基于地理國情監(jiān)測數(shù)據(jù)的暴雨洪水管理模型優(yōu)化

張春森， 于 振， 吳滿意

(1.西安科技大學(xué)測繪科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，西安 710000； 2.自然資源部第一地形測量隊(duì)，西安 710054)

近年來，隨著城市發(fā)展速度的加快、城市化進(jìn)程不斷推進(jìn)，由于城市內(nèi)下墊面硬化引起雨水下滲能力降低，進(jìn)而導(dǎo)致在強(qiáng)降雨條件下城市內(nèi)澇危害日益得到關(guān)注[1]。暴雨洪水管理模型(storm water management model, SWMM)是一個(gè)動(dòng)態(tài)的降雨-徑流模擬模型，主要用于徑流水量和水質(zhì)的單一事件或者長期模擬[2]。SWMM能對(duì)數(shù)據(jù)的輸入結(jié)果和輸出結(jié)果進(jìn)行直觀地表達(dá)，例如對(duì)子匯水面積的徑流、管段流量、節(jié)點(diǎn)洪流等數(shù)據(jù)進(jìn)行彩色編碼，并可以用多種形式對(duì)結(jié)果進(jìn)行顯示，包括提供結(jié)果的時(shí)間序列曲線和圖表、坡面圖以及統(tǒng)計(jì)頻率的分析結(jié)果，可以對(duì)模擬過程進(jìn)行動(dòng)畫演示等[3]。使得SWMM在世界范圍內(nèi)的應(yīng)用越來越廣泛，主要用于城市地區(qū)雨水徑流模擬，合流管道、污水管道、雨水管道的分析、設(shè)計(jì)，以及其他排水系統(tǒng)的規(guī)劃和設(shè)計(jì)[4-5]。

地理國情監(jiān)測是在中國范圍內(nèi)開展的全面獲取地理國情信息的基礎(chǔ)性工作[6]。監(jiān)測的數(shù)據(jù)成果能夠反映地表特征、地理現(xiàn)象和人類活動(dòng)等基本地理環(huán)境要素的范圍、位置、屬性和數(shù)量特征。地理國情監(jiān)測成果的有效應(yīng)用和轉(zhuǎn)化，為進(jìn)一步對(duì)其進(jìn)行定量化、空間化的動(dòng)態(tài)監(jiān)測，統(tǒng)計(jì)分析其變化特征、地域差異等提供理論指導(dǎo)。

基于此，首先利用地理國情監(jiān)測成果中的下墊面數(shù)據(jù)，計(jì)算子匯水區(qū)不透水率、土壤下滲率以及子匯水區(qū)坡度等各種參數(shù)，下墊層數(shù)據(jù)主要包括研究區(qū)域的土地利用類型和地形數(shù)據(jù)；其次利用建立模型最基本的管網(wǎng)數(shù)據(jù)，包括研究區(qū)內(nèi)地下排水管道的長度、管徑(或長與寬)、管道始末端的高程，以及雨水井或檢查井深度、高程等數(shù)據(jù)，涉及研究區(qū)雨水管線、雨污合流兩類管線；最后使用Morris指數(shù)篩選法對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行敏感性分析，并利用積水過程進(jìn)行參數(shù)率定，達(dá)到模型優(yōu)化的效果。

1 SWMM構(gòu)建

1.1 子匯水區(qū)優(yōu)化

建立SWMM雨洪模型的計(jì)算基礎(chǔ)是子匯水區(qū)劃分[7]，以分級(jí)劃分的方法對(duì)研究區(qū)的子匯水區(qū)進(jìn)行統(tǒng)一劃分。即通過對(duì)地理國情監(jiān)測數(shù)據(jù)與地形數(shù)據(jù)的研究分析，從城市用地分類出發(fā)將城市分為中心城區(qū)和郊區(qū)，依據(jù)城市河流的主干水系進(jìn)行一級(jí)匯水區(qū)劃分，將影響城區(qū)和郊區(qū)的建筑物、地面溝渠等不同徑流因子分別融入數(shù)字高程模型(digital elevation model,DEM)中，制作精細(xì)化DEM數(shù)據(jù)并進(jìn)行二級(jí)子匯水區(qū)劃分，在二級(jí)子匯水區(qū)劃分的基礎(chǔ)上，根據(jù)實(shí)際情況并結(jié)合排水管道概化節(jié)點(diǎn)，在每一個(gè)二級(jí)子匯水區(qū)內(nèi)部應(yīng)用泰森多邊形方法進(jìn)行三級(jí)子匯水區(qū)劃分，基本保證每一個(gè)管道節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)一個(gè)三級(jí)子匯水區(qū)面[8]。

