李长红

(辽宁省葫芦岛水文局；辽宁 葫芦岛 125000)

0 引 言

近年来，城市化发展和环境气候的变化使得暴雨、内涝等极端事件频发，并对区域可持续发展造成严重的威胁。为提升城市安全管理及防灾减灾能力，保障区域经济发展和财产安全有必要科学、准确的评估城市内涝风险状况。为准确水位变化、淹没范围、持续时间及径流形态等信息，城市排水设计规范和排水防涝规划大纲均推荐了水力模型，通过对多项或单一评价因子的叠加反映内涝灾害程度[1]。

通过概化城区河道、排水管网及设定模型参数，美国环保局提出了的一种广泛应用的SWMM模型，该模型主要由存储/处理、扩充输送、输送、径流和处理5个子模块组成，这些子模块能够实现地表径流、污染物运输及汇流演进过程的模拟，但对于地表溢出量淹没区间和水深不能给予准确的计算[2-5]。以SWMM为基础加拿大有关研究部门开发了一种PCSWMM模型，可完成城市内涝的准确评估，并已在天津、上海和北京等地区该模型得到广泛的应用。

1 PCSWMM模型简介

1.1 模型结构

在计算方法和理论方面，SWMM和PCSWMM雨洪模型总体相同，后者较前者增加了可视化和前、后处理的功能。

概化地下一维和地表二维排水系统为构成PCSWMM应用的基本思路，通过设置大、小两个系统实现雨洪的模拟分析。传统的城市雨洪模型通常只有一套由节点、管网和漱口组成的排水系统，将城市地面概化为若干个“水库”为该模型的核心内容，通过排水管网实现“水库”与“水库”之间的水量交换。随后，研究者Djordjevic等将将道路引入传统模型，从而提出仅考虑道路的双重排水系统。然而，除此之外还存在其它二维淹没过程，由此确定的二维径流状态往往无法获取预期的模拟效果。将研究区概化为大、小双层排水系统不仅考虑了建筑物对水流的阻挡作用，而且在非道路部分和道路上方可分别建立一套排水系统。

1.2 建模步骤

步骤一：阻碍层的绘制。阻碍层的绘制为二维网格创建的基本条件，它体现了建筑物与水流之间的作用关系，在遥感影像上对于该区域标注且可不创建网格。

步骤二：边界层的绘制。河道、草地和道路为城市主要地表类型，因存在不同的糙率其对水流的引导作用也存在一定差异。因此，有必要对不同地表类型的边界绘制，由此构造相应的边界层。

步骤三：基本设置。①网格类型：PCSWMM网络主要存在定向网格、六边形、矩形和自适应4中类型，其中定向网格一般适用于河流、道路等窄长边界，为确定导流方向还需要的绘制定向网格的边界中心线；针对直接提取的CAD高程点或自行添加的二维节点类型，一般选用自适应网格类型；矩形或六角形应结合使用情况设定其边界。②设置采样因子m。生成的标高点的平均高程为井底标高，该过程中需要应用到m个采样点因子。③设置糙率、网格分辨率等参数。

步骤四：二维检查井的创建。其创建宜居为DEM信息和二维节点，将经深设置为30m以确保不发生溢流现象，地表水位设定为井水深。在计算方法上SWMM和PCSWMM模型基本相同，在检查井深小于水深的情况下多余水量可从井内溢出或贮存于井上方，因此确定的淹没水深偏低。为确保内涝情况下水流不会从检查井溢出且淹没深不超过30m，检查井深设置值为不低于30m，也可设置为足够大的40m、50m等。

步骤五：地表二维明渠和网格的创建。针对明渠管道的垂直平分线和相邻二维检查井，采用泰森多边形法和30m深明渠管道连接绘制。边界和明渠宽度为垂直平分线绞线及其网格边界长度，其面积为所有二维明渠总面积。

