周 宏，劉 俊，高 成，周 毅，胡尊樂，徐向陽，宋凱璇

(1. 河海大學水文水資源學院，江蘇 南京 210098；2. 河海大學水科學研究院，江蘇 南京 211106；3. 江蘇省水文水資源勘測局，江蘇 南京 210029；4. 江蘇省水文水資源勘測局常州分局，江蘇 常州 213022)

快速城市化進程，加上全球氣候變化影響，北京、上海、廣州、深圳、武漢、杭州、濟南、南京、鄭州等大中城市相繼發(fā)生了城市洪澇災(zāi)害事件[1]，給當?shù)氐纳鐣?jīng)濟發(fā)展帶來了很大的損失。雖然城市洪澇問題得到越來越多的關(guān)注[2-4]，中國也推出了一系列旨在緩解城市內(nèi)澇的政策和措施[5-7]，但是城市內(nèi)澇頻發(fā)的現(xiàn)象并未得到根本改善。

在海綿城市建設(shè)背景下，對城市雨洪精細模擬及管理提出了越來越高的要求。以往城市雨洪模擬中一般都是根據(jù)土地利用資料劃分子匯水區(qū)，并按照不同土地利用類型加權(quán)確定各子匯水區(qū)的不透水性[8-10]，或者根據(jù)遙感資料進行下墊面分類，以總不透水面積(Total Impervious Area，TIA)計算各子匯水區(qū)的不透水性[11-13]。這些對不透水性的處理方法集總地對各種類型的下墊面進行概化處理，并在城市雨洪模擬中使用TIA而非有效不透水面積(Effective Impervious Area，EIA)來表征不透水性，難以表達下墊面的空間異質(zhì)性，不能準確反映城市水文過程，無法適應(yīng)新形勢下城市雨洪精細管理的要求。Ebrahimian等[14]對城市流域不透水下墊面的3個重要參數(shù)(總不透水面積、有效不透水面積、有效不透水面積與總不透水面積的比值)進行了探討，認為有效不透水面積是決定城市徑流最重要的參數(shù)；Chen等[15]也將有效不透水面積作為一個新的參數(shù)應(yīng)用于模型中，發(fā)現(xiàn)使用有效不透水面積可以提高徑流預測的有效性；石樹蘭等[16]聚焦不透水下墊面的有效性問題，借助遙感影像，通過實地勘察識別大紅門排水區(qū)的有效不透水下墊面，構(gòu)建城市暴雨徑流模型，發(fā)現(xiàn)考慮不透水下墊面有效性可提高雨洪模擬的精度；Sultana等[17]建立了南加州半干旱區(qū)域的有效不透水面積與總不透水面積回歸關(guān)系，結(jié)果表明使用有效不透水面積可以減少徑流量和雨水控制裝置的設(shè)計規(guī)模。

雖然近年來已有不透水面積對城市雨洪的影響相關(guān)研究，但EIA和TIA水文響應(yīng)的對比分析卻不多見，且對不同下墊面間的產(chǎn)匯流作用過程及機制也缺乏深入研究[18]。尤其是在建設(shè)海綿城市背景下，主要均是通過增加透水面積(Pervious Area，PA)、減少EIA來達到徑流控制效果[19-20]，而對于頻繁發(fā)生的低、中量級降雨事件，EIA是排水系統(tǒng)中主要的徑流來源[17，21]，在推進城市洪澇防治及海綿城市建設(shè)過程中，厘清EIA對城市產(chǎn)匯流過程的影響，揭示其水文響應(yīng)規(guī)律，對雨洪精細管理背景下深入推進內(nèi)澇防治及海綿城市建設(shè)具有重要意義[22]。

本文基于研發(fā)的考慮EIA的精細模擬模型[23]，構(gòu)建雙橋浜徑流小區(qū)城市雨洪模型，設(shè)置不同的表征不透水性方法，對比不同重現(xiàn)期下EIA和TIA的水文響應(yīng)，分析不同表征方法對內(nèi)澇防治及海綿城市建設(shè)的影響。

