城镇化对杭州临安区小河流洪水特性的影响研究

(浙江丰铎建设有限公司，浙江 杭州 311300)

伴随着城镇化进程的加快，一系列气象水文环境也随之发生变化。城镇化对小河流下垫面的改变等人类活动的影响，使得洪水特性较天然流域发生较大变化，对山区特殊的气候地理环境，影响尤为突出，给城镇化后河道的行洪安全带来极大隐患，因此需要对城镇化前后山区小河流的洪水特性进行研究[1-4]。

山区小河流在天然情况下，河水特性主要受降雨因素的影响，由于山区河流流域面积小，调洪能力有限，极易发生洪水；同时受下垫面和生态环境的影响比较敏感。城镇化之前的山区地形起伏较大，溪流深切，且植被覆盖率、地表透水率等均较大；而城镇化后，下垫面条件均产生较大变化，再加上城市雨水管网的汇入等综合因素的影响，使得产汇流发生改变，从而改变河道的洪水特性，对工程设计产生影响。本文采用分布式水文模型SWMM[5-9]对杭州西部山区城镇化前后的小河流洪水特性进行了对比研究，可为类似地区的城市河道工程设计洪水计算提供理论指导及经验借鉴。

1 研究区概况

研究区位于杭州西部临安区，其中南苕溪发源于太湖源镇临目马尖岗，该地区呈南高北低、中间低东西高的整体态势，地下水主要为松散土体孔隙水和基岩裂隙水，岩层主要为砂岩、泥岩；研究区属于亚热带季风气候，多年平均降水量为1100mm，降雨主要集中于5—8月，平均蒸发量为1080mm,多年平均日照数为1200h,平均气温为18.8℃。近年来，由于社会经济发展较快，推动其城镇化进程，其城镇化前后的用地布局比例见表1。

表1 城镇化前后的用地布局比例情况

2 SWMM模型理论

2.1 SWMM模型简介

SWMM模型(即暴雨洪水管理模型)是一个动态的降水-径流模拟模型，主要用于模拟城市某一单一降水事件或长期的水量和水质模拟；SWMM模型含有多个子模块，每个模块之间既可相互独立，又可相互联系。本文主要采用降雨、产流、地表汇流以及管网汇流4个模块。其中，降雨模块常用的方法有CHM法(即芝加哥暴雨过程线法)、Huff 法、矩法和三角形法等，本文采用芝加哥暴雨过程曲线法；产流模块则是将研究区域分为透水和不透水区域，主要包括下渗和填洼两部分计算过程(本文采用Horton公式计算后损)；汇流模块采用非线性水库法，建立计算公式；管网模块采用常规水动力学方法，建立并求解圣维南方程组。

2.2 城镇化前后SWMM 模型建立

研究区城镇化前主要以绿地、耕地为主，建筑物较少，植被覆盖率高，对径流拥有较强的截蓄能力，对地下水的补给也较强，因此产流历时比较长，产流量较小，径流系数低，故将研究区划分为8个模型块。而研究区城镇化后，由于城市管网的汇入以及工程建设导致的地形变化，汇水面积有所增加(较城镇化前增加约0.65km2),不透水面积增大导致雨水下渗较少，洪峰值增大，径流系数也随之增大，故而将研究区划分为16个模型块。研究区城镇化前后的模型分块结果见图1。

图1 研究区城镇化前后模型分块情况

当地多年降雨统计资料显示，降雨历时为2h的降雨场次最多，故分别选择重现期为5a、20a、50a、100a的降雨情景(历时时间均为2h)，雨峰系数r取值为0.375，采用CHM法模拟得到的降雨过程历时曲线见图2[10]，从图2可以看到，随着重现期的增大，其最大降雨强度从4mm/min增加至6.5mm/min，但出现最大降雨强度的时间均在40～50min之间，这和实际情况相符。

根据经验及参考资料，本文对研究区城镇化前后的产流模块计算参数取值情况见表2。汇流及管网模块均为前文所提的常规计算方法。

图2 模拟不同重现期下的降雨历时曲线

参数名称区 域城镇化前城镇化后粗糙系数不透水区域0.14～0.40.14～0.4透水区域0.0270.027～0.1河道0.0350.022洼蓄值不透水区域1.27～2.54mm2.54mm透水区域2.54～5.08mm5.08mm

续表

3 城镇化前后SWMM降雨径流模拟结果对比分析

3.1 模拟结果对比分析

不同重现期下，城镇化前后洪峰流量历时曲线见图3。从图3可以看出城镇化前后的洪水特性有较大区别，且主要表现在以下3个方面：

a.城镇化对洪水峰值的影响：城镇化后，下垫面发生较大变化，流域内草地、耕地等透水面积减少，路面、建筑物等不透水面积增加，对洪水的蓄滞作用减弱，同时由于下垫面及地形条件变化，导致各模型计算参数值(如曼宁系数、粗糙系数)发生变化，故而使得城镇化前后的洪水峰值有较大改变，城镇化后的流域出口断面洪峰流量值均较城镇化前有所增加，增幅约4.9%～17%，见图4。

b.城镇化对洪水历时的影响：城镇化后，流域下垫面发生重大变化，特别是对汇流条件产生较大影响，地形条件、不透水区域面积以及管道汇流参数等是影响洪水历时的主控因素，不透水区域面积越大，该区域的产流时间越短，净雨量汇入管道的时间越小，即缩短了流域洪水峰值到来的时间，从图3城镇化前后峰值出现的时间长短及整个历时上均可以看出。经对比计算，相同雨情条件下，城镇化后的洪水历时较城镇化前缩短约4.2%～8.3%。

图3 不同重现期下的洪水过程历时曲线

图4 城镇化前后洪峰流量对比

c.城镇化对洪水过程的影响：从图3可以看出，由于流域下垫面因素的重大改变，使得产流时间减短，同时滞蓄作用减弱，使得洪水退却时间也提前，形成来得快、去得快的洪水过程特性，即城镇化后的洪水过程曲线更“尖瘦”。

3.2 模拟结果可靠性及合理性分析

为了验证SWMM模型在该地区的适用性和合理性，采用水利部推荐使用的推理公式与SWMM模型计算结果进行对比分析。推理公式见下式：

式中Qm——计算洪峰流量；

ψ——计算径流系数值(文中取值)；

SP——汇流历时时间；

F——计算汇流的面积大小。

将相关计算参数代入公式，得到城镇化前后的洪峰流量，与模型计算结果对比，见表3。从表中可以看出，不论是城镇化前还是城镇化后，都与水利部推荐适用的推理公式计算得到理论洪峰流量相差不大，城镇化前、后计算结果相差仅1.7%和1.2%，可见SWMM模型计算结果合理可靠。

表3 城镇化前后SWMM模型洪水计算结果与推荐公式计算结果对比

4 结 论

文章运用SWMM模型对杭州临安地区山区小河流城镇化前后的洪水特性进行了详细分析，主要结论如下:

a.城镇化前后下垫面条件的变化，是影响流域洪水特性变化的主要原因，下垫面及地形的变化，导致径流系数发生较大改变，从而流域的产汇流发生重大改变。

b.城镇化后与城镇化前相比，其洪峰流量值增大约4.9%～17%，洪水历时缩短4.2%～8.3%，洪水过程历时曲线呈“尖瘦”状，即表现为来得快、去得快的洪水过程特征。