杭州市重現(xiàn)期暴雨情景下內(nèi)澇災(zāi)害空間分布模擬分析

薛豐昌 江健 田娟 張嫣然

引言

在我國城鎮(zhèn)化快速發(fā)展及全球氣候變化背景下，極端降水引發(fā)的城市內(nèi)澇時(shí)常發(fā)生，暴雨內(nèi)澇成為我國許多城市的主要?dú)庀鬄?zāi)害，嚴(yán)重影響城市居民生活，進(jìn)行城市內(nèi)澇模擬制圖，對(duì)于城市管理以及防災(zāi)減災(zāi)具有重要意義。

暴雨洪水管理模型（storm water management model，SWMM）由美國環(huán)保署（EPA）和加拿大水力計(jì)算中心（CHI）共同研發(fā)，對(duì)城市排水系統(tǒng)有很強(qiáng)的模擬計(jì)算功能。黃子千等以北京市樂家花園排水區(qū)為研究對(duì)象，構(gòu)建了基于SWMM的城市雨洪管理模型，結(jié)果表明SWMM模型對(duì)城市排水管網(wǎng)模擬具有良好的適用性；梁汝豪等應(yīng)用SWMM模型，構(gòu)建了廣州市獵德涌流域的雨洪模型，模擬了不同城市化程度情境下的地表徑流；曾照洋、張繼權(quán)、曹夢(mèng)然、付超、廖正敏等基于SWMM模型進(jìn)行了城市暴雨內(nèi)澇模擬。以上研究表明，SWMM模型是目前應(yīng)用較為廣泛、具有較好適用性的城市雨洪模擬分析模型，目前在我國缺乏自主研發(fā)該類模型的情況下，該模型對(duì)于探索城市洪澇數(shù)值模擬具有很好的借鑒意義。

利用SWMM模型進(jìn)行城市雨洪數(shù)值模擬需要有較為精細(xì)的城市地理空間數(shù)據(jù)支撐，其中城市排水管網(wǎng)數(shù)據(jù)是主要制約性數(shù)據(jù)，一方面在研究工作中很難獲得一個(gè)城市的完整排水管網(wǎng)數(shù)據(jù)，另一方面城市排水管網(wǎng)數(shù)據(jù)量大，數(shù)據(jù)瑣碎，數(shù)據(jù)缺失嚴(yán)重，處理形成滿足SWMM建模需要的排水管網(wǎng)數(shù)據(jù)需要耗費(fèi)大量人力、物力。

本文探索基于數(shù)字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）利用SWMM模型管網(wǎng)模擬建模功能，建立模型化城市排水管網(wǎng)，結(jié)合城市地形地貌、土地利用等數(shù)據(jù)建立杭州市本地化暴雨積澇仿真模擬模型，模擬8種重現(xiàn)期（3年、5年、10年、15年、20年、30年、50年、100年）雨量下的杭州城市內(nèi)澇地表積水深度和積水空間分布，研究建立降雨風(fēng)險(xiǎn)視角下的城市積澇狀況數(shù)值模擬的技術(shù)方法。

研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)資料

（一）研究區(qū)概況

杭州地處東經(jīng) 118°21′—120°30′、北緯 29°11′—30°33′之間，屬于亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，四季分明，雨量充沛，年平均降雨量1454毫米左右。5—9月是主汛期，降水量占全年總降水量的58%，其中5—7月上旬是梅汛期，易出現(xiàn)暴雨洪澇，降水量占全年總降水量的31%；7—9月為臺(tái)汛期，降水量占全年總降水量的32%，臺(tái)汛期杭州東北部易出現(xiàn)臺(tái)汛期暴雨洪澇。

（二）數(shù)據(jù)資料

1.遙感影像數(shù)據(jù)：分辨率為2m的杭州市主城八區(qū)高分一號(hào)衛(wèi)星數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行配準(zhǔn)、幾何校正和影像拼接，進(jìn)行土地利用類型提??；

