王立辉，陈 欣，闫福恩
(福州大学 土木工程学院， 福建 福州 350108)
摘 要
SWMM模型成功运行的关键在于模型前期数据的处理及导入，但由于模型模拟所需的下垫面资料繁杂庞大，所以直接利用SWMM模型进行处理较为困难。GIS作为一款现代化的地理信息处理系统可以方便地进行模型构建所需的子汇水区划分、管网概化以及平均坡度、不透水面积率等属性的计算与提取。为评估所构建模型的合理性，以福建省泉州市永春县岵山镇为例，基于GIS进行资料的前期处理并导入SWMM模型，最后利用实测降雨曲线与模型模拟曲线的趋势拟合程度判断模型的准确性。结果表明，所构建的SWMM模型能够对雨洪过程进行较好的模拟。
关键词
GIS；SWMM；雨洪模型；管网概化
近年来，我国城市内涝频发。城市内涝的危害不容小觑，长时间的内涝将导致交通瘫痪、基础设施浸泡损毁、低洼房屋进水等问题，给人们的出行和生活带来极大的负面影响。在雨洪频发、内涝成灾的背景下，对内涝积水的分析、预测与防治成为了当下的热门话题[1-2]。利用城市雨洪模型对雨洪过程进行模拟从而预测内涝点或对不同积水点的内涝原因进行分析是目前较为有效的技术手段。SWMM作为美国环境保护局(USEPA)开发的雨洪管理模型，凭借强大的排水系统模拟功能、开源免费及简单易上手的优点成为国内运用最为广泛的雨洪模型之一[3]。SWMM模型构建的难点之一在于模型输入数据的前期处理，因为城市下垫面复杂多样，管网密集交错，数据的处理十分繁琐冗杂。地理信息系统(Geographic Information System，GIS)作为一款拥有强大的空间分析和处理功能的软件，能够快速便捷地对SWMM模型所需的管网、节点等信息进行处理并提取相关的属性[4]。国内已有学者针对GIS和SWMM相结合进行雨洪模型构建的方法进行了一定的研究，如：赵冬泉等以澳门某小区为例利用GIS对排水管网的结构及属性进行提取，并验证了模型的准确性[5]；黄国如等基于GIS构建了可视化的二维暴雨积水模型，可对积水水深和面积进行直观的动态分析计算[6]；蔡雨亭等以南京居住小区为试验区，采用GIS技术划分汇水区并进行管网概化，结果表明模拟结果与实际调查情况基本一致[7]。
借助GIS进行SWMM模型的构建虽已得到广泛应用，但针对其具体处理步骤的描述文献却较少，且针对该方法准确性的验证皆基于实测资料进行，缺少对无实测资料地区的验证方法。笔者以福建省泉州市永春县岵山镇为研究对象，借助GIS对子汇水区进行划分，概化管网，计算坡度及不透水率并提取相关的属性，之后利用综合径流系数法和径流系数法对模型的准确性进行验证，其结果为无实测资料地区的模型检验提供了一定的参考。
1 研究区概况
永春县地处福建省中南部，是泉州市西北部的内陆山区，岵山镇位于永春县西南部，整体地势由西北向东南倾斜，四周环绕有3个小盆地及1个较宽的山坳，因地处山区，除内部的居民区地势较为平缓外整体坡度较大。镇内主要河流为岵山溪，发源于永春县岵山镇岭头白云岩，沿途流经磻溪、塘溪、茂霞、和林、铺上、铺下和南石7个行政村后，向东南流出县界汇入南安诗溪。
该研究区年降水量充足，极端天气频繁，暴雨频发，加之近年来快速的城市化进程使得镇内排水面临严峻挑战。故利用雨洪模型对岵山镇的雨洪过程进行分析与研究以获取行之有效的方法解决其排涝难题尤为重要。
2 研究区管网概化及子汇水区划分
笔者将研究区复杂的管网进行科学合理的概化，并利用GIS中的空间分析工具进行子汇水区的划分，同时提取SWMM模型所需的相应参数。随后将GIS处理后的数据输入SWMM模型，并利用综合径流系数法和径流系数法对SWMM模型的可靠性进行验证。
2.1 研究区管网概化
管网的梳理与概化是SWMM模型构建的关键，由于真实管网往往错综复杂且包含众多细小管道，若将所有管网都纳入计算，不仅会因细小管道资料的缺少而导致无法模拟且模型过于繁复也会影响其计算分析，故需对管网进行一定程度的概化。通过合理的管网概化，略去次要的细小管道并对弯度过大的管线进行一定的简化处理，可以有效提高SWMM模型的计算效率[8]。管网概化规则如下[9]：
1)保留管径大于200 mm的管道，将管径大于400 mm且长度小于20 m的管道设为节点。
2)检查井的内底标高小于管道底部高程，否则模型中管道底部高程与检查井内底标高间的偏移量会小于零，导致模型无法正常运行。
3)道路两侧的平行管线不进行合并，且避免管道成环，保证每一支线的管道都汇向出水口。
