史潇，黄亮，彭杨，邱帅，陈昕

(1.江苏省气象服务中心，江苏 南京 210000； 2.南京师范大学，江苏 南京 210046； 3.南京市测绘勘察研究院有限公司，江苏 南京 210019)

城市小区域暴雨积涝模拟的参数率定研究

史潇1*，黄亮1，彭杨2，邱帅3，陈昕3

(1.江苏省气象服务中心，江苏 南京 210000； 2.南京师范大学，江苏 南京 210046； 3.南京市测绘勘察研究院有限公司，江苏 南京 210019)

城市化快速发展使得城市暴雨积涝多发。SWMM模型的发展和其在城市中的应用较为成熟，模型所包含的参数物理概念相对清晰。本研究探索在大比例尺、高分辨率的空间地理数据和GIS技术的支撑下，针对城市小区域进行暴雨积涝模拟的参数率定方法，并分析不同参数率定对模型模拟效果的影响，以期提高SWMM模型在城市小区域暴雨积涝应用的准确性。

城市小区域；SWMM；参数率定；GIS

1 引 言

随着城市化的快速发展，人类活动对城市气象的影响力越来越显著。城市绿地面积减小，高程建筑集中，城市硬化面积增加，不断加剧的城市热岛效应是城市暴雨积涝的直接诱因。此外，快速的城市化进程与缓慢的排水管网改造速度之间的矛盾日益尖锐，排水系统建设滞后，老旧排水设施改造困难，也是引发城市暴雨积涝的主要原因。城市内涝所带来的一系列社会经济问题已成为困扰城市发展的主要灾害因素。城市暴雨积涝研究越来越成为人们关注的热点，各种研究反映城市雨洪特点的计算模型陆续被提出并加以应用，比较典型的城市暴雨管理模型有：①1970年美国环境保护署开发研制的暴雨洪水管理模型SWMM(Storm Water Management Model)；②美国工程师协会水文工程中心在1976年完成的水存储、出口、漫流径流模型STORM(Storage Treatment and Overflow Runoff Model)；③国内由清华大学规划院在SWMM模型基础上提出Digital Water模型，将排水管网动态模拟计算能力和GIS空间管理分析功能融合为一体的城市给水排水模型[1]。

2 研究区域概况和模型选用

2.1 研究区概况

本文研究区域面积约为25.96 ha，区内居民小区建筑较多，多为低矮建筑，地下管线已大多实现雨污分流。境内地势较高且区域相对独立，内部管线均向外围流出且外围管线无入流。研究区概况如图1所示。

图1 研究区域范围

空间数据源为区域内1∶500比例尺地形图数据、地下管线数据，1 m×1 m分辨率DEM，1∶2 000比例尺的地表覆盖图斑数据。降雨数据采用由江苏省气象台提供的2015年6月25日～6月27日强降雨所发布的降雨数据。结合暴雨淹没发布官方信息并根据实地走访调查，对SWMM模型参数进行初步率定。

2.2 城市暴雨积涝模拟模型选用

SWMM模型主要用于城市排水、防涝工程规划、设计和管理的雨洪模型。芮孝芳等人通过对SWMM的模型结构和参数的剖析，证明其对城市雨洪形成过程的描述是符合迄今为止人们对城市产生汇流规律的认知的[2]。SWMM作为一套功能齐全、界面友好、易于使用的优秀免费软件，成为许多商业软件的核心，也为排水系统的科学研究提供了便利[3]。综合本研究区的实际情况以及研究需要，本文选用SWMM模型来进行南京市暴雨积涝模拟是可行的。

SWMM模型是一种典型的城市雨洪模型，它将城市暴雨内涝过程大致分为三部分：降雨过程、城市地表的产汇流过程、城市排水管网排水过程。其模型基本构成是由城市汇水信息与城市排水管网信息组成的城市排水概化模型。其中，管道节点即检查井概化为点，排水管道概化为线，城市汇流区概化为面。汇水区的出水口连接有管道节点和排水管道，组成排水管网。其产汇流分析方法是以水文学和水力学为基础的，能较好模拟城市暴雨积涝过程，本实验选用的是Horton下渗曲线法。在模拟坡面汇流过程中，利用水量平衡方程和曼宁公式来描述坡面水流。坡面形成的雨洪进入管道就转入管道汇流阶段，提供三种方法来进行管渠管段的流量演算：恒定流演算、运动波演算和动态波演算。由于研究区地形地势以及排水管网实际规划的影响，研究区在暴雨积涝过程中回流现象比较显著。因此本实验中选用的是动态波演算方法。SWMM的模拟结果如排放口负荷、管段流量、管段超载、溢流节点(检查井)在某一时间段内的水量容积变化以及洪流的发生等，详尽地展现了研究区暴雨积涝情况，是后续3D场景可视化模拟的基础。

3 模型参数选择及取值

SWMM模型既具有通用性也具有特殊性，对不同地域需要有效地加以取舍和选择不同的计算参数，以更好地满足区域适用性[3]。其中部分参数数据，如渗透性/不渗透性洼地蓄水量(mm)、曼宁粗糙系数、管渠进/出水偏移量(m)等，并不能直接通过实测获得，而是通过经验方法或者简化的计算方法获得，因此在模型应用之前还需要对这部分参数进行率定[4]。本实验采用调参“试错法”，即在一定范围内依次改变模型中的参数，直到其偏离程度被调整到可容许范围内为止，此时参数值可作为最终值。SWMM模型参数设置主要分为三部分，包括雨量站设置、城市汇水区参数设置和排水管网参数设置。

