新华西路）路段出现大范围积水。

4.2 5年一遇暴雨内涝模拟

5年一遇的长历时设计暴雨量134 mm,将设计暴雨过程输入到城市暴雨内涝模型,得到主要积水区间内相应管段节点内涝情况和内涝积水空间分布图（图5）,积水总量131.8万m3,积水面积503.5万m2,占总面积的比例为7.80%。其中,解放路清真寺段积水最深（1.51 m）、积水历时最长（13.18 h）,按照内涝的严重程度高低,其它易涝区域依次为：东风路与建设大街交口至狮城商场、水月寺大街大化生活区、光荣路河北工专路段、御河路化勘家属院段、维明路市医院段、朝阳街北头中豪家具城、署西街北头五中、朝阳街与新华路交口。与3年一遇情景相比,永济西路（朝阳街—光明街,浮阳北大道交口）、朝阳街（永济西路—新华西路）路段积水面积增大。

4.3 10年一遇暴雨内涝模拟

10年一遇的长历时设计暴雨量161 mm,将设计暴雨过程输入到城市暴雨内涝模型,得到主要积水区间内相应管段节点内涝情况和内涝积水空间分布图（图5）,积水总量189.8万m3,积水面积622.5万m2,占总面积的比例为9.64%。其中,解放路清真寺段积水最深（1.89 m）、积水历时最长（19.02 h）,按照内涝的严重程度高低,其它易涝区域依次为：东风路与建设大街交口至狮城商场、水月寺大街大化生活区、光荣路河北工专路段、御河路化勘家属院段、维明路市医院段、朝阳街与新华路交口、署西街北头五中、朝阳街北头中豪家具城。与5 年一遇情景相比,永济西路（永安北大道—光明街,浮阳北大道交口）、朝阳街（永济西路—新华西路）路段积水面积增大,另外,光荣路（浮阳南大道-朝阳街）、解放西路（永安南大道—署西街北头）、清池北大道（永济东路—维明路）、建设北大道（永济东路—维明路）路段出现较大范围积水。

图5 3年一遇、5年一遇、10年一遇内涝积水空间分布图

4.4 30年一遇暴雨内涝模拟

30年一遇的长历时设计暴雨量204 mm,将设计暴雨过程输入到城市暴雨内涝模型,得到主要积水区间内相应管段节点内涝情况和内涝积水空间分布图（图6）,积水总量276.3万m3,积水面积906.0 万m2,占总面积的比例为14.03%。其中,解放路清真寺段积水最深（2.35 m）、积水历时最长（35.25 h）,按照内涝的严重程度高低,其它易涝区域依次为：东风路与建设大街交口至狮城商场、水月寺大街大化生活区、光荣路河北工专路段、御河路化勘家属院段、解放路欣怡小区、维明路市医院段、署西街北头五中、朝阳街与新华路交口、朝阳街北头中豪家具城。与10 年一遇情景相比,各易涝区域的积水范围均有所扩大,部分区域发生重叠与合并,永济东路（海丰大道-长芦南大道）、铁路西街（黄河东路—百川路）、海丰大道（黄河东路—百川路）路段出现较大范围积水。

4.5 50年一遇暴雨内涝模拟

50年一遇的长历时设计暴雨量224 mm,将设计暴雨过程输入到城市暴雨内涝模型,得到主要积水区间内相应管段节点内涝情况和内涝积水空间分布图（图6）,积水总量562.4万m3,积水面积1709.5万m2,占总面积的比例为26.48%。其中,解放路清真寺段积水最深（2.64 m）、积水历时最长（49.53 h）,按照内涝的严重程度高低,其它易涝区域依次为：东风路与建设大街交口至狮城商场、水月寺大街大化生活区、解放路欣怡小区、光荣路河北工专路段、署西街北头五中、朝阳街与新华路交口、御河路化勘家属院段、维明路市医院段、朝阳街北头中豪家具城。与30 年一遇情景相比,所有易涝区域及新增积水路段的积水范围均有所扩大,以致邻近的积水区域发生重叠与合并,且又新增浮阳南大道（晴川路—九河西路）积水路段。

图6 30年一遇、50年一遇内涝积水空间分布图

5 结语

通过下垫面信息提取、管网概化、汇水区划分和模型信息数据库构建,获得模型模拟所需信息和参数。根据三场不同量级降雨量及观测的积水点积水深度,对产流和汇流参数进行率定和验证,模型的模拟结果与实测内涝状况吻合,模拟效果良好,可有效应用于沧州市内涝情况的模拟。

将重现期为T=3年,T=5年,T=10年,T=30年,T=50年的历时24 小时设计暴雨过程数据输入已建暴雨内涝模型,得到主要积水区间内相应管段节点内涝情况,包括积水历时、积水总量、积水深度、积水面积、流量变化过程等,从而模拟不同暴雨频率下内涝情况。采用了GIS技术和SWMM耦合的方法对内涝积水状况进行了空间展示,直观有效地显示地面积水过程,为城管、应急防汛等相关部门应对城市内涝决策调度提供重要参考价值。