根據(jù)地理國情監(jiān)測成果和地形成果分析，延安城區(qū)內(nèi)所涉及主要河流為延河及其支流，一級(jí)匯水區(qū)以主要河流為邊界，將延安市劃分為5個(gè)一級(jí)匯水區(qū)塊，如圖1(a)所示。

二級(jí)子匯水區(qū)主要是通過自然地形特征和主干管網(wǎng)分布，在一級(jí)子匯水區(qū)內(nèi)上進(jìn)行自然匯水區(qū)塊的劃分。由于在匯水區(qū)范圍內(nèi)存在諸多人工建筑物與構(gòu)筑物，從某種程度上已經(jīng)改變匯水區(qū)的自然地形狀況，故需對(duì)傳統(tǒng)的DEM進(jìn)行精細(xì)化修正，以得到更符合實(shí)際地形地貌狀況的精細(xì)化DEM。在此基礎(chǔ)上再進(jìn)行水文分析，得到與實(shí)際更接近的地表匯水情況，并進(jìn)行二級(jí)子匯水區(qū)的劃分，如圖1(b)所示。

三級(jí)子匯水區(qū)就是在二級(jí)子匯水區(qū)劃分的基礎(chǔ)上，充分考慮城市雨水井即管線排水節(jié)點(diǎn)對(duì)城市排水能力的影響。利用概化后排水節(jié)點(diǎn)的排水能力，使用泰森多邊形技術(shù)，對(duì)二級(jí)子匯水區(qū)內(nèi)部進(jìn)行一定輻射范圍的子匯水區(qū)加密，結(jié)合延安市排水管道節(jié)點(diǎn)，通過使用泰森多邊形技術(shù)，得到既考慮城市地形又考慮到城市管網(wǎng)排水能力的三級(jí)子匯水區(qū)，如圖1(c)所示。

圖1 匯水區(qū)

1.2 管網(wǎng)優(yōu)化

原始管線數(shù)據(jù)概化的處理方式通常分為三大類：①修剪，即刪除細(xì)碎的支管以及相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)；②合并，即將參數(shù)(管徑、走向、坡度等)相同或相近的管段合并成一條連續(xù)管段；③補(bǔ)全，當(dāng)研究區(qū)內(nèi)沒有完整的管網(wǎng)數(shù)據(jù)資料時(shí)，在沒有管網(wǎng)數(shù)據(jù)的地方，實(shí)地考察井蓋，根據(jù)井蓋的分布位置，補(bǔ)全管線。

研究區(qū)域是通過去掉長度低于20 m或管徑低于100 mm相結(jié)合的方式對(duì)延安城區(qū)的管線進(jìn)行刪減，并且通過合并同屬性的一條連續(xù)管段來實(shí)現(xiàn)管道合并，對(duì)缺失部分通過資料判斷分析和實(shí)地調(diào)查兩種方式補(bǔ)全管線。完成上述的“刪”“合”“補(bǔ)”等步驟后，對(duì)管線進(jìn)行連續(xù)性空間拓?fù)錂z查，最終得到延安市管線概化成果，如圖2所示。

節(jié)點(diǎn)的設(shè)置原則一方面遵從路面的檢查井布置，另一方面考慮地形變化，再根據(jù)道路的形狀進(jìn)行適當(dāng)簡化。

管線節(jié)點(diǎn)概化是結(jié)合管線概化結(jié)果對(duì)管道節(jié)點(diǎn)進(jìn)行增加和刪減，支管刪減可概化為一個(gè)節(jié)點(diǎn)，若該區(qū)域節(jié)點(diǎn)密集可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行簡化，節(jié)點(diǎn)概化成果如圖3所示。

圖2 管線概化成果圖

圖3 節(jié)點(diǎn)概化成果

1.3 參數(shù)計(jì)算

1.3.1 匯水區(qū)參數(shù)計(jì)算

匯水區(qū)的主要參數(shù)有面積、寬度、坡度、不透水率、不透水面的曼寧系數(shù)、透水面的曼寧系數(shù)、不透水面的洼蓄量、透水面的洼蓄量、無洼地不透水面所占百分比[9]。

