基于SWMM模型的大理市山地公园子汇水区雨洪特征分析

卢垚　杨茗琪

摘要 选取大理市下关组团5例山地公园的56例子汇水区为研究样本，通过SWMM5.1软件建立研究样本的雨洪管理模型。模拟025、1、3、5、10 a 5种不同降雨重现期下的径流排放过程，对G型、H型、C型3类子汇水分区的地表产流、径流峰值、径流系数进行对比分析。以研究样本现状雨洪特征为依据，为今后集雨型设施提供相应设计策略。

关键词 大理市;山地公园;SWMM模型;子汇水区

中图分类号 TU984文献标识码 A文章编号 0517-6611（2020）13-0202-05

Abstract 56 cases of watersheds in 5 mountain parks in the Xiaguan Group of Dali City were selected as the research samples， and the rainwater management model of the research samples was established by using SWMM5.1 software. Simulations were performed on 0.25， 1， 3， 5， and 10 a. The runoff discharge process were designed during five rainfall recurrence period， and the surface runoff，runoff peak，and runoff coefficient of G，H，C，and 3 subcatchment subregions were compared. Based on the research sample current rainfall characteristics， the research provided corresponding design strategies for future raincollection facilities.

Key words Dali City;Mountain Park;SWMM model;Subcatchment area

过度城市化致使大量原生环境被破坏，硬质化地表面积增大，使得雨水无法下渗至土壤层回补地下水，并超过城市排水管网负荷，在短时间内形成大量地表径流，引发洪涝灾害[1];山地城市因其特殊的山地環境，降雨径流量通常区别于平原城市[2]。大理市作为山地城市的代表，同时也处于城市化高度扩张的阶段，与国内多数城市现状[3-5]类似，因为传统“快排”模式破坏了原有生态系统，导致内涝时常发生，雨水径流污染加剧。笔者通过SWMM5.1软件建立山地城市公园雨洪管理模型，并对现状地表径流场景进行模拟分析。

1 研究区概况及样本选择

1.1研究区概况

大理市位于云南省滇西中部，为典型的亚热带高原季风气候[6]，降雨量年际变化相对明显，雨季于6月下旬末开始，降雨集中于主汛期7～8月，对城市内涝造成压力。大理市是典型的山地城市，山地面积占67.27%，部分公园绿地修建于山地之上，具有较强的典型性。

1.2 研究样本的选择

以大理市下关组团为研究区域，选取组团内5例山地公园作为研究样本，样本面积为2～58 hm2。平均坡度以平缓坡和陡坡为主，坡度从2°到29°不等。5例山地公园在规模、坡度分布上均具备典型性。其中，洱海公园占地面积57.79 hm2，平均坡度为3°～29°，水体面积0.1 hm2;雄风塔公园占地面积7.96 hm2，平均坡度为7°～21°，无水体;龙山公园占地面积8.95 hm2，平均坡度为3°～17°，水体面积0.02 hm2;明珠公园占地面积8.78 hm2，平均坡度为2°～10°，无水体;文庙公园占地面积2.62 hm2，平均坡度为3°～14°，无水体。

2 子汇水区划分及分类

2.1 子汇水区划分原则

对于构建合理的雨洪管理模型，对5例公园进行子汇水分区，成为其中的核心步骤之一，且划分时应遵循以下4项原则[7]：①汇流方向应依据现状地形坡度确定，且各子汇水区的地表径流和排水系统在地形上仅有唯一的汇流出口。②子汇水区的边界划分通常以研究区实际的高程分界点、地形脊线、排水管网、园路等因素作为划分依据。③若子汇水区中存在铺装场地，一般而言包括1～2处场地空间，应充分结合场地的实际情况，其面积从几百平方米到几公顷不等。④若汇水区均为绿地，无场地空间，且考虑到绿地相对其他类型下垫面产流量相对偏低。为了便于对比各子汇水区间径流特征的差异，通常划分规模从几千平方米到几公顷不等。