1 雙橋浜徑流小區(qū)雨洪模型構(gòu)建

1.1 研究區(qū)概況

雙橋浜徑流小區(qū)位于常州市主城區(qū)防洪大包圍圈中北部(圖1)，屬太湖流域武澄錫虞區(qū)較為典型的平原城市區(qū)域，內(nèi)澇成因在太湖流域平原河網(wǎng)地區(qū)具有普適性和代表性[10]。區(qū)域內(nèi)地勢平坦，呈西北高、東南低之勢，地面高程為5～6 m；雙橋浜由北向南貫穿整個小區(qū)，北至錦繡路，在潤德半島附近分成2支，1支向西至錦繡南苑，1支向南至北塘河，河道總長1.91 km(其中西支0.27 km)。與北塘河交匯處北側(cè)雙橋浜閘處同時建有雙橋浜泵站，泵站設(shè)計流量為4.0 m3/s。根據(jù)數(shù)字化的下墊面信息分析，雙橋浜徑流小區(qū)道路及屋頂?shù)瓤偛煌杆聣|面面積為82.12 hm2，達總面積的51.3%，是一個典型的高度城鎮(zhèn)化的城市徑流小區(qū)。

圖1 雙橋浜徑流小區(qū)區(qū)位及下墊面分類Fig.1 Location and land-use distribution of Shuangqiaobang

1.2 模型構(gòu)建

1.2.1 排水分區(qū)劃分

雙橋浜徑流小區(qū)主要為居民小區(qū)及學校，區(qū)域內(nèi)除部分未開發(fā)利用的地塊外，基本均已鋪設(shè)排水管網(wǎng)，地表徑流主要通過排水管道匯入雙橋浜，并經(jīng)雙橋浜末端的強排泵站將河水排至研究區(qū)外北塘河。對原始數(shù)據(jù)進行矢量化、點線連接關(guān)系修正、屬性表修正等處理，制作雙橋浜徑流小區(qū)排水管網(wǎng)分布圖，考慮地形因素，在此基礎(chǔ)上進行子匯水區(qū)的劃分，將雙橋浜徑流小區(qū)劃分為290個子匯水區(qū)，總概化面積1.60 km2，子匯水區(qū)劃分見圖2。

1.2.2 排水管網(wǎng)概化

利用常州市水文局提供的雙橋浜徑流小區(qū)管網(wǎng)圖，從CAD中提取管網(wǎng)數(shù)據(jù)。模型中排水管網(wǎng)概化的主要要素包括管底高程、管道長度、坡度、管徑，以及水流在管道中的流向和檢查井高程信息。排水管網(wǎng)概化示意見圖2。

圖2 子匯水區(qū)及排水管網(wǎng)概化Fig.2 Generalization result of subcatchments and drainage system

1.2.3 泵站及水閘調(diào)度

根據(jù)雙橋浜徑流小區(qū)水利工程情況以及防洪排澇調(diào)度要求，對水閘與泵站進行概化。由于雙橋浜徑流小區(qū)屬于常州城市防洪大包圍中的二級圩區(qū)，僅當內(nèi)河雙橋浜水位高于外河北塘河時，水閘才開啟，在汛期基本關(guān)閉。泵站調(diào)度根據(jù)常州城市防洪包圍圈調(diào)度規(guī)則進行調(diào)度，起調(diào)水位為4.0 m，當水位降至3.5 m后停泵。

1.3 模型率定與驗證

1.3.1 屋頂連接到排水系統(tǒng)比例確定

根據(jù)屋頂連接到排水系統(tǒng)比例(γ)的確定方法[23]，選擇2016年3月8日的降雨過程率定γ。2016年3月8日降雨量為26.5 mm，次洪量為1.73萬m3，由于前期從2月23日開始無降雨過程，可認為此次降雨產(chǎn)生的徑流均為EIA產(chǎn)生，不包含PA。模型不透水下墊面洼蓄統(tǒng)一設(shè)置為1.5 mm，設(shè)置不同的γ以使洪量與實測洪量一致，γ取不同值(1、0.9、0.88、0.87)時洪量分別為1.852萬m3、1.753萬m3、1.733萬m3和1.723萬m3。

由此可確定γ為0.88，即屋頂連接到排水系統(tǒng)的面積為34.98 hm2。因此，雙橋浜徑流小區(qū)道路及屋頂EIA總計69.32 hm2，占TIA比例為84.41%，所有EIA確定后不同類型下墊面面積見表1。

表1 EIA確定后不同類型下墊面面積

1.3.2 模型其他參數(shù)確定

參數(shù)的準確性是模型優(yōu)越性能的重要基礎(chǔ)。通過實地調(diào)研和資料搜集分析，對模型參數(shù)進行調(diào)整，并與實測過程進行比較，對模型進行率定和驗證后，確保模型的計算精度，然后利用模型對不同方案進行分析計算。