2.數(shù)字高程模型（DEM）：杭州市主城八區(qū)1:10000比例尺DEM；

3.其他空間數(shù)據(jù)：杭州市主城八區(qū)行政邊界數(shù)據(jù)、道路數(shù)據(jù)、水系與水域分布數(shù)據(jù)、基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)據(jù)（交通設(shè)施和建筑物）；

4.降水?dāng)?shù)據(jù)：杭州市53個(gè)氣象站點(diǎn)近十年逐小時(shí)降雨量數(shù)據(jù)；

5.驗(yàn)證數(shù)據(jù)：本文選取2012年6月1日、2013年6月24日、2019年6月19日三個(gè)暴雨場(chǎng)次進(jìn)行結(jié)果驗(yàn)證。

SWMM模型是一個(gè)動(dòng)態(tài)的降水—徑流模擬模型，主要用于城市某一單一降水事件或長(zhǎng)期的水量和水質(zhì)模擬?；赟WMM模型構(gòu)建城市內(nèi)澇仿真模擬模型主要包括4個(gè)方面：排水能力模擬模型建立，下墊面水文因子提取，匯水區(qū)劃分，模型參數(shù)確定。

（一） 排水能力模擬模型建立

排水管網(wǎng)是當(dāng)前城市地區(qū)在降雨期間防洪排澇的重要基礎(chǔ)設(shè)施，大部分城市的排水管網(wǎng)由于歸屬不同的管理部門且出于安全性的考慮，往往數(shù)據(jù)并不完全公開。針對(duì)管網(wǎng)資料缺失這一問題，目前城市洪澇模擬中主要采取削減降雨和增大下滲兩種解決方法，這兩種方法均屬于估算方法，準(zhǔn)確性較低。

本文基于全域等效排水方法，利用PCSWMM軟件根據(jù)地面高程落差，根據(jù)水流方向特征生成等效排水管網(wǎng)，其由等效排水管道、等效管網(wǎng)節(jié)點(diǎn)、等效匯水井、匯水單元組成，如圖1所示。為進(jìn)一步提高模擬精度，根據(jù)浙江省2014年版《城鎮(zhèn)防澇規(guī)劃標(biāo)準(zhǔn)》:浙江省城市建設(shè)雨水管網(wǎng)的設(shè)計(jì)暴雨重現(xiàn)期為3年，對(duì)模型模擬出來的等效排水管網(wǎng)數(shù)據(jù)排水能力以杭州市三年重現(xiàn)期雨量排水能力進(jìn)行訂正，最終的管網(wǎng)分布狀況如圖2所示。

圖1 等效排水處理單元

圖2 等效排水管網(wǎng)分布

（二）下墊面因子提取

下墊面因子提取主要包括兩部分，即基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)的處理和地表水文因子的處理。基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)包括城市矢量邊界數(shù)據(jù)，高分辨率遙感影像，道路數(shù)據(jù)，基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)據(jù)，高程數(shù)據(jù)等。利用高分一號(hào)衛(wèi)星數(shù)據(jù)進(jìn)行土地利用類型分類，結(jié)果如圖3所示；對(duì)DEM進(jìn)行偽洼地填洼處理，數(shù)據(jù)提取坡度、坡向以及水流方向等參數(shù)，計(jì)算基于水流方向的匯流累積量，形成地表水文因子。

圖3 土地利用分類圖

（三）匯水區(qū)劃分

匯水區(qū)又稱集水區(qū)，是指從地表產(chǎn)生徑流匯集至出水口的過程中所流經(jīng)的地表區(qū)域，是SWMM等城市雨洪模型的基本計(jì)算單元，劃分方式的不同，會(huì)導(dǎo)致暴雨積澇模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性受到相應(yīng)影響。本文利用杭州主城區(qū)的DEM數(shù)據(jù)，根據(jù)地形特征剔除了高程超過60m的山體以及面積較大的水域，在綜合考慮了建筑物、道路、檢查井、排水口等分布狀況下，采用泰森多邊形對(duì)研究區(qū)進(jìn)行匯水區(qū)劃分，劃分結(jié)果如圖4所示。