步骤六：检查井底标高和网格的确定。选择标高点或节点高程作为井底和网格高程，若以标高点高程作为井底高程还应结合DEM数据生成，网格内所有标高的平均值为井底高程。

步骤七：耦合连接一维二维。直接连接到一维检查井和使用底部孔口为PCSWMM模型一维二维耦合连接的两种方法，其中前者是以一维检查井为基准直接移动二维检查井，保持下沿标高不变而上沿标高增加30m，此连接方式适用于湖泊、河流的耦合；后者则应构建一个底部孔口，其入口偏移量为检查井下沿标高之差，始、终点设定为一维和二维检查井，由此以来能够较好的实现地面标高与孔口的准确连接，在非河网区具有较好的适用性。

步骤八：一维检查井超载深度的设置。利用底部孔口连接一维、二维检查井时，为保证不发生溢流还要设置井超载深度，如20m。根据前文分析，在井深小于水深的情况下，多余水流量作为积水存储于井上方或从检查井溢出损失，则水无法通过孔口进入二维检查井。在超载深度设置以后，将不再发生一维检查井溢流现象，由此可实现水通过孔口进入二维检查井的目的。

根据以上流程可实现一维、二维耦合连接和二维网格的创建，结合二维明渠、二维检查井等相关数据可确定网格最大淹没深度等计算数据，详细流程见图1。

图1 一维二维耦合和网格创建流程

2 构建PCSWMM模型

2.1 区域概况

葫芦岛市属于中国沿海地区旅游、工业、港口、贸易及经济发展的重要城市，下辖兴城、绥中、建昌三个县(市)和连山、龙港、南票三个区，海岸线长258km，总面积10415km2。该区域山区森林植被稀少，地形地貌较为复杂，丘陵起伏，山岭重叠，水系纵横交错且南北跨度大，素有“辽西走廊”之称。葫芦岛为亚湿润季风气候，年降水量560-630mm，年均气温8.2-9.2℃，四季分明，每年的7-8月降水集中极易引起内涝灾害。境内降水量充沛、水资源储量较大，主要有茨山河、五里河、连山河等支流，各支流纵横交错、蜿蜒曲折。近年来，随着葫芦岛市城区范围的持续扩张和城镇化建设的发展，加之山地丘陵区河流速度快及排水防涝设施建设滞后，发生山洪、城市内涝灾害的概率较大，严重威胁着城市安全管理和居民的生产生活，有必要科学评估该区域内涝风险状况[6-9]。

2.2 内涝风险评估

2.2.1 一维模型

为便于计算分析及最大限度的反映水力学特征，在评价过程中需要将河道、排水管网进行概化处理，从而保证现实中的湖泊、河网对水的调蓄和运输能力与概化后的系统保持一致或者接近。所以，为保证评估结果的可靠性应确定概化后的控制断面参数，分析对其它水体的调蓄功能，并在河道水动力模型中输入河道的基本信息。对于城市水量、水质变化的模拟PCSWMM模型具有较强的适用性，其中管段和节点为2种基本要素，管段包括渠道、排水管道；节点有蓄水、出水口、转折点、探测点、雨水篦子和窖井等设施，对于较大区域排水管网概化时可删除雨水篦子及其连接管道。在地表径流作用下井管道汇入河流，其排水能力与河道水位、蓄量大小等因素存在密切关系。在排水系统中将河道作为一部分概化为参数各异的明渠，排水管道出水口分布于葫芦岛主要河道沿岸，最终将葫芦岛地区概化为7个蓄水设施、62个出水口、2861个检查井和3520根管线。

在Arc GIS中对葫芦岛地区按照DEM、道路和街道分布图进行合并、调整及划分，然后依据建筑物、管线和道路分布状况划分子汇水区。考虑到研究区地势较平坦的实际情况，主要考虑社区单元和街道等要素划分，将流域利用泰森多边形法划分为5220个子汇水区，同时指定相应的出口，将下游子汇水区或管网设置为出口。

模型区域内的地表径流因地形、排水各要素影响汇集于一点的水文单元即可构成子汇水区域，为获取各子汇水区的平均坡度信息结合葫芦岛汇流条件、积水范围以及土地利用类型等因素综合确定。子汇水区中坡度值的贡献率较大，DEM数据运用Arc GIS自带工具分析。漫流宽度具有较强的敏感性，而汇流时间直接受地表漫流宽度的作用，因此结合工程经验、区域实际情况、汇水面积、路径长度综合确定漫流宽度。