由于雙橋浜徑流小區(qū)缺乏管網(wǎng)實測液位、流量等資料，僅在徑流小區(qū)出口處布設(shè)有水位計，因而徑流小區(qū)能用于率定的資料為出口處河道水位及泵站調(diào)度運行資料。由于水泵實際運行調(diào)度未嚴格按照調(diào)度規(guī)則進行，模型按照調(diào)度規(guī)則計算出的水位必然與實際水位存在差異，因此，在模型率定與驗證過程中，根據(jù)泵站實際運行流量數(shù)據(jù)與河道水位—庫容曲線反推實際出流過程進行率定與驗證。

選擇2015年6月2日(20150602)、2016年10月7日(20161007)2場降雨及反推流量過程作為率定數(shù)據(jù)，2015年8月15日(20150815)、2017年9月24日(20170924)2場降雨及反推流量過程作為驗證數(shù)據(jù)。采用納什效率系數(shù)(Nash-Sutcliff Efficiency，ENS)評價模型的模擬精度，ENS計算公式為

(1)

率定及驗證結(jié)果見表2及圖3。率定結(jié)果顯示出口斷面處流量變化趨勢合理，峰值較為接近，ENS較高，說明模型的計算結(jié)果是可靠的。

表2 模型率定及驗證評價結(jié)果

圖3 率定及驗證期模型模擬與實測流量對比Fig.3 Comparison of observed and simulated hydrographs during calibration and validation period

2 不同不透水性表征方案設(shè)置

2.1 不同不透水性表征方案模型參數(shù)設(shè)置

為了分析城市雨洪精細管理背景下EIA與TIA的適用性及水文響應(yīng)的差異，模型中分別用EIA和TIA表征不透水性進行城市雨洪模擬，總共分為3種情景：① EIA表征不透水性并對模型參數(shù)進行率定(以下簡稱“EIA模型”)；② TIA表征不透水性但移用EIA模型參數(shù)(以下簡稱“TIA-PT模型”)；③ TIA表征不透水性并對模型參數(shù)進行率定(以下簡稱“TIA-PC模型”)。

(1) EIA模型。采用EIA表征不透水性，同時利用上文經(jīng)過率定和驗證的雙橋浜徑流小區(qū)城市雨洪模型，分析不同重現(xiàn)期下EIA的水文響應(yīng)。該情景為合理表征不透水性并正確應(yīng)用模型的場景，以此為基礎(chǔ)，將情景②和情景③的結(jié)果與該情景相比較，分析TIA和EIA水文響應(yīng)的差異。

(2) TIA-PT模型。將TIA均作為EIA，即不區(qū)分下墊面的有效性與非有效性，將情景①中的EIA及非有效不透水面積(NEIA)相加得到TIA，其余參數(shù)均不改變，利用構(gòu)建的雙橋浜徑流小區(qū)城市雨洪模型，分析不同重現(xiàn)期下的水文響應(yīng)。該情景用TIA表征不透水性，是雨洪模擬中常見的不當使用模型的一種情景。

(3) TIA-PC模型。該情景是第2種常見的不當使用模型的情景。利用構(gòu)建的雙橋浜徑流小區(qū)城市雨洪模型，與情景②相同，不區(qū)分下墊面的有效性與非有效性，將情景①中的EIA及NEIA相加得到TIA。在此基礎(chǔ)上，選擇與情景①EIA模型相同的降雨場次對模型參數(shù)進行率定與驗證。TIA-PC模型率定及驗證結(jié)果見表3及圖4。除不透水性表征之外，TIA-PC模型與EIA模型主要參數(shù)的差別在于下滲率，EIA模型最大下滲率(f0)為75.6 mm/h，穩(wěn)定下滲率(fc)為2.1 mm/h，而TIA-PC模型f0為118.7 mm/h，fc為4.1 mm/h。

表3 TIA-PC模型校驗結(jié)果

圖4 TIA-PC模型模擬與實測流量對比Fig.4 Comparison of observed and simulated hydrographs of “TIA-PC model”

2.2 不同參數(shù)設(shè)置方案雨洪模擬結(jié)果

采用EIA模型、TIA-PT模型、TIA-PC模型3種模型參數(shù)設(shè)置方案分別模擬雙橋浜徑流小區(qū)不同重現(xiàn)期下水文響應(yīng)過程。設(shè)計暴雨采用常州市暴雨強度公式進行計算，設(shè)計雨量見表4。常州市暴雨強度公式為

表4 不同重現(xiàn)期設(shè)計雨量

(1)

式中：i為暴雨強度，mm/min；T為重現(xiàn)期，a；t為降雨歷時，min。

設(shè)計暴雨時程分配采用芝加哥雨型，常州市180 min歷時降雨雨峰位置系數(shù)r=0.381，降雨過程見圖5。

圖5 常州市不同重現(xiàn)期180 min芝加哥雨型Fig.5 Different design hyetograph of Changzhou City

EIA模型、TIA-PT模型、TIA-PC模型3種模型參數(shù)設(shè)置方案不同重現(xiàn)期下峰值流量、洪量、峰現(xiàn)時間結(jié)果見表5。