2.2 子汇水区分类

按上述划分原则将研究的公园样本总共划分为56个子汇水区。基于其下垫面类型、坡度、汇流出口、不透水率等要素差异，将56例子汇水区划分为3类，分别为G型（绿地型）、H型（混合型）和C型（场地型）。其中，G型下垫面以绿地为主，无铺装场地，硬质不透水率小于15%，汇流出口在园路或水体，共计31例，平均坡度为10°～15°，面积为1 000～74 000 m2;H型下垫面由硬质铺装、场地、绿地或水体组成，硬质不透水率小于50%，汇流出口在场地、园路或水体，共计22例，平均坡度为3°～12°，面积为2 000～41 000 m2;C型下垫面以场地为主，硬质不透水率大于90%，汇流出口在场地，共计3例，平均坡度为5°～8°，面积4 000～8 000 m2（表1）。

3 SWMM产流分析模型的构建

利用SWMM模型平台，基于公园地形特征、排水设施分布进行汇水分区布局[8-9]。按照子汇水分区划分原则，将5个公园的56例子汇水区在SWMM平台上进行划分界定，并依据现状资料布设汇流出口节点及排水系统，完成公园汇水区域概化（图1）。

4 模拟结果与分析

4.1 现状地表径流场景模拟结果

地表径流模拟结果是反映研究区内下垫面类型对径流量的影响。理论上，地表径流量是指降雨量减去蒸发量、地表蓄水量和入渗量以外，经地面汇入河流的雨水[10-11]。基于0.25、1、3、5、10 a不同重现期研究区地表径流模拟结果见表2。

由表2可知，降雨重现期越大，总降雨量、总径流量、总入渗量和径流系数均逐渐增大，但即使降雨强度一直不断增加，但总蒸发量和总入渗量一直较为稳定。这表明研究区内的地表对降雨径流的蒸发和入渗能力有限，特别是当重现期P大于1 a时，蒸发和入渗情况基本达到饱和状态。

年径流量控制率与降雨强度的关系呈负相关。当重现期为0.25 a時，年径流量控制率为77.67%。随着重现期的增大，年径流量控制率呈缓慢下降趋势;当重现期为10 a时，年径流量控制率仅为36.31%。

由表2中0.25、1、3、5、10 a不同降雨重现期下模拟的地表径流数据可知，降雨量的强度将直接影响地表径流大小，二者具有较大的关联性。当重现期P=0.25 a时，总降雨量达到10.243 mm，径流峰值达到3.3 m3/s;当重现期P=1 a时，总降雨量达到27.164 mm，径流峰值达到19.5 m3/s;当重现期P=3 a时，总降雨量达到40.568 mm时，径流峰值达到37 m3/s;当重现期P=5 a时，总降雨量达到46.806 mm，径流峰值达到47 m3/s;当重现期P=10 a时，总降雨量达到55266 mm，径流峰值达到59 m3/s。以上数据充分表明，当降雨强度增大时径流量也呈正相关递增。5次不同降雨重现期下径流峰值发生的时间介于70～75 min。

4.2 各类型子汇水区现状地表径流模拟结果及分析

通过对比分析，不同重现期下各类型子汇水区地表径流模拟结果如表3所示。

Note：G.Greenland type;C.Site type;H.Mixed type

4.2.1 地表产流量特征对比分析。

根据不同重现期各类子汇水区的总径流量（图2），确定不同重现期可实施径流管控的主要对象。当P=0.25 a和P=1 a时，G型（绿地型）、H型（混合型）、C型（场地型）子汇水区的单位面积产流呈递减趋势。所有样本中，G型总面积占60%，总径流量占17%;H型总面积占35%，总径流量占65%;C型总面积仅占5%，总径流量为18%。这表明当P=0.25和1 a，H型和C型子汇水区是地表产流量较明显的类型，同样也表明在雨洪管理中二者将成为重点管理对象。G型相对于前二者，径流更易于控制。

随着重现期的增加，在P=3 a、P=5 a、P=10 a时，C型的的单位面积流量最大，而G型与H型子汇水区产流特征相对均衡。在P=3 a、P=5 a、P=10 a重现期的对比下，G型总径流量整体上呈递增趋势;H型与C型总径流量整体上均呈递减趋势。这表明当P=3 a、P=5 a、P=10 a时G型子汇水区成为雨洪管理的重要类型。

4.2.2 径流系数对比分析。

不同重现期下对子汇水区的径流系数进行对比（图3），显示出各类子汇水区下垫面对暴雨的截流作用。当P=0.25 a、P=1 a时，通常子汇水区的径流系数相对恒定，说明此时绿地地表径流基本下渗。当径流系数呈现C型>H型>G型的变化特征时，表明当P=3 a、P=5 a、P=10 a时，3类子汇水区雨水截流作用越强，硬质占比越低。

