杭州市重现期暴雨情景下内涝灾害空间分布模拟分析

薛丰昌 江健 田娟 张嫣然

引言

在我国城镇化快速发展及全球气候变化背景下，极端降水引发的城市内涝时常发生，暴雨内涝成为我国许多城市的主要气象灾害，严重影响城市居民生活，进行城市内涝模拟制图，对于城市管理以及防灾减灾具有重要意义。

暴雨洪水管理模型（storm water management model，SWMM）由美国环保署（EPA）和加拿大水力计算中心（CHI）共同研发，对城市排水系统有很强的模拟计算功能。黄子千等以北京市乐家花园排水区为研究对象，构建了基于SWMM的城市雨洪管理模型，结果表明SWMM模型对城市排水管网模拟具有良好的适用性；梁汝豪等应用SWMM模型，构建了广州市猎德涌流域的雨洪模型，模拟了不同城市化程度情境下的地表径流；曾照洋、张继权、曹梦然、付超、廖正敏等基于SWMM模型进行了城市暴雨内涝模拟。以上研究表明，SWMM模型是目前应用较为广泛、具有较好适用性的城市雨洪模拟分析模型，目前在我国缺乏自主研发该类模型的情况下，该模型对于探索城市洪涝数值模拟具有很好的借鉴意义。

利用SWMM模型进行城市雨洪数值模拟需要有较为精细的城市地理空间数据支撑，其中城市排水管网数据是主要制约性数据，一方面在研究工作中很难获得一个城市的完整排水管网数据，另一方面城市排水管网数据量大，数据琐碎，数据缺失严重，处理形成满足SWMM建模需要的排水管网数据需要耗费大量人力、物力。

本文探索基于数字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）利用SWMM模型管网模拟建模功能，建立模型化城市排水管网，结合城市地形地貌、土地利用等数据建立杭州市本地化暴雨积涝仿真模拟模型，模拟8种重现期（3年、5年、10年、15年、20年、30年、50年、100年）雨量下的杭州城市内涝地表积水深度和积水空间分布，研究建立降雨风险视角下的城市积涝状况数值模拟的技术方法。

研究区概况与数据资料

（一）研究区概况

杭州地处东经 118°21′—120°30′、北纬 29°11′—30°33′之间，属于亚热带季风气候区，四季分明，雨量充沛，年平均降雨量1454毫米左右。5—9月是主汛期，降水量占全年总降水量的58%，其中5—7月上旬是梅汛期，易出现暴雨洪涝，降水量占全年总降水量的31%；7—9月为台汛期，降水量占全年总降水量的32%，台汛期杭州东北部易出现台汛期暴雨洪涝。

（二）数据资料

1.遥感影像数据：分辨率为2m的杭州市主城八区高分一号卫星数据，对数据进行配准、几何校正和影像拼接，进行土地利用类型提取；

2.数字高程模型（DEM）：杭州市主城八区1:10000比例尺DEM；

3.其他空间数据：杭州市主城八区行政边界数据、道路数据、水系与水域分布数据、基础设施数据（交通设施和建筑物）；

4.降水数据：杭州市53个气象站点近十年逐小时降雨量数据；

5.验证数据：本文选取2012年6月1日、2013年6月24日、2019年6月19日三个暴雨场次进行结果验证。

SWMM模型是一个动态的降水—径流模拟模型，主要用于城市某一单一降水事件或长期的水量和水质模拟。基于SWMM模型构建城市内涝仿真模拟模型主要包括4个方面：排水能力模拟模型建立，下垫面水文因子提取，汇水区划分，模型参数确定。

（一） 排水能力模拟模型建立

排水管网是当前城市地区在降雨期间防洪排涝的重要基础设施，大部分城市的排水管网由于归属不同的管理部门且出于安全性的考虑，往往数据并不完全公开。针对管网资料缺失这一问题，目前城市洪涝模拟中主要采取削减降雨和增大下渗两种解决方法，这两种方法均属于估算方法，准确性较低。

本文基于全域等效排水方法，利用PCSWMM软件根据地面高程落差，根据水流方向特征生成等效排水管网，其由等效排水管道、等效管网节点、等效汇水井、汇水单元组成，如图1所示。为进一步提高模拟精度，根据浙江省2014年版《城镇防涝规划标准》:浙江省城市建设雨水管网的设计暴雨重现期为3年，对模型模拟出来的等效排水管网数据排水能力以杭州市三年重现期雨量排水能力进行订正，最终的管网分布状况如图2所示。

图1 等效排水处理单元

图2 等效排水管网分布

（二）下垫面因子提取

下垫面因子提取主要包括两部分，即基础地理信息数据的处理和地表水文因子的处理。基础地理信息数据包括城市矢量边界数据，高分辨率遥感影像，道路数据，基础设施数据，高程数据等。利用高分一号卫星数据进行土地利用类型分类，结果如图3所示；对DEM进行伪洼地填洼处理，数据提取坡度、坡向以及水流方向等参数，计算基于水流方向的汇流累积量，形成地表水文因子。

图3 土地利用分类图

（三）汇水区划分

汇水区又称集水区，是指从地表产生径流汇集至出水口的过程中所流经的地表区域，是SWMM等城市雨洪模型的基本计算单元，划分方式的不同，会导致暴雨积涝模拟结果的准确性受到相应影响。本文利用杭州主城区的DEM数据，根据地形特征剔除了高程超过60m的山体以及面积较大的水域，在综合考虑了建筑物、道路、检查井、排水口等分布状况下，采用泰森多边形对研究区进行汇水区划分，划分结果如图4所示。