表5 不同參數(shù)方案水文響應(yīng)結(jié)果

3 EIA與TIA水文響應(yīng)對比分析

3.1 TIA-PT模型與EIA模型

對洪峰流量而言，無論何種重現(xiàn)期降雨條件下，TIA-PT模型洪峰流量均比EIA模型大；對洪量而言，不同重現(xiàn)期TIA-PT模型也均比EIA模型大；從峰現(xiàn)時間來看，TIA-PT模型峰現(xiàn)時間均比EIA模型早1 min。不同重現(xiàn)期下TIA-PT模型與EIA模型洪峰流量及洪量相對偏差見圖6。

由圖6分析可知，TIA-PT模型洪峰流量與EIA模型的相對偏差由0.5年一遇時相差5.11%逐漸減小到100年一遇時的0.06%，相對偏差隨著重現(xiàn)期的增加逐漸減小。對洪量而言，TIA-PT模型與EIA模型的相對偏差也隨著重現(xiàn)期的增加逐漸減小，由0.5年一遇時相差2.83%逐漸減小到10年一遇時的0.54%，且當重現(xiàn)期達到10年一遇后，兩者的相對偏差趨于穩(wěn)定。從峰現(xiàn)時間來講，各重現(xiàn)期下，TIA-PT模型的峰現(xiàn)時間均比EIA模型提前1 min，并且當重現(xiàn)期達到3年一遇后兩者峰現(xiàn)時間都不再變化。

圖6 TIA-PT模型與EIA模型洪峰流量及洪量相對偏差Fig.6 Comparison of peak flow and flood volume of “TIA-PTmodel” and “EIA model”

使用TIA-PT模型出現(xiàn)上述與EIA模型結(jié)果差異的原因主要在于，城市下墊面在產(chǎn)流過程中并非所有的不透水下墊面上產(chǎn)生的徑流均直接排至城市雨水管網(wǎng)，NEIA上產(chǎn)生的徑流在流經(jīng)PA后，或直接滯留在透水下墊面，或經(jīng)透水下墊面排入管網(wǎng)系統(tǒng)。在降雨量較小時，NEIA上產(chǎn)生的徑流在流經(jīng)PA后，大部分滯留在透水下墊面，因此低重現(xiàn)期時TIA-PT模型洪峰流量及洪量與EIA模型相對偏差較大。隨著重現(xiàn)期升高，PA產(chǎn)流量逐漸增大，PA滯蓄NEIA上的徑流占自身產(chǎn)流量的比例變低，因而，隨著重現(xiàn)期升高，洪峰流量及洪量的相對偏差逐漸減小，甚至當100年一遇重現(xiàn)期時，TIA-PT模型與EIA模型的洪峰流量僅有略微差別。

因此，在城市雨洪精細模擬模型使用過程中，由于使用TIA表征不透水性且移用EIA模型的參數(shù)，導致二者的水文響應(yīng)出現(xiàn)差異，會高估洪峰流量及洪量，尤其對于低重現(xiàn)期降雨其高估的比例相對較大。無論是在城市排水工程規(guī)劃設(shè)計還是在海綿城市建設(shè)過程中，都會在無形之中使工程規(guī)模偏大，增加工程投資總額。

3.2 TIA-PC模型與EIA模型

對洪量而言，無論何種重現(xiàn)期降雨條件下，TIA-PC模型洪量均比EIA模型?。粚榉辶髁慷?，低重現(xiàn)期時TIA-PC模型比EIA模型大，而高重現(xiàn)期時相反；從峰現(xiàn)時間來看，TIA-PC模型峰現(xiàn)時間均比EIA模型早1 min。不同重現(xiàn)期下TIA-PC模型與EIA模型洪峰流量及洪量相對偏差見圖7。

圖7 TIA-PC模型與EIA模型洪峰流量及洪量相對偏差Fig.7 Comparison of peak flow and flood volume of “TIA-PC model” and “EIA model”