4)若管道长度大于1 000 m或管线转角超过60 °，则需要在1 000 m处或转角处增加节点将其断开。
另外，CAD资料主要记录图形的大小、长短及相对位置关系等而忽略了元素间的拓扑关系，故在完成管网概化后还需对其拓扑关系进行检查。GIS提供了诸如Endpoint of Line Must Be Covered By Point、Point Must Be Covered By Endpoint of Line等拓扑规则可方便地对管网进行拓扑关系检查，通过ArcCatalog个人数据库创建要素数据集，并将管网图层导入即可进行拓扑关系的建立，之后利用GIS中的Map Topolopy工具对错误的拓扑关系进行修正。
根据以上规则将岵山镇排水管网概化为143个管段、170个节点(其中检查井143个、出水口27个)，管网概化结果如图1所示。
图1 管网概化示意图
2. 2 子汇水区划分
对于范围不大的研究区利用影像图进行子汇水区的人工描绘是较为适用的方法，但当研究区较大时，该方法则会出现工作量大、属性提取困难、受人为因素影响强等弊端。以GIS为手段进行子汇水区划分主要包括基于DEM数据的划分和泰森多边形法2种方法。前者适用于未经开发的自然流域，而该研究区开发强度较高，原有的自然汇流过程已发生改变，若基于DEM数据进行子汇水区划分则会出现较大误差，故笔者采用GIS邻域分析工具中的泰森多边形法。泰森多边形法是基于检查井的位置进行子汇水区的划分，即每1个汇水区对应1个检查井。子汇水区划分结果如图2所示。
图2 子汇水区划分示意图
2. 3 SWMM模型所需属性提取
模型参数分为测量参数和率定参数两大类，其中测量参数主要通过GIS进行计算与提取。管道的管径、管长、起终点编号及节点高程等可直接从CAD管网数据中提取，而平均坡度、不透水面积百分比、特征宽度等则由GIS进行计算。
1)子汇水区平均坡度
首先利用GIS空间分析功能中的表面分析工具，借助DEM数据进行坡度计算，设置输出值格式为百分比坡度(Percent rise)，转换因子为0.304 8。得到的子汇水区坡度栅格图如图3所示。接着将计算出的坡度栅格利用分区统计工具计算每一子汇水区的平均坡度，如图4所示。由平均坡度图可知最小坡度为3.95 %，最大坡度为33.49 %。
图3 子汇水区坡度栅格图
图4 子汇水区平均坡度图
2)子汇水区不透水面积百分比
不透水面积百分比是对模型影响较大的关键参数之一，可通过GIS叠加分析工具中的Intersect将土地利用类型图层与子汇水区图层进行相交运算，并用面积加权求和法计算每一子汇水区的不透水面积百分比。其中土地利用类型的径流系数参照GB 50014—2006《室外排水设计规范》中的推荐取值，即：道路0.9，农林用地0.2，公园和绿地0.15，村庄建设0.6，居住用地和建设用地0.8。子汇水区不透水面积百分比分布图如图5所示。
图5 子汇水区不透水面积百分比分布图
3)子汇水区特征宽度
特征宽度是子汇水区面积与最大地表漫流长度的比值。最大地表漫流长度是子汇水区上最远点到集水点的距离，可利用GIS中的几何计算功能提取各子汇水区的面积和相应的地表漫流长度进行计算。各参数的计算结果如表1所示。
将所有CAD格式的数据经GIS处理提取后导入SWMM模型中，结果如图6所示。
图6 构建的SWMM模型
3 模型率定与对比验证
为保证模型的可靠性及精确度，需对构建的模型进行验证。由于该研究区的部分管网属于尚在规划的管线，缺少实测管道流量数据，故采用综合径流系数法[10]和径流系数法[11]进行模型的验证，以保证模拟结果真实可靠。
1)综合径流系数法
综合径流系数法的原理是将模型模拟所得的径流系数与汇水区综合径流系数进行对比，看其结果是否在取值范围内。其中综合径流系数按照GB 50014—2006《室外排水设计规范》中的规定取值，如表2所示。
根据面积加权平均得到的研究区平均不透水面积率为58.2 %，对应表2中的建筑较密集的居住区，综合径流系数为0.5～0.7。利用永春县最新修订的暴雨强度公式并结合芝加哥雨型生成2年重现期的180 min合成暴雨，输入模型计算得径流系数为0.6，满足0.5～0.7的取值范围要求。为验证模型的稳定性，再以1年和5年重现期暴雨代入模型，计算得到的径流系数分别为0.57和0.66，皆满足建筑较密集居住区的综合径流系数取值范围要求，说明所建模型具有一定的可靠性。