圖4 匯水區(qū)劃分

（四）模型參數(shù)確定

GIS結(jié)合城市雨洪模型（SWMM）進(jìn)行城市內(nèi)澇分析，關(guān)鍵工作是模型參數(shù)確定。SWMM模型中涉及的參數(shù)大致可分為兩類：一類參數(shù)可以通過數(shù)據(jù)屬性直接獲得或者通過GIS手段分析計(jì)算取得，如匯水區(qū)面積、匯水區(qū)平均坡度、匯水區(qū)不透水面積等參數(shù)；另一類參數(shù)需要結(jié)合實(shí)地情況和調(diào)查確定，如透水區(qū)曼寧系數(shù)、不透水區(qū)曼寧系數(shù)和最大下滲率等。

依據(jù)杭州市土地利用分類結(jié)果，以匯水區(qū)為基本評(píng)價(jià)單元，對(duì)匯水區(qū)內(nèi)各類地物面積進(jìn)行加權(quán)平均，確定匯水區(qū)內(nèi)的曼寧系數(shù)，見表1。最大下滲系數(shù)依據(jù)土地利用類型的徑流系數(shù)確定。

表1 不同土地利用類型的曼寧系數(shù)

杭州市暴雨積澇風(fēng)險(xiǎn)模擬

（一）重現(xiàn)期暴雨過程數(shù)值模擬

利用SWMM模型進(jìn)行某一重現(xiàn)期暴雨積澇數(shù)值模擬時(shí)，研究區(qū)暴雨面雨量以及這一雨量的時(shí)間離散序列是不可缺少的數(shù)據(jù)。

1.雨量計(jì)算

重現(xiàn)期（CDF)：指在一定雨量記錄資料統(tǒng)計(jì)年限內(nèi)，大于或等于某暴雨強(qiáng)度的降雨出現(xiàn)一次的平均間隔時(shí)間，是該暴雨發(fā)生頻率的倒數(shù)，單位是年。

氣象要素重現(xiàn)期一般以現(xiàn)有觀測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，使用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法，用某種分布方式來擬合歷史觀測(cè)氣象要素值，形成氣象要素出現(xiàn)概率P與要素值x的分布曲線，根據(jù)某一出現(xiàn)概率P可求得對(duì)應(yīng)的氣象要素值x， 以此方法可求得多年一遇的所對(duì)應(yīng)的氣象要素值。本文采用耿貝爾分布函數(shù)，基于杭州市53個(gè)自動(dòng)站近10年降雨觀測(cè)數(shù)據(jù)，計(jì)算杭州市8種重現(xiàn)期（3年、5年、10年、15年、20年、30年、50年和100年）下的暴雨雨量。

2.雨型確定

降水的時(shí)間離散序列稱之為雨型，根據(jù)《浙江省短歷時(shí)暴雨》，利用杭州市的歷史降水?dāng)?shù)據(jù)，計(jì)算其在100年、50年、30年、20年、15年、10年、5年、3年等8種重現(xiàn)期下的24小時(shí)雨型分布。不同重現(xiàn)期下24小時(shí)雨型計(jì)算結(jié)果（以國家氣象站58459為例）如圖5所示。

圖5 不同重現(xiàn)期下的雨量分配情況圖

（二） 重現(xiàn)期暴雨雨量下的積澇數(shù)值模擬

1.積水深度

通過對(duì)匯水區(qū)進(jìn)行時(shí)間序列的設(shè)置以及雨量的分配，即將不同重現(xiàn)期下對(duì)應(yīng)的雨量代入排水模型中進(jìn)行積水?dāng)U散，得到多個(gè)重現(xiàn)期下的城市積水深度以及暴雨積澇的分布狀況，其結(jié)果如圖6所示。