由圖7分析可知，無論在何種重現(xiàn)期條件下，使用TIA-PC模型都會比EIA模型低估洪量，兩者相對偏差由0.5年一遇時相差18.49%增加到2年一遇時的23.15%，然后逐漸減小至100年一遇時的7.24%，相對偏差有隨著重現(xiàn)期的升高而減小的趨勢。對洪峰流量而言，5年一遇以下低重現(xiàn)期時，使用TIA-PC模型會比EIA模型高估洪峰流量，兩者相對偏差由0.5年一遇時5.11%減小至5年一遇的1.36%，重現(xiàn)期越低，高估的洪峰流量相對比例越高；當重現(xiàn)期高于5年一遇時，使用TIA-PC模型會比EIA模型低估洪峰流量，并且隨著重現(xiàn)期升高，低估的比例也越來越高。

使用TIA-PC模型出現(xiàn)上述與EIA模型結(jié)果差異的原因主要在于，低重現(xiàn)期時徑流主要是由不透水下墊面產(chǎn)生，透水下墊面產(chǎn)生徑流較少，使用TIA表征不透水性且據(jù)此率定模型時，不透水下墊面多產(chǎn)生的徑流相對固定。隨著重現(xiàn)期升高，降雨量及降雨強度增加，雖然TIA-PC模型最大下滲率、穩(wěn)定下滲率均比EIA模型大，TIA-PC模型的透水下墊面也會與EIA模型一樣逐漸產(chǎn)生地表徑流。故而隨著重現(xiàn)期升高，TIA-PC模型比EIA模型高估的洪峰流量比例會不斷減小。在高重現(xiàn)期時，EIA模型中，由于下滲率較小透水下墊面開始產(chǎn)生大量地表徑流，透水下墊面表現(xiàn)得越來越像不透水下墊面，TIA-PC模型中由于下滲率較大，透水下墊面產(chǎn)生徑流相對EIA少，因此對洪峰流量低估的比例隨著重現(xiàn)期升高而增加。

對于洪量而言，TIA-PC模型與EIA模型總的不透水下墊面面積是一定的，區(qū)別在于EIA模型中的NEIA是流動至PA上，對洪量的影響主要在于透水下墊面產(chǎn)生的徑流量。而TIA-PC模型由于下滲率大，必然會比EIA模型低估洪量，只是當重現(xiàn)期增加，2個模型中的透水下墊面都會產(chǎn)生大量地表徑流，其相對差異也就逐漸減小。

因此，在城市雨洪精細模擬模型使用過程中，由于使用TIA表征不透水性且率定模型參數(shù)，無論何種重現(xiàn)期計算出的洪量都會偏低，對洪峰流量而言，會從低重現(xiàn)期時偏大逐漸轉(zhuǎn)變至高重現(xiàn)期時偏小，給城市內(nèi)澇防治帶來不利影響。低重現(xiàn)期的洪峰流量偏大會導致城市排水系統(tǒng)設(shè)計規(guī)模偏大，增加排水管網(wǎng)建設(shè)投資；高重現(xiàn)期洪峰流量偏小、洪量偏低，會導致城市防澇系統(tǒng)設(shè)計規(guī)模不足，可能無法有效應(yīng)對城市內(nèi)澇。

4 結(jié) 論

利用構(gòu)建的城市雨洪精細模擬模型，以常州市雙橋浜徑流小區(qū)為例，采用不同不透水性的表征方法進行城市雨洪模擬，分析有效不透水面積在城市雨洪精細模擬中的影響。

(1) 無論在何種重現(xiàn)期條件下，用總不透水面積表征模型不透水性且直接移用有效不透水面積模型參數(shù)，會高估洪峰流量及洪量，并且其相對偏差在低重現(xiàn)期時相對較大，隨著重現(xiàn)期升高相對偏差會逐漸減小。對于中重現(xiàn)期、低重現(xiàn)期的降雨，由于使用總不透水面積代替有效不透水面積高估洪峰流量及洪量的比例相對較大，無論是在城市排水工程規(guī)劃設(shè)計還是在海綿城市建設(shè)過程中，都會在一定程度上使工程規(guī)模偏大，增加工程投資總額。

(2) 無論在何種重現(xiàn)期條件下，使用總不透水面積表征不透水性率定模型會低估洪量，并且相對偏差有隨著重現(xiàn)期的升高而減小的趨勢。對洪峰流量而言，5年一遇以下低重現(xiàn)期時，會使洪峰流量偏大，且重現(xiàn)期越低，高估的洪峰流量相對比例越高；當重現(xiàn)期高于5年一遇時，會低估洪峰流量，并且隨著重現(xiàn)期升高，低估的比例也越來越高。對城市內(nèi)澇防治系統(tǒng)而言，會導致城市排水系統(tǒng)設(shè)計規(guī)模偏大，增加投資，而防澇系統(tǒng)設(shè)施規(guī)模不足，難以有效應(yīng)對城市內(nèi)澇。