2)径流系数法
径流系数法是基于已知的实测降雨量计算某一区域降雨径流量的一种经验方法。笔者以2002年8月5日实测1 440 min长历时台风降水作为模型的输入数据进行验证。首先将平均径流系数与每一时刻的降雨量相乘，之后对其求和得到整场降雨的总径流量；接着应用SWMM模型对该场降雨进行模拟，得到SWMM模型计算出的总径流量。若2种方法所得总径流量的相对误差在20 %以内，则证明模型模拟结果与径流系数法相接近，模型的误差可以接受且相对可靠。径流系数法计算所得总径流量为178.67 mm，SWMM模型计算所得总径流量为203.373 mm。该研究区面积为815.14×104 m2，故将总径流量以流量方式分别表示为1 456.4×103 m3和1 657.77×103 m3，相对误差为12.15 %，说明模型模拟结果较为理想，在可接受范围内。
为进一步验证模型模拟过程的准确性，将实际降雨过程和模型模拟的径流过程进行比较。因汇流会影响到产流及峰值峰现时刻，故考虑5 min的流量迟延时间。降雨过程与径流过程曲线拟合情况如图7所示。从图中可以看出，2条曲线趋势基本相同，拟合度好，由此证明所构建的SWMM模型能够对雨洪过程进行较好的模拟。
图7 降水过程与径流过程曲线拟合图
4 岵山镇雨洪模拟实例
以岵山镇为研究对象，利用经过验证的SWMM模型对研究区进行实例模拟。研究区总面积815.14 hm2，不透水面积率58.2 %，绿地占6 %，居住及建筑用地占49.32 %。笔者主要以管网的积水情况和排放口的流量情况对研究区雨洪过程进行分析。
4. 1 不同降雨情景下管网积水情况
SWMM模型能够模拟出不同管道的进流深度和满流时数，并由此判断管道的超载情况。基于永春县最新编制的暴雨强度公式并结合芝加哥雨型过程线生成1、2、3、5年4种不同重现期的180 min短历时设计暴雨并输入SWMM模型中，得出不同降雨情景下管网超载情况，如表3所示。通过对超载管道数量和超载时长的统计，可作为分析研究区管网排水能力的依据。之后选取其中1段超载时间超过1 h的管段对管道随降雨时间的深度变化进行分析，模拟结果如图8所示。
图8 不同重现期降雨情景下管段C90深度变化曲线
由图8可以看出，降雨开始后，管段进水深度迅速上升，1年重现期降雨情景下管段在41 min后达到满流，管段水位保持在最大水深，即管径0.5 m处；5年重现期降雨情景下管段在27 min后达到满流。在1、2、3、5年重现期下管段满流时长分别为123、151、157、163 min。
4. 2 不同降雨情景下节点溢流情况
SWMM模型关于节点的模拟报告包括节点超载和节点洪流。节点超载是节点水位超过管段顶部但是未到达节点最高处；而节点洪流是节点最高处满流，即发生溢流。通过对超载与洪流节点的统计可进一步分析研究区排水系统的排水能力。表4为不同重现期降雨情景下超载与洪流节点统计情况。
由表4可以看出，不同重现期降雨下，洪流节点比例皆较大，但除5年重现期降雨情景外，其余重现期降雨情景下超载时间超过1 h的节点数皆较少，说明虽然降雨会造成部分地区积水，但大部分地区的积水会在短时间内消退，不会造成较大的内涝危险。而5年重现期降雨情景下，超载时间大于1 h的节点数显著增加，说明研究区排水系统难以负担5年重现期降雨情景下所产生的降水量。
为直观地显示溢流区块情况，将不同节点的洪流情况利用GIS在研究区的子汇水区划分图中进行可视化的显示，选取1年重现期下的洪流节点模拟结果进行分析，如图9所示。
图9 1年重现期下研究区域洪流节点分布情况
结 语
利用GIS对SWMM模型构建的前期数据进行处理和提取，在无实测资料的情况下通过2种不同的方法对模型的可靠性进行验证，将验证过的模型用于对岵山镇的研究区进行实例分析。结果表明，该方法能够方便有效地对模型构建的前期数据进行处理，对繁琐庞大的资料进行有效的简化和梳理，比起人工统计与输入的方法更加精确和高效。笔者将通过GIS进行资料处理的步骤进行梳理与总结，为SWMM模型构建提供了一定的参考，对后续雨洪模型建立的研究具有一定的借鉴意义。
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注 ：
本文刊登在《市政技术》杂志2020年第4期P183页，欢迎订阅阅读。
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