用Arc GIS格栅表面坡度工具计算。子汇水区汇流时间直接受地表漫流宽度的影响，因此地表漫流宽度利用地表路径长度、子汇水区面积和SWMM推荐公式确定。城市绿化带、屋面、广场用地、道路和公园等各种用地类型信息利用遥感影像图结合地形图提取，统计各分区不透水率。

汇水区坡度、面积、不透水率等水文参数可依据各区域具体情况预先确定，而不透水曼宁系数、霍顿产流等参数一般根据有关数据资料确定。文章结合相关研究成果和模型用户手册设定各参数初始值，输入潮位和实测降雨完成模拟运算，通过对比分析实地调查情况和计算结果重新调整参数。调整参数至误差允许范围和实地调查情况接近水平，最终获取的参数见表1。其中，不透水范围对内涝风险评估的影响较为显著，本研究对各分区不透水面积比按照面积加权法和土地利用类型分布相关资料确定；根据有、无洼蓄将不透水区域进行划分，按照经验取25%作为不透水无洼蓄百分比。

表1 SWMM模型参数取值

2.2.2 二维模型

一维二维耦合模型按照前文所述流程构建，完成阻碍图层、道路中心线图层、道路边界和研究区边界的绘制。在构建一维模型时已将河道部分概化为明渠，因此在阻碍图层内绘制河道图层且不再创建网格。选用六角形、定向网格作为研究区道路之外和道路内的类型，相应的分辨率为30m和8m，曼宁系数分别取0.012、0.015，采用因子m均为3。最终，可形成面积处于25-1000m2之间52860个二维网格，平均为430m2。文章针对非河网地区创建的网格，因此一维二维耦合的连接方式选取为“使用底部孔口”。

2.3 模型的验证

模型参数选取2016年9月2-3日造成严重积水的场次暴雨率定，见表2。通过比较暴雨实地调查涝点与模型计算淹没点结果，结果显示发生内涝的实际位置与涝点模拟结果保持一致，可见在葫芦岛地区排水状况模拟时该模型具有较高的准确度。根据表2可知，水深模拟和实测最大值之间的误差相对较小，研究区实际内涝状况可通过积水模拟结果反映。然后对构建的雨洪模型利用2013年9月15-16日、2015年8月6-7日场次降雨验证，详细结果如表2，因没有实测2013年和2015年的暴雨淹没相关资料，因此仅给出了模拟值。从表2可知，易涝点在3场次暴雨情况下均受到一定程度的淹没，积水路段因场次暴雨的不同存在差异，龙湾大街发生积水的情况最为严重，模拟结果与实际情况基本吻合。

表2 葫芦岛实测暴雨下的淹没深度 m

3 排水系统能力评估

3.1 评估方法及边界条件

葫芦岛地区现状排水能力运用PCSWMM法预测分析，将不同情况下的超载情况进行统计分析。

3.1.1 设计暴雨

基于1960-2015年葫芦岛市国家气象站自计雨量资料，葫芦岛市气象局和辽宁省气候中心对暴雨强度公式进行了适当的修正。对设计暴雨强度计算公式采用最小二乘法进行修订，其表达式为：

(1)

式中：t、P为降雨历时以及设计重现期；q为设计暴雨强度，L/(s·hm2)。采用具有较强适用性的雨型模型确定降雨分配过程，设定雨峰位置r=0.412，间隔为5min，历时为2h，从而确定20a、10a、5a、2a和1a降雨过程。

3.1.2 设计潮位分析

葫芦岛市依山旁海，潮位顶托对排水的影响显著，因此需要分析排水与潮位之间的作用关系。近年来，有学者运用联合概率密度和Copula函数确立了不同暴雨的遭遇概率及其分布特征，并提出了相应的研究成果和理论。文章结合现有研究资料和理论方法，综合考虑不利因素的影响，对于超过和不超过10a一遇重现期的暴雨均选用同频率设计潮位计算。