3.1 雨量站设置

雨量资料是由气象部门提供的2015年XX雨量站降雨实测数据，为了保证模拟过程顺利进行，将降雨资料编辑筛选整理成符合模型需求的时间序列文件，时间步长为 10 min。

3.2 汇水区参数设置

主要汇水区参数中出水口节点、特征宽度(m)、地表平均坡度(%)、不渗透面积百分比(%)是确定性参数，利用本试验区基础地理数据计算得到。其余参数为不确定性参数，文献建议取值范围即经验参考值，如表1所示。

汇水区不确定性参数建议取值范围 表1

3.3 排水管网/管渠参数设置

主要排水管网参数中内底标高(m)、最大深度(m)、管渠进出水口节点、管渠形状以及管渠进/出水偏移量(m)利用基础地理数据计算得到。其余3个不确定性参数的建议取值范围，如表2所示：

管渠不确定性参数建议取值范围 表2

4 参数率定过程及模拟结果分析

利用试验区域地表覆盖、卫星影像、城建普查、大比例尺地形图以及高精度DEM等数据，划分子汇水区并计算其透水面和不透水面的面积。应用ArcGIS对试验区排水管网概化，建立排水管网物理模型，如图2所示。

图2 试验区管网概化及子汇水区划分

模型参数率定结果 表3

图3 暴雨积涝区域示意图

通过不断调整输入参数，最后当汇水区和管渠不确定性参数取值接近参考值范围的中间值时，SWMM模型模拟执行结果报告显示，模型的地表径流量误差为-0.52%，流量演算误差为0.4%，这说明对于径流和演算具有可忽略的质量守恒连续性误差，模拟的质量很好[5～7]。另外，通过收集相关历史资料并进行实地访调查，发现当参数取值接近参考值范围的中间值时，模拟演算得到的暴雨积涝区域与实际发生积涝的位置最相符，模拟效果比较理想。表3为模型参数率定结果，图3为模拟演算得到的暴雨积涝区域。

5 结 语

SWMM模型包含的各项参数比较完整地描述了城市雨洪的形成过程。本文结合城市小区域高精度、大比例尺基础地理数据探索了SWMM模型参数率定，通过试错法对汇水区以及排水管渠的不确定性参数进行调整，使模拟结果与实际情况相符合。该率定方法可为城市小区域利用SWMM模型建立积涝预报预警、防灾具有指导意义。

[1] 张杰. 基于GIS及SWMM的郑州市暴雨内涝研究[D]. 郑州：郑州大学，2012.

[2] 芮孝芳，蒋成煜，陈清锦等. SWMM模型模拟雨洪原理剖析及应用建议[J]. 水利水电科技进展，2015(4)：1～5.

[3] 史蓉，庞博，赵刚等. SWMM模型在城市暴雨洪水模拟中的参数敏感性分析[J]. 北京师范大学学报·自然科学版，2014(5)：456～460.

[4] 赵冬泉，王浩正，陈吉宁等. 城市暴雨径流模拟的参数不确定性研究[J]. 水科学进展，2009，20(1)：45～51.

[5] 黄金良，林杰，杜鹏飞. 城市降雨径流模拟的参数不确定性分析[J]. 环境科学，2012，33(7)：2224～2234.

[6] 蒋元勇，丰锴斌，刘学文等. 城市雨洪SWMM模型的敏感参数研究综述[J]. 生态科学，2015(2)：194～200.

[7] 刘兴坡. 基于径流系数的城市降雨径流模型参数校准方法[J]. 给水排水，2009，35(11)：213～217.

Research in the Parameter Calibration for Rainstorm Waterlogging Simulation in Small Urban Areas

Shi Xiao1，Huang Liang1，Peng Yang2，Qiu Shuai3，Chen Xin3

(1.Jiangsu Weather Service Center，Nanjing 210000，China； 2.Nanjing Normal University，Nanjing 210046，China； 3.Nanjing Institute of Surveying，Mapping&Geotechnical Investigation，Co.，Ltd，Nanjing 210019，China)

With the rapid development of urbanization，more and more urban rainstorm waterlogging has occurred. The development of SWMM model and its application in the city are more mature，and the physical concepts of parameters which the model contains are relatively clear. This study explores a method of parameter calibration for rainstorm waterlogging simulation in small urban areas under the support of large-scale，high-resolution spatial geographic data and GIS technology，and analyzes the influence of different parameter calibration on the simulation effect of the model to improve the accuracy of SWMM model applied to the rainstorm waterlogging in small urban areas.

small urban area；SWMM；parametercalibration；GIS

1672-8262(2017)02-16-03

P208.2

A

2017—02—21

史潇(1989—)，女，硕士，助理工程师，研究方向：3S与气象应用，气象灾害等。 基金项目：江苏省测绘地理信息科研项目资助(JSCHKY2015012)