薛豐昌 江健 田娟 張嫣然
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)澇時常發(fā)生,暴雨內(nèi)澇成為我國許多城市的主要氣象災(zāi)害,嚴重影響城市居民生活,進行城市內(nèi)澇模擬制圖,對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)和加拿大水力計算中心(CHI)共同研發(fā),對城市排水系統(tǒng)有很強的模擬計算功能。黃子千等以北京市樂家花園排水區(qū)為研究對象,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)、曹夢然、付超、廖正敏等基于SWMM模型進行了城市暴雨內(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模型進行城市雨洪數(shù)值模擬需要有較為精細的城市地理空間數(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)險視角下的城市積澇狀況數(shù)值模擬的技術(shù)方法。
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月為臺汛期,降水量占全年總降水量的32%,臺汛期杭州東北部易出現(xiàn)臺汛期暴雨洪澇。
1.遙感影像數(shù)據(jù):分辨率為2m的杭州市主城八區(qū)高分一號衛(wèi)星數(shù)據(jù),對數(shù)據(jù)進行配準、幾何校正和影像拼接,進行土地利用類型提?。?/p>
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.降水數(shù)據(jù):杭州市53個氣象站點近十年逐小時降雨量數(shù)據(jù);
5.驗證數(shù)據(jù):本文選取2012年6月1日、2013年6月24日、2019年6月19日三個暴雨場次進行結(jié)果驗證。
SWMM模型是一個動態(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。
排水管網(wǎng)是當前城市地區(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、等效匯水井、匯水單元組成,如圖1所示。為進一步提高模擬精度,根據(jù)浙江省2014年版《城鎮(zhèn)防澇規(guī)劃標準》:浙江省城市建設(shè)雨水管網(wǎng)的設(shè)計暴雨重現(xiàn)期為3年,對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
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?;A(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。利用高分一號衛(wèi)星數(shù)據(jù)進行土地利用類型分類,結(jié)果如圖3所示;對DEM進行偽洼地填洼處理,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
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算單元,劃分方式的不同,會導(dǎo)致暴雨積澇模擬結(jié)果的準確性受到相應(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,采用泰森多邊形對研究區(qū)進行匯水區(qū)劃分,劃分結(jié)果如圖4所示。
圖4 匯水區(qū)劃分
GIS結(jié)合城市雨洪模型(SWMM)進行城市內(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)為基本評價單元,對匯水區(qū)內(nèi)各類地物面積進行加權(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)
利用SWMM模型進行某一重現(xiàn)期暴雨積澇數(shù)值模擬時,研究區(qū)暴雨面雨量以及這一雨量的時間離散序列是不可缺少的數(shù)據(jù)。
1.雨量計算
重現(xiàn)期(CDF):指在一定雨量記錄資料統(tǒng)計年限內(nèi),大于或等于某暴雨強度的降雨出現(xiàn)一次的平均間隔時間,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)有觀測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),使用數(shù)理統(tǒng)計方法,用某種分布方式來擬合歷史觀測氣象要素值,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可求得對應(yīng)的氣象要素值x, 以此方法可求得多年一遇的所對應(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個自動站近10年降雨觀測數(shù)據(jù),計算杭州市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
降水的時間離散序列稱之為雨型,根據(jù)《浙江省短歷時暴雨》,利用杭州市的歷史降水數(shù)據(jù),計算其在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小時雨型分布。不同重現(xiàn)期下24小時雨型計算結(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
1.積水深度
通過對匯水區(qū)進行時間序列的設(shè)置以及雨量的分配,即將不同重現(xiàn)期下對應(yīng)的雨量代入排水模型中進行積水擴散,得到多個重現(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,當暴雨重現(xiàn)期為5年時,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
降雨具有很強的時空分布不均勻性。即對于一場降雨,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、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,因而模型的驗證存在較大的困難。本文利用統(tǒng)計分析方法,通過對城市內(nèi)澇個例的調(diào)查,將模擬得到的積水深度與實際調(diào)查的積水深度做對比,驗證模型準確性。
杭州市暴雨積澇統(tǒng)計數(shù)據(jù)來源主要包括:(1)相關(guān)媒體新聞報道收集到的內(nèi)澇位置,對比氣象站點監(jiān)測到的降雨數(shù)據(jù),分析對應(yīng)的積水深度;(2)當?shù)亟煌ú块T、防汛抗旱指揮部提供的易澇點相關(guān)地理位置信息,以此作為積澇出現(xiàn)位置的參考依據(jù)。對于2012年6月1日暴雨場次,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行大概的判斷,當?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;對于2013年6月24日暴雨場次,由于暴雨突發(fā)、雨量較大,積水點主要分布在江干區(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);對于2019年6月19日暴雨場次,上城區(qū)、西湖區(qū)北部和濱江區(qū)降雨量最多,降雨歷時長達13小時,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,對應(yīng)重現(xiàn)期為5年。將此暴雨情況與模擬結(jié)果進行對比,顯示為濱江區(qū)東北區(qū)域為0.15~0.30米,其余區(qū)域為0~0.15米,結(jié)果與新聞報道相對應(yīng)。
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,并進行參數(shù)率定與模型驗證,對杭州市八種重現(xiàn)期下的暴雨內(nèi)澇狀況進行模擬重現(xiàn),從統(tǒng)計結(jié)果與模擬結(jié)果對比來看,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。