3.2 系统评估结果

不同状况下的检查井溢流与管道超载情况利用PCSWMM模型进行计算，结果见表3。根据表3可知，设计暴雨情况下溢流检查井数量随组合潮位及设计重现期P的增大而增多，管道超载长度呈不断增加的变化趋势，由此确定葫芦岛市低于1a一遇排水能力的系统管网为84.1%。实测降雨情况下，潮位和降雨历时比较接近的场次降雨为20150806和20160902，20130915场次较20150806场次降雨的潮位、降雨量和降雨历时高，但雨强和降雨量低于20160902场次。从表3可以看出，管道超载程度和溢流检查井个数在20130915场地要>20150806场次，但低于20160902)场次。总体而言，超载管道长度及溢流检查井个数随历时的延长、潮位的提高、降雨强度的增大而增加。

表3 管道超载和检查井溢流统计值

注：一维管道长85km、一维检查井个数2861个。

3.3 内涝风险评估

选取1975-2016年葫芦岛雨量站实测暴雨序列资料，对葫芦岛50a、20a、10a、5a重现期24h设计暴雨量值利用皮尔逊Ⅲ型曲线法求解。设定24h典型暴雨过程为雨量最大(395.1mm)、峰值也大(78.2mm/h)的2001年9月12-13日24h暴雨过程，该场暴雨洪水主峰靠后且较大，严重威胁着城市排水防涝安全。依据控制的设计暴雨量，对24h雨量时程分配利用典型暴雨过程及设计控制值分析。设计4种不同降雨组合为50a、20a、10a、5a一遇24h降雨，学准确的评估葫芦岛内涝风险。

根据普遍应用的洪水标准作为本研究风险评估依据，风险程度的分析从洪水流速和淹没深度2个方面分析，其表达式为：

R=d(v+n)+f

(2)

式中：f、n为危险系数和参数项，一般n取0.5；v、d为洪水流速和积水深度；R为风险等级。

若d值为0-0.25m之间，则危险系数f取0；若d值为0.25-0.75m之间，则城市、森林、草地/耕地的危险系数f分别取1、0.5、0；若v>2m/s或d>0.75，则城市、森林、草地/耕地的危险系数f分别取0.5、0.5、1。根据现有研究资料和区域降雨情况，将风险等级R分为高、中等、低、极低4个标准，所对应的取值区间为>1.5、1.5-1.25、1.25-0.75、<0.75。统计分析不同风险等级和不同降雨重现期的分布状况，见表4。

从表4可以看出，在设计暴雨情况下，随着降雨强度的大低风险区域不断减少，极低风险保持不变，而中等高高风险区域不断增多；在实测暴雨情况下，20130915场次降雨潮位较高、历时较长，较其它两场次降雨高、中等和低风险面积大。在降雨强度方面，20160902场地显著高于20150806场次。由此表明，对于依山傍海的葫芦岛地区，潮位随降雨历时的延长而增大，内涝程度随降雨强度的提升而增强。

表4 葫芦岛市城市内涝风险评估

4 结 论

1) 从建模流程和基本原理2个方面详细分析了PCSWMM模型，通过计算分析3场次20130915，20150806和20160902潮位及暴雨过程，发现模型的可靠性和模拟精度较高。

2) 对葫芦岛排水现状能力利用3场实测降雨及4种降雨组合进行评估，发现葫芦岛市低于1a一遇排水能力的系统管网为84.1%。一维管网超载和检查井溢流情况随着降雨历时与潮位的增大、降雨强度的提升而增强。

3) 对葫芦岛城市内涝风险利用3场实测降雨及不同设计重现期50a、20a、10a、5a一遇24h降雨组合进行评估，研究表明对于依山傍海的葫芦岛地区，潮位随降雨历时的延长而增大，内涝程度随降雨强度的提升而增强；设计降雨为50a一遇情况下，处于高、中等、低封面的面积比分别为6.30%、11.02%、7.96%。评估结果能够基本反映区域洪涝灾害的风险程度，可为区域防洪治理规划和防汛调度安全提供科学的指导。