当重现期在P=3 a、P=5 a、P=10 a时，C型的的径流系数最大，H型和G型系数无明显差异。随着重现期的增加，G型的径流系数从0.136增加到0.377，H型的径流系数从0505增加到0.711，说明G型和H型子汇水区的下垫面对雨水截流的强弱差异减弱。

4.2.3 径流峰值特征对比分析。

不同重现期下对子汇水区的径流峰值进行对比，显示出各类子汇水区的瞬时流量和发生径流峰值的时间。当P=0.25 a和P=1 a时，C型、H型、G型子汇水区的径流峰值呈现由强到弱的趋势，产生径流峰值的时间均为65～77 min，径流峰值出现后产流量逐渐减少。当重现期在P=3 a、P=5 a、P=10 a时，C型的径流峰值相对其他2种类型达到最大，峰值时间出现在70 min，G型和H型的径流峰值无明显差异。

4.3 各类型子汇水区产流影响因素关联性分析

4.3.1 不透水率因素。

当重现期为P=0.25 a和P=1 a时，不透水率越大，单位面积流量越大，二者存在明显的正比关系。当不透水率越大，径流系数也与之也存在正相关。随着重现期的增加，不透水率与单位面积流量以及与径流系数之间的正相关关系不及P=0.25 a和P=1 a时显著。当P=025 a和P=1 a时，不透水率是影响径流系数和单位面积流量的关键因素。

由于G型子汇水区不透水率普遍低于H型和C型，故当P=0.25 a和P=1 a时单位面积流量明显少于其他2种类型。C型子汇水区分布较为单一，但因下垫面多为硬质铺装，不透水率较大，故单位面积流量较大。

4.3.2 面积因素。

各类型子汇水区的平均面积数据G型大于H型和C型，且当子汇水区面积越大，径流总量与径流峰值越大，三者存在正相关，并且随着重现期的增加，正相关关系更为显著。当G型子汇水区面积平均增加15%，随重现期的增加，各子汇水区径流总量约增加1.1%、1.3%、1.6%、23%和5.1%;各子汇水区径流峰值约增加0.7%、0.9%、13%、2.3%和3.7%。

4.3.3 坡度因素。

当子汇水区坡度越大时，单位面积流量、径流系数与径流峰值越小。因为坡度与不透水率二者相关，且呈负相关。通过对比子汇水区参数发现，当坡度越大时，不透水率越小。当子汇水区其他参数不变时，仅坡度参数增加，且随着重现期的不断增加，子汇水区总径流量、径流系数、径流峰值也呈显著增长趋势。当G型子汇水区平均坡度增加10%～15%，P=0.25 a和P=1 a时产流量略有变化。当P=3 a、P=5 a和P=10 a时，子汇水区总径流量约增加06%、0.9%和1.7%，径流系数增加约0.7%、1.3%和2.1%，径流峰值增加2.7%、3.6%和5.1%。

5 结论与讨论

利用SWMM模型建立研究区样本的雨洪管理模型，模拟了0.25 a、1 a、3 a、5 a、10 a，5种不同设计降雨重现期的降雨径流情况，并对地表产流、径流系数、径流峰值特征进行对比分析。模拟结果显示：①随着降雨重现期的增加，总降雨量、总径流量、总入渗量和径流系数均逐步增大，但总蒸发量和总入渗量一直较为稳定。此现象表明研究区的地表对降雨径流的蒸发和入渗能力有限，特别当重现期P大于1 a时，蒸发和入渗情况基本达到饱和状态。②随着重现期的增加，C型的单位面积流量最大，G型和H型产流相对均衡。③随着重现期的增加，G型和H型的下垫面对雨水截流的强弱差异减弱。④随着重新期的增加，C型的径流峰值相对其他2种类型达到最大，当峰值时间出现在70 min，G型和H型的径流峰值无明显差异。该研究选择的研究区虽已具备典型山地城市的特征，但由于地形、地质、气候等影响因素，我国各山地城市及山地公园之间亦存在一定的差异，故该研究结论不完全适用于其他山地城市，今后在山地城市集雨型设施研究中还需因地制宜地进行思考。

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