(1)匯水區(qū)寬度計(jì)算：SWMM特征寬度存在多種算法，研究采用SWMM推薦算法進(jìn)行計(jì)算，即使用匯水區(qū)面積比水流長度的方法進(jìn)行求解。

(2)匯水區(qū)坡度計(jì)算：SWMM計(jì)算中采用的坡度特征值為每個(gè)匯水區(qū)的平均坡度，平均坡度的獲取需要通過DEM的表面分析得到坡度柵格圖像，再采用區(qū)域統(tǒng)計(jì)工具得到每個(gè)匯水區(qū)的平均坡度。

(3)匯水區(qū)不滲透百分比計(jì)算：SWMM中子匯水區(qū)不滲透百分比為每個(gè)匯水區(qū)中不透水面所占的百分比。研究區(qū)域以延安市地理國情監(jiān)測數(shù)據(jù)中的地表覆蓋為不透水面的分類基礎(chǔ)，來確定不透水面的占比情況。表1所示為部分地理國情監(jiān)測的不透水面類型，圖4所示為地理國情監(jiān)測的不透水面與透水面分類圖。

(4)不透水面、透水面的曼寧系數(shù)計(jì)算：曼寧系數(shù)是綜合反映匯水面粗糙情況對(duì)水流影響的系數(shù)。研究區(qū)通過地理國情監(jiān)測地表覆蓋情況，依據(jù)SWMM推薦參數(shù)，給與每個(gè)地表覆蓋不同的曼寧n值，然后通過加權(quán)平均計(jì)算出每個(gè)匯水區(qū)面的曼寧n。表2所示為部分地理國情監(jiān)測各類地表覆蓋曼寧n(初值)。

(5)不透水面的洼蓄量、透水面的洼蓄量計(jì)算：洼蓄量指的是降雨時(shí)每個(gè)地表類型所能儲(chǔ)蓄的最大蓄水量。研究區(qū)通過地理國情監(jiān)測地表覆蓋情況，依據(jù)SWMM推薦參數(shù)，給與每個(gè)地表覆蓋不同洼蓄量，然后通過加權(quán)平均計(jì)算出每個(gè)匯水區(qū)面的洼蓄量。表3所示為各類地表覆蓋洼地蓄水量(初值)。

表1 地理國情監(jiān)測的不透水面類型

圖4 地理國情監(jiān)測的不透水面與透水面分類圖

(6)無洼地不透水面百分比計(jì)算：無洼地不滲透百分比，指的是沒有蓄水能力的不透水面所占的比例。研究區(qū)域以延安市地理國情普查數(shù)據(jù)中的地表覆蓋為不透水面的分類基礎(chǔ)，來確定無蓄水不透水面的占比情況。表4所示為部分地理國情監(jiān)測數(shù)據(jù)的無洼蓄不透水面類型。

表2 各類地表覆蓋曼寧n(初值)

表3 各類地表覆蓋洼地蓄水量(初值)

1.3.2 管線參數(shù)計(jì)算

管網(wǎng)主要參數(shù)有管網(wǎng)直徑大小、材質(zhì)類別、長度、管底標(biāo)高以及埋深等。研究區(qū)的管線將其按實(shí)際情況概括為兩種類型：橫截面為原形和矩形的管線。

(1)管徑、長度、類別計(jì)算：在管線屬性表中新建text字段:上游雨污水檢查井、下游雨污水檢查井；Double字段:管徑、長度。并按照矢量圖屬性統(tǒng)一對(duì)管道的管徑字段進(jìn)行批量賦值。

表4 無洼蓄不透水面類型

(2)將雨污水檢查井?dāng)?shù)據(jù)連接到管線屬性表中獲取起點(diǎn)雨污水檢查井編號(hào)和終點(diǎn)雨污水檢查井編號(hào)，并根據(jù)井底埋深計(jì)算管道坡度，通過坡度檢查管道逆流，并進(jìn)行改正。

1.3.3 節(jié)點(diǎn)參數(shù)計(jì)算

節(jié)點(diǎn)方面的主要參數(shù)有X坐標(biāo)、Y坐標(biāo)、地面高程、井深、井底高程等。

(1)通過幾何計(jì)算獲得檢查井X、Y坐標(biāo)值，即在節(jié)點(diǎn)屬性表中新建字段text類型:Name(雨污水檢查井編號(hào));Double類型:X坐標(biāo)、Y坐標(biāo)、井深、井底高程。并使用字段Calculate Geometry計(jì)算既可以獲取雨污水檢查井X、Y坐標(biāo)。