图4 汇水区划分

（四）模型参数确定

GIS结合城市雨洪模型（SWMM）进行城市内涝分析，关键工作是模型参数确定。SWMM模型中涉及的参数大致可分为两类：一类参数可以通过数据属性直接获得或者通过GIS手段分析计算取得，如汇水区面积、汇水区平均坡度、汇水区不透水面积等参数；另一类参数需要结合实地情况和调查确定，如透水区曼宁系数、不透水区曼宁系数和最大下渗率等。

依据杭州市土地利用分类结果，以汇水区为基本评价单元，对汇水区内各类地物面积进行加权平均，确定汇水区内的曼宁系数，见表1。最大下渗系数依据土地利用类型的径流系数确定。

表1 不同土地利用类型的曼宁系数

杭州市暴雨积涝风险模拟

（一）重现期暴雨过程数值模拟

利用SWMM模型进行某一重现期暴雨积涝数值模拟时，研究区暴雨面雨量以及这一雨量的时间离散序列是不可缺少的数据。

1.雨量计算

重现期（CDF)：指在一定雨量记录资料统计年限内，大于或等于某暴雨强度的降雨出现一次的平均间隔时间，是该暴雨发生频率的倒数，单位是年。

气象要素重现期一般以现有观测数据为基础，使用数理统计方法，用某种分布方式来拟合历史观测气象要素值，形成气象要素出现概率P与要素值x的分布曲线，根据某一出现概率P可求得对应的气象要素值x， 以此方法可求得多年一遇的所对应的气象要素值。本文采用耿贝尔分布函数，基于杭州市53个自动站近10年降雨观测数据，计算杭州市8种重现期（3年、5年、10年、15年、20年、30年、50年和100年）下的暴雨雨量。

2.雨型确定

降水的时间离散序列称之为雨型，根据《浙江省短历时暴雨》，利用杭州市的历史降水数据，计算其在100年、50年、30年、20年、15年、10年、5年、3年等8种重现期下的24小时雨型分布。不同重现期下24小时雨型计算结果（以国家气象站58459为例）如图5所示。

图5 不同重现期下的雨量分配情况图

（二） 重现期暴雨雨量下的积涝数值模拟

1.积水深度

通过对汇水区进行时间序列的设置以及雨量的分配，即将不同重现期下对应的雨量代入排水模型中进行积水扩散，得到多个重现期下的城市积水深度以及暴雨积涝的分布状况，其结果如图6所示。

2.空间分布

由图6（a）可知，当暴雨重现期为5年时，除萧山区和余杭区积水深度在0.15～0.3米外，其他城区积水基本小于0.15米。随着重现期的增加，暴雨积涝的情况加剧，暴雨淹没深度及积水范围不断扩大。积涝状况愈加明显的区域有：余杭区、萧山区、江干区、滨江区和下城区，其余三个城区积水深度增幅较缓。

图6 不同重现期下的积水深度状况

（三） 结果验证

降雨具有很强的时空分布不均匀性。即对于一场降雨，同样的降雨量，研究区内是否存在积涝、积涝发生的地点、积水的深度和范围都是不确定的。随着城市建设和环境治理，引发城市内涝的致灾雨量也在发生变化，因而模型的验证存在较大的困难。本文利用统计分析方法，通过对城市内涝个例的调查，将模拟得到的积水深度与实际调查的积水深度做对比，验证模型准确性。

杭州市暴雨积涝统计数据来源主要包括：（1）相关媒体新闻报道收集到的内涝位置，对比气象站点监测到的降雨数据，分析对应的积水深度；（2）当地交通部门、防汛抗旱指挥部提供的易涝点相关地理位置信息，以此作为积涝出现位置的参考依据。对于2012年6月1日暴雨场次，据杭州市防汛抗旱指挥部发布的积水分布信息，以钱塘江和道路的位置进行大概的判断，当地积水状况与模拟结果几乎一致，只是未明确给出相应的积水深度；对于2013年6月24日暴雨场次，由于暴雨突发、雨量较大，积水点主要分布在江干区、拱墅区、西湖区和滨江区，多处道路积水深度超过30厘米，对应于10年重现期下的积水分布状况，其模拟结果与发布信息基本吻合，只是未提及萧山区和余杭区；对于2019年6月19日暴雨场次，上城区、西湖区北部和滨江区降雨量最多，降雨历时长达13小时，降雨量上城区117.2毫米，西湖区81.6毫米，滨江区78.2毫米，西湖区龙门岭159.8毫米，对应重现期为5年。将此暴雨情况与模拟结果进行对比，显示为滨江区东北区域为0.15～0.30米，其余区域为0～0.15米，结果与新闻报道相对应。

结论

本文利用SWMM模型与GIS技术，研究城市暴雨积涝数值模拟理论与技术方法，以杭州市主城八区为例，基于基础地理信息数据，构建了杭州市本地化的SWMM模型，并进行参数率定与模型验证，对杭州市八种重现期下的暴雨内涝状况进行模拟重现，从统计结果与模拟结果对比来看，本文提出的城市暴雨积涝模拟制图方法具有一定的合理性和可靠性。