杨 斌 ，赵 睿 ,

（1. 湖北工业大学，湖北 武汉 430068；2. 长江中游水文水资源勘测局，湖北 武汉 430010）

基于SWMM模型的城市暴雨洪水模拟与分析

杨 斌1，赵 睿1,2

（1. 湖北工业大学，湖北 武汉 430068；2. 长江中游水文水资源勘测局，湖北 武汉 430010）

为了进行城市暴雨洪水模拟分析，以湖北省恩施市中心城区为研究区域，在河流水系分布和洪水来源分析的基础上，提出洪水分析计算方案，构建一、二维耦合 SWMM 模型计算典型频率（10，20，50，100 年一遇）河道洪水演进和漫堤淹没过程，获得较为准确的洪水淹没范围、水深、淹没历时和洪峰到达时间等信息，并结合 GIS 进行洪水影响评价。结果表明，清江干流主要河段基本满足 20 年一遇的防洪标准，清江干流和龙洞河部分河段现状防洪能力较低。SWMM 模型是一种成熟的城市雨洪径流模型，适宜于城市暴雨洪水模拟与分析应用。

暴雨洪水管理模型；一、二维耦合；暴雨洪水模拟；洪水影响分析

0 引言

伴随着我国城市化进程的不断加快，城市人口急剧增加导致城市下垫面环境状况发生显著变化。在全球变化的背景下，城市化进程直接影响了流域产汇流过程，以及区域水资源供、用、耗、排水条件，使得城市小尺度气候发生变化。受到下垫面环境变化和气候变化等多因素的共同作用，我国城市洪涝灾害发生次数不断增加，危害程度不断提升[1]。2012 年 7 月 21 日，北京市出现特大暴雨，全市受灾人口 160.2 万人，紧急转移 9.7 万人，损毁公共设施448 处，因灾直接经济损失高达 116.4 亿元。因此，在城市重点区域内，针对可能发生的暴雨洪水淹没水深、淹没范围、洪峰到达时间等洪水演进过程要素进行模拟计算，并结合 GIS 进行洪水影响分析，以标示城市范围内受洪水灾害的危险程度，对于城市防洪除涝减灾、人口转移疏散、防洪预案编制等具有重要的意义[2]。

为了解决城市内涝和排水等问题，世界各国研究了城市雨洪径流模型，其中比较典型的是暴雨洪水管理模型（SWMM）、蓄水、处理和溢流模型（STORM）和沃林福德模型（Wallinford）[3-4]。SWMM 模型是在美国环境保护署资助下，由美国水资源有限公司、梅特卡夫有限公司和佛罗里达大学共同研发的，提供了地表产流、河道径流、管网汇流和水污染负荷的模拟分析，其中地表径流采用非线性水库模型，管网汇流采用圣维南方程，水污染负荷采用累积—冲刷模型[5]。STORM 模型是由美国陆军工程兵团开发的，主要用于降雨过程中水量、水质的模拟和城市蓄水、地表漫流等计算[6]。Wallinford 模型是由英国环境部开发的，可进行城市水循环过程的模拟分析、城市雨水、污水排水系统能力模拟[7]。由于 SWMM 模型是提出最早、应用最广泛的城市雨洪径流模型，本研究选用了该模型进行城市暴雨洪水模拟计算。

国内外学术界对 SWMM 模型参数敏感性分析、模型适用范围、模型扩展应用等相关研究较为深入，特别是基于 GIS 的 SWMM 模型应用成为一大热点。Zaghloul 等[8]运用神经网络算法对径流参数、汇水区域参数等进行分析，初步提出了 SWMM 模型参数适用范围。Smith 等[9]将 GIS 和 SWMM 相结合，研究了土地利用类型对降雨径流的影响。董欣等[10]在运用不确定分析的 HSY 算法和 Monte Carlo采样法，在实测数据的基础上，对 SWMM 模型参数进行验证，为模型参数的确定提供依据。Krebs 等[11]利用基因遗传算法研究了加入低影响开发（LID）措施的现代城市区域，提出了加入 LID 措施的模型参数适用范围。周力宁[12]提出暴雨内涝风险识别技术，进行了不同暴雨强度下内涝风险等级分析，并基于 SWMM 模型计算内涝发生时积水区域的积水深度和内涝风险等级。申邵洪等[13]选择湖北省保康县为研究区域，利用 TUFLOW 软件构建暴雨洪水计算和淹没分析模型，对城区受淹地区、淹没水深、淹没面积等进行了深入分析。