2.空間分布

由圖6（a）可知，當(dāng)暴雨重現(xiàn)期為5年時(shí)，除蕭山區(qū)和余杭區(qū)積水深度在0.15～0.3米外，其他城區(qū)積水基本小于0.15米。隨著重現(xiàn)期的增加，暴雨積澇的情況加劇，暴雨淹沒深度及積水范圍不斷擴(kuò)大。積澇狀況愈加明顯的區(qū)域有：余杭區(qū)、蕭山區(qū)、江干區(qū)、濱江區(qū)和下城區(qū)，其余三個(gè)城區(qū)積水深度增幅較緩。

圖6 不同重現(xiàn)期下的積水深度狀況

（三） 結(jié)果驗(yàn)證

降雨具有很強(qiáng)的時(shí)空分布不均勻性。即對(duì)于一場(chǎng)降雨，同樣的降雨量，研究區(qū)內(nèi)是否存在積澇、積澇發(fā)生的地點(diǎn)、積水的深度和范圍都是不確定的。隨著城市建設(shè)和環(huán)境治理，引發(fā)城市內(nèi)澇的致災(zāi)雨量也在發(fā)生變化，因而模型的驗(yàn)證存在較大的困難。本文利用統(tǒng)計(jì)分析方法，通過對(duì)城市內(nèi)澇個(gè)例的調(diào)查，將模擬得到的積水深度與實(shí)際調(diào)查的積水深度做對(duì)比，驗(yàn)證模型準(zhǔn)確性。

杭州市暴雨積澇統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來源主要包括：（1）相關(guān)媒體新聞報(bào)道收集到的內(nèi)澇位置，對(duì)比氣象站點(diǎn)監(jiān)測(cè)到的降雨數(shù)據(jù)，分析對(duì)應(yīng)的積水深度；（2）當(dāng)?shù)亟煌ú块T、防汛抗旱指揮部提供的易澇點(diǎn)相關(guān)地理位置信息，以此作為積澇出現(xiàn)位置的參考依據(jù)。對(duì)于2012年6月1日暴雨場(chǎng)次，據(jù)杭州市防汛抗旱指揮部發(fā)布的積水分布信息，以錢塘江和道路的位置進(jìn)行大概的判斷，當(dāng)?shù)胤e水狀況與模擬結(jié)果幾乎一致，只是未明確給出相應(yīng)的積水深度；對(duì)于2013年6月24日暴雨場(chǎng)次，由于暴雨突發(fā)、雨量較大，積水點(diǎn)主要分布在江干區(qū)、拱墅區(qū)、西湖區(qū)和濱江區(qū)，多處道路積水深度超過30厘米，對(duì)應(yīng)于10年重現(xiàn)期下的積水分布狀況，其模擬結(jié)果與發(fā)布信息基本吻合，只是未提及蕭山區(qū)和余杭區(qū)；對(duì)于2019年6月19日暴雨場(chǎng)次，上城區(qū)、西湖區(qū)北部和濱江區(qū)降雨量最多，降雨歷時(shí)長(zhǎng)達(dá)13小時(shí)，降雨量上城區(qū)117.2毫米，西湖區(qū)81.6毫米，濱江區(qū)78.2毫米，西湖區(qū)龍門嶺159.8毫米，對(duì)應(yīng)重現(xiàn)期為5年。將此暴雨情況與模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，顯示為濱江區(qū)東北區(qū)域?yàn)?.15～0.30米，其余區(qū)域?yàn)?～0.15米，結(jié)果與新聞報(bào)道相對(duì)應(yīng)。

結(jié)論

本文利用SWMM模型與GIS技術(shù)，研究城市暴雨積澇數(shù)值模擬理論與技術(shù)方法，以杭州市主城八區(qū)為例，基于基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)，構(gòu)建了杭州市本地化的SWMM模型，并進(jìn)行參數(shù)率定與模型驗(yàn)證，對(duì)杭州市八種重現(xiàn)期下的暴雨內(nèi)澇狀況進(jìn)行模擬重現(xiàn)，從統(tǒng)計(jì)結(jié)果與模擬結(jié)果對(duì)比來看，本文提出的城市暴雨積澇模擬制圖方法具有一定的合理性和可靠性。