(2)地面高程、井深、井底高程等通過概化節(jié)點(diǎn)和原有水井?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行空間鏈接，并使用字段Calculate Geometry計(jì)算即可將原有井深節(jié)點(diǎn)的地面高程、井深、井底高程賦值給節(jié)點(diǎn)屬性表。

2 參數(shù)敏感性分析與率定

選用Morris指數(shù)篩選法對(duì)模型進(jìn)行參數(shù)的敏感性分析。該方法主要是對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行局部的敏感性分析，主要思想是保證模型其余參數(shù)固定不變的情況下，選取某一變量，在變量的閾值范圍內(nèi)隨機(jī)改變參數(shù)值，運(yùn)行模型得到模型輸出值，從而計(jì)算出模型輸出對(duì)模型參數(shù)輸入的變化率來表示參數(shù)變化對(duì)模型的影響程度，其計(jì)算公式為

(1)

式(1)中：S為敏感性判別指數(shù)，即敏感度；Y0為參數(shù)取初始值時(shí)模擬結(jié)果；Yi為模型第i次運(yùn)行時(shí)的輸出結(jié)果；Yi+1為模型第i+1次運(yùn)行時(shí)的輸出結(jié)果；Pi為第i次模型運(yùn)行時(shí)的參數(shù)值相對(duì)于參數(shù)初始值變化的百分率；Pi+1為第i+1次模型運(yùn)算參數(shù)值相對(duì)于參數(shù)初始值變化的百分率；n為模型運(yùn)行次數(shù)。

按照Morris指數(shù)篩選法，根據(jù)模擬的結(jié)果分別計(jì)算出參與敏感性分析的參數(shù)的敏感度S，見表5。

表5 三場降雨事件下參數(shù)的敏感度

注：Ⅰ級(jí)，|S|≥1為高敏感性參數(shù)；Ⅱ級(jí)，0.2≤|S|<1為敏感參數(shù)；Ⅲ級(jí)，0.05≤|S|<0.2為中等敏感參數(shù)；Ⅳ級(jí)，0≤|S|<0.05為不敏感參數(shù)。

由敏感性分析的結(jié)果可知，不滲透性洼地蓄水和無洼地蓄水不滲透性對(duì)模擬結(jié)果敏感。在敏感性分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步對(duì)不滲透性洼地蓄水和無洼地蓄水不滲透性進(jìn)行率定，表6所示為Dstore-imperv和%Zero-Imperv的取值，其他參數(shù)均保持為研究區(qū)模型的初始值。

對(duì)以上參數(shù)進(jìn)行組合，共計(jì)77組。輸入模型后進(jìn)行模擬，對(duì)節(jié)點(diǎn)0004YS489進(jìn)行水位量測。

表6 Dstore-imperv和%Zero-Imprev率定取值

選用兩個(gè)模型模擬結(jié)果指標(biāo)來對(duì)參數(shù)的率定結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)：均方根誤差(RMSE)、 效率系數(shù)(NS)。模擬評(píng)價(jià)認(rèn)為效率系數(shù)在0.5～0.65的模擬結(jié)果可接受，在0.65～0.75的模擬結(jié)果較好，0.75以上的模擬結(jié)果非常好。計(jì)算指標(biāo)的公式為

(2)

對(duì)77組參數(shù)組合進(jìn)行計(jì)算，并將3場降雨合成為1場，其中總體降雨文件模擬的結(jié)果中對(duì)應(yīng)NS最大的一組參數(shù)為第50組，對(duì)應(yīng)的不滲透性洼地蓄水、無洼地蓄水不滲透性分別為2.09、20。此時(shí)RMSE為3.141 702 678，結(jié)果擬合較好。表7所示為節(jié)點(diǎn)0004YS489在第50組參數(shù)下的水深對(duì)比。

由表7可知，3場降雨單獨(dú)的NS均在0.6以上，第2場甚至達(dá)到0.92，且這3場降雨的RMSE均在8以下，3場降雨總體驗(yàn)證的結(jié)果較好，因此該組模型的最優(yōu)參數(shù)選為第50組，不滲透性洼地蓄水、無洼地蓄水不滲透性的取值分別為2.09、20。此時(shí)3場降雨的實(shí)測水位與模擬水位的對(duì)比如圖5所示。