恩施市位于高山河流冲刷形成的峡谷盆地中，中心城区地势低，境内河流众多，水系形态复杂，涉河工程多，下游出口断面窄，城市排水不畅，暴雨山洪引发的城市内涝积水频发，在山区城市暴雨洪水分析方面具有一定的代表性。因此，本文选择恩施市中心城区为研究区域，在河流水系分布和洪水来源分析的基础上，提出洪水分析计算方案，构建了一、二维耦合 SWMM 模型，计算典型频率（10，20，50，100 年一遇）洪水演进过程中淹没范围、水深、淹没历时和洪峰到达时间等信息，并结合 GIS 技术进行洪水影响评价，为城市暴雨洪水内涝分析和防洪预案编制提供范例。鉴于恩施市排水管网资料匮乏，为了简化暴雨洪水过程分析，主要使用 SWMM 模型的地表产流、河道径流模块。

1 研究区概况

恩施市是恩施土家族苗族自治州政府所在地，位于湖北省西南部，清江中上游。全市总面积 3 967 km2，辖 3 个街道、4 个镇、9 个乡，1 个办事处，172 个行政村和 34 个社区。据 2013 年统计，全市户籍总人口 81.43 万人，其中城镇人口（含乡镇居委会）36.76 万人，乡村人口 44.67 万人。

恩施市城区主要河流是清江干流，发源于利川西北部齐跃山东麓的龙洞沟，自北向南从流经利川市城区、腾龙洞、雪照河、恩施市龙凤镇、红庙开发区、小渡船、舞阳坝、六角亭进入峡口。清江流域面积 2 928.0 km2，在恩施境内流长 127.0 km，其中城区段 18.0 km，主河道坡降 7.0‰。清江干流城区河段中下游左岸有支流龙洞河、带水河、蔡家河汇入，下游段峡口右岸有支流高桥河、巴公溪汇入。其中，清江干流进入恩施市区时，流经了一个大型水利枢纽工程（大龙潭水库）。

龙洞河是清江左岸一级支流，发源于恩施市大树垭乡鱼仙洞，流至恩施市舞阳坝官坡与清江交汇，流域面积 38.5 km2，河长 15.3.0 km，主河道坡降 1.8‰。研究区主要河流水系分布如图 1 所示。

图 1 恩施市城区主要河流水系分布

恩施市所在的清江流域属于亚热带季风性气候，降雨充沛。多年平均降水量 1 470.1 mm，最大年降水量 1 918.4 mm。降雨年内分配主要集中在 4—10 月，占全年水量的 70% 以上，暴雨多集中在 7—9 月，最大 24 h 降水 326.9 mm。

在恩施市防汛抗旱指挥部办公室的支持下，系统性搜集了城区地形、高分辨率遥感影像、水文气象、社会经济等数据，并进行了河道断面测量工作。其中，城区地形和水文数据来源于恩施州水文局，高分辨率遥感影像数据来源于 Google Earth 下载的 Worldview 影像，气象数据来源于恩施州气象局，社会经济数据来源于恩施市统计年鉴（2014 版）。为了获得更为精细的河道断面观测资料，在湖北省连续运行卫星定位服务综合系统（CORS）的支持下，使用 GPS RTK 设备，在研究区范围内清江干流和龙洞河河段进行了控制断面测量工作。

2 洪水分析模型

根据恩施市河流水系分析，城区主要洪水来源为清江干流。在城区中东部（舞阳坝，恩施州人民政府所在地）附近，有支流龙洞河汇入清江。因此，恩施市主要洪水来源为：1）清江干流洪水；2）龙洞河洪水。

2.1 洪水分析计算方案

由于恩施市城市防洪标准定为 20 年一遇，因此主要进行 10，20，50 ，100 年一遇 4 种洪水量级的洪水分析计算，主要考虑清江干流、龙洞河及相应洪水组合，共设计了 8 种计算方案，如表 1 所示。

表 1 恩施市洪水分析计算方案

2.2 洪水分析方法

采用水动力学方法进行暴雨洪水分析计算。根据恩施城区地形、水文气象及河道断面观测资料，采用一维水动力学模型进行河道洪水演进分析，采用二维水动力学模型进行河道外城区洪水淹没分析。其中，一维水动力学方法选用圣维南方程，二维水动力学模型选用深度平均二维浅水波方程。构建一、二维耦合模型开展暴雨洪水分析能够计算出暴雨洪水淹没范围和水深、淹没历时及洪锋到达时间等信息，满足洪水影响评价的需求。

1）模型范围。一、二维耦合模型的范围如图 1所示，其中蓝色线条代表河道一维水动力学模型范围，红色线条范围内的面状区域是二维模型区域。一维河道在横向的宽度由沿着左右河岸划定的线条确定，河岸线内是一维河道，河岸线外是二维网格区域。

模型边界：清江干流的上边界范围为大龙潭水库溢洪道出口，下边界范围为恩施连珠大桥下游约1 000 m 处；龙洞河的上边界范围为恩施东阳酒店上游约 700 m 处，下边界为龙洞河汇入清江的入口处。

2）一、二维耦合模型。按照 SWMM 模型的设置要求，进行下垫面的概化。将研究区域下垫面进行二维网格划分，构建一、二维耦合 SWMM 模型。其中，一维河道属于二维网格的非活动区域，即位于一维河道的网格不参与二维运算，河道结点处水位由一维河道断面控制；二维区域通过网格进行运算，模型可将地形（.txt 格式）、初始水位、土地利用等数据赋在网格上。

一、二维连接线连接河道结点和一、二维交界面上，两控制断面间河道水位由断面处水位线性内插获得。当河道内水位超过一、二维交界面处所在网格的地形高程，则该处网格水位等于河道水位，并以该水位作为二维运算的边界条件；同时，将二维运算得到的流量作为一维河道的边界条件。

3）模型边界条件。对于清江干流洪水分析，上游边界条件为大龙潭水库各频率设计下泄洪水过程线，中间加入龙洞河相应洪水汇入。在清江最下游断面给定实测的河道坡降，以该断面处的水位流量关系曲线作为下边界条件。

对于龙洞河洪水分析，龙洞河上边界条件为根据《湖北省暴雨径流查算图表》（2012 年）计算的设计洪水过程线，下边界条件为清江 20 年一遇洪水水位顶托。

2.3 模型参数设置

1）模型糙率。通过实地调研过程中拍摄的照片获取地面植被情况，参考水力学计算手册[14]选取洪水分析模型范围的糙率系数，其参考糙率值如表 2所示。

2）模型计算参数。水力学模型计算时，清江干流各方案计算时间 72 h，二维模型的计算时间步长为 3.0 s，一维模型的计算时间步长为 1.5 s。龙洞河各方案计算时间为 40 h，洪峰值出现在第 10～12 h，二维模型的计算时间步长为 3.0 s，一维模型的计算时间步长为 1.5 s。

表 2 恩施市水力学计算参考糙率

3 洪水计算与分析

3.1 设计洪水过程推求

1）清江干流设计洪水过程。在一维水力学模型起点断面以上的清江干流上，有大龙潭水库。因此，进入研究区的清江干流洪水是经过大龙潭水库调蓄后的下泄洪水。根据《清江大龙潭水利枢纽初步设计报告》，不同设计洪水削峰流量如表 3 所示。

表 3 大龙潭水库削峰流量表

因此，经过调洪演算之后，清江干流设计洪水过程如图 2 所示。

图 2 经过大龙潭水库调蓄后清江干流设计洪水过程线

2）龙洞河设计暴雨洪水过程。龙洞河流域内无实测洪水资料，且龙洞河流域面积小于 1 000 km2，适合采用《湖北省暴雨径流查算图表》（2002 年）推求龙洞河城区河段控制断面10，20，50，100 年一遇的设计洪水过程线。设计洪水过程结果如图 3所示。

图 3 龙洞河设计暴雨洪水过程线

3.2 洪水计算结果

以 100 年一遇为例。在清江入口处给定 100 年一遇洪水经过大龙潭水库调蓄后的下泄洪水，龙洞河入口处给定 20 年一遇设计洪水过程。下游边界条件给定实测的河道坡降，换算成下游出口的水位流量关系曲线。

1）洪水淹没水深、历时。如图 4 所示，在 100 年一遇洪水条件下，清江干流洪水淹没范围主要集中在恩施市小渡船、黄泥坝、施州大道、东门及南门，平均淹没水深约为 0.8～1.5 m，平均淹没历时约为 3～6 h；龙洞河洪水淹没范围主要集中在官坡、栖凤桥及土桥坝，平均淹没水深约为 0.5～0.8 m，平均淹没历时约为 2～4 h。