表7 節(jié)點(diǎn)0004YS489在第50組參數(shù)下的水深對(duì)比

備注：平均值RMSE=3.141 702 678;NS=0.836 602 117。

圖5 最優(yōu)參數(shù)模擬結(jié)果與實(shí)測對(duì)比

3 延安市內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域劃分

通過轉(zhuǎn)換工具將匯水區(qū)、管網(wǎng)數(shù)據(jù)、節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)導(dǎo)入SWMM中，最終上述文件數(shù)據(jù)通過SWMM保存為inp文件。 實(shí)驗(yàn)區(qū)結(jié)果inp文件包含雨污水檢查井4 000個(gè)，管道數(shù)據(jù)3 899條，匯水區(qū)468個(gè)。根據(jù)已經(jīng)構(gòu)建的SWMM和2017-06-05、2017-07-28、2017-08-27降雨情景進(jìn)行模擬，并輸出模擬結(jié)果。SWMM構(gòu)建如圖6所示。

圖6 SWMM構(gòu)建

城市內(nèi)澇分析評(píng)估是一項(xiàng)以預(yù)防為主，防患于未然的重要非工程措施，是災(zāi)害管理的重要組成部分[10]。內(nèi)澇災(zāi)害評(píng)估體系的建立，有助于建立健全有效的城市災(zāi)害管理機(jī)制，有助于城市居民防范災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)意識(shí)，有助于提高城市內(nèi)澇災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)管理水平，有助于城市保持可持續(xù)發(fā)展[11]。

延安市目前沒有長時(shí)間序列的歷史內(nèi)澇資料，因此，本次模擬在現(xiàn)有資料的條件下，建立水力模型，對(duì)延安市現(xiàn)有排水系統(tǒng)進(jìn)行較為粗略的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估[12-13]。關(guān)聯(lián)模擬結(jié)果并采用插值法對(duì)研宄區(qū)域進(jìn)行評(píng)估，采用克里金插值法作為內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃分方法。如圖7所示，積水深度小于15 cm按綠色顯示，積水深度大于15 cm小于40 cm按黃色顯示，積水深度大于40 cm區(qū)域按紅色顯示。

圖7 內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)區(qū)(積水深度)

4 結(jié)論

在日益嚴(yán)重的城市水環(huán)境與水安全情況下，通過對(duì)國內(nèi)外海綿城市建設(shè)中先進(jìn)的雨洪管理經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合延安市地理國情監(jiān)測成果，基于SWMM對(duì)城市地表徑流及管網(wǎng)排澇進(jìn)行分析，給出適合當(dāng)?shù)氐暮＞d城市建設(shè)舉措，在研究中得到的具體結(jié)論如下。

(1)收集延安市地理國情監(jiān)測數(shù)據(jù)及排水管網(wǎng)信息，延安市內(nèi)所涉及主要河流為延河及其支流，一級(jí)匯水區(qū)以主要河流為邊界，將延安市劃分為5個(gè)一級(jí)匯水區(qū)塊，并在充分考慮城市雨水井即管線排水節(jié)點(diǎn)對(duì)城市排水能力的影響，利用概化后排水節(jié)點(diǎn)的排水能力，使用泰森多邊形技術(shù)，劃分出468個(gè)精細(xì)化的匯水區(qū)快。相對(duì)以往的分析建立了細(xì)化的匯水分區(qū)使雨洪模擬分析更加準(zhǔn)確。

(2)通過分析地表信息獲取了匯水區(qū)參數(shù)、管線參數(shù)及節(jié)點(diǎn)參數(shù)，采用Morris指數(shù)篩選法進(jìn)行參數(shù)敏感性分析，并運(yùn)用基于積水過程的方法進(jìn)行參數(shù)率定。綜上導(dǎo)入模型中使模型更符合本地雨洪模擬的需求。

(3)通過分析不同降雨下研究區(qū)的降雨徑流、洪流點(diǎn)以及參考國內(nèi)外排水防澇系統(tǒng)規(guī)劃標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合延安市實(shí)際情況，采用克里金插值的方法，以GIS(地理信息系統(tǒng))為數(shù)據(jù)處理平臺(tái)構(gòu)建內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域劃分圖，使延安市內(nèi)澇防治措施更有方向性和針對(duì)性。