图 4 100 年一遇洪水淹没计算结果

2）洪峰到达时间。以洪水通过恩施城区的典型控制断面（恩施市水文站，位于施州大桥上游 100 m处）为基础，计算洪峰到达时间。

如图 5 所示，在 100 年一遇洪水条件下，清江干流洪峰到达时间约为 6～12 h，龙洞河洪峰到达时间约为 3～6 h。

图 5 100 年一遇洪峰到达时间计算结果

3.3 洪水影响评价

1）洪水淹没分析。如图 6 所示，利用 ArcGIS软件，结合高分辨率遥感影像数据和社会经济数据，进行恩施市洪水淹没分析。在 10～100 年一遇洪水条件下，恩施市主要受淹区域集中在小渡船、黄泥坝、施州大道、东门、南门、官坡、栖凤桥及土桥坝一带，受淹区域总面积约为 2.69 km2，详细计算结果如表 4 所示。

2）现状防洪能力评价。如图 7 所示，利用ArcGIS 软件结合高分辨率遥感影像和社会经济数据，进行恩施市现状防洪能力评价。根据《山洪灾害分析评价技术要求（试行）》文件[15]，将现状防洪能力低于 10 a 的河段定义为极高危险区，现状防洪能力在 10～20 a 之间的河段为高危险区，现状防洪能力大于 20 a 的河段为危险区。清江干流红旗大桥以上基本上是裸露河床，无河道堤防工程，实际现状防洪能力低于 20 a（高危险区）；红旗大桥至黄石大桥全部河段均修筑浆砌石堤防，堤防高度在 4～6 m 左右，受到龙洞河洪水顶托作用，实际现状防洪能力在 20～50 a 之间（危险区）；黄石大桥至连珠大桥部分河段修筑浆砌石堤防，堤防高度在 4～6 m 左右，但受到巴公溪、高桥河等洪水顶托作用，实际现状防洪能力低于 10 a（极高危险区）。龙洞河只有部分下游河段修筑浆砌石堤防，实际现状防洪能力在10～20 a 之间（高危险区）。

图 6 恩施市城区主要洪水淹没区

图 7 恩施市城区现状防洪能力评价

4 结语

1）SWMM 模型是一种成熟的城市雨洪径流分析模型，能够较为方便地构建一、二维耦合水力学模型，快速计算河道洪水过程和洪水淹没分布，适宜于城市暴雨洪水模拟与分析。

2）根据恩施市城区河流水系、洪水来源、地形地貌等情况，设计了一套洪水分析计算方案，并基于 SWMM 模型进行雨洪过程模拟分析，取得了较为准确的洪水淹没水深、淹没历时、洪峰到达时间等结果，为城市雨洪淹没分析和现状防洪能力评价提供依据。结果表明，清江干流主要河段基本满足了 20 年一遇的防洪标准，清江干流和龙洞河部分河段现状防洪能力较低。这一结果与恩施市防汛抗旱指挥部办公室发布的《恩施市城区防洪应急预案》[16]基本吻合。

表 4 恩施市雨洪淹没面积统计表

3）下一步准备通过重点单位走访和实地调研，尽可能地搜集完善恩施市排水管网空间分布、管径大小等数据资料，利用 SWMM 排水管网模块进一步分析城市洪水内涝消退过程。

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Urban storm flood simulation and analysis based on storm water management model

YANG Bin1, ZHAO Rui1,2

(1. Hubei University of Technology, Wuhan 430068, China;2. Middler Changjiang River Bureau of Hydrological and Water Resources Survey, Wuhan 430010, China)

In order to conduct urban storm flood simulation and analysis, the paper starts with river system distribution and flood source analysis in case study of Enshi City, and a flood calculation and analysis program are proposed. On the basis of storm water management model (SWMM), an one dimension and two dimension coupled hydraulics model is constructed, which is applied to calculate river flood evolution and diffuse embankment process under the designed flood conditions of 0.01, 0.02, 0.05 and 0.10 (probability). The comprehensive information of flood area, water depth, duration and peak arrival time is also retrieved, which is used to calculate flood effect analysis.Results reveal that the main parts of Qingjiang River basically meet the flood prevention standard of 0.05 (probability)in Enshi City, while a small section of Qingjiang River and Longdong River has lower flood prevention ability than its flood prevention standard. And results also suggest that SWMM is a reliable urban storm water model, which is suitable for urban storm flood simulation and analysis applications.

storm water management model (SWMM); one dimension and two dimension couple; storm flood monitoring; flood effect analysis

TV223

A

1674-9405(2017)05-0056-07

10.19364/j.1674-9405.2017.05.011

2017-06-14

杨 斌（1969-），男，湖南常德人，教授，主要从事管理科学与工程、智慧城市等方面研究。