基于SWMM模型的城市内涝成因分析

丁青云　习雪飞

摘要：为探索城市内涝形成原因，研究城市雨洪的形成机理及排水系统的负荷能力，选取杭州西湖区之江新城作为研究对象，以2021年3月19日研究区典型场次降雨为例，采用SWMM模型进行了内涝模拟，并从水量平衡、管道满载和溢流点等方面进行了分析。结果表明：之江新城73.2%的降水量形成了地表径流；进入管道的水量中，48.2%的水量经管道直接排入河道，37.3%的水量从雨水井溢流，剩余的水量保留在管道中；50%的管道已经满管，15.2%井点溢流。研究成果说明城市下垫面的改变会使产流量增加，城市排水系统能力不足会引起城市内涝风险。

关键词：城市内涝； SWMM模型； 水量平衡； 排水系统

中图法分类号：TU992 文献标志码：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2024.04.005

文章编号：1006-0081（2024）04-0031-04

0 引 言

随着城市化进程加快和人口密度的不断增长，降雨带来的水文和水质问题对城市水体的影响日益显著，城市内涝已成为继人口拥挤、交通拥堵、环境污染之后的重大城市问题［1］。近年来，“城市看海”现象频繁发生。2021年河南郑州“7·20”特大暴雨灾害造成了巨大的人员和财产损失［2］。因此，通过城市内涝模拟分析以提前制定相应的干预措施至关重要，内涝治理一直是近年来研究的重难点［3-4］。许多学者采用不同的方法对城市内涝模拟进行了研究［5-6］。然而，因城市雨洪具有随机性和突发性，导致预测预警不够精准、内涝成因尚不明晰，故无法采取精准的干预措施。因此，本文选取杭州西湖区之江新城为研究区域，搭建SWMM模型开展城市内涝分析，从水量平衡、管道满载和溢流点等方面，探索城市内涝成因。

1 研究方法

1.1 模型介绍

SWMM模型具有免费开源和功能全面的特点。模拟输出具有较好的灵活性，可以跟踪模拟不同时间步长任意时刻内每个子流域所产生径流的水量水质，以及每个管道和河道中水的流量、水深及水质等情况。SWMM模型通用性较好，对城市化地区和非城市化地区均能进行水文水质模拟，适用于排水系统相对复杂的区域模拟；在有地表信息和地下管道数据的情况下，既可对小流域进行模拟，也可对较大流域进行模拟［7］。基于上述优点，SWMM是目前经过验证的在国内外广泛应用的城市雨洪模型［8-10］。

1.2 计算流程

降雨后，地表-管网-河道水量循环全生命周期如图1所示。地表的水会经雨水箅子或雨水井点排入管网。当管網中的水满载，达到其承载能力时，一部分水会溢流再次进入地表，还有一部分水会经过出口排至河道。但是，当管网出口为淹没出流时，管网中的水因受河道顶托作用无法排出，河道中的水会反流进入管网，进一步加重了管网中的水溢流至地表，而地表中的水会排入附近的河道，当河道中的水超过堤顶高程时，会出现漫堤涌入地表，遇到地势比较低的地方就会出现内涝。基于上述的水量循环原理分析，梳理模型计算主要流程见图2。

根据SWMM模型特点，选择合适的模块对雨洪进行模拟，主要包括降雨模块、地表径流模块、管网汇流模块（图3）。模型计算时，将河道概化为管网，通过设置不同的断面形状，采用管网汇流模块进行河道演进计算。

1.3 建模数据

模型搭建和参数率定涉及以下资料：

（1） 降雨资料。包括实测降雨和设计暴雨，其中设计暴雨选用当地的城市设计暴雨公式，结合芝加哥雨型进行计算。

（2） 排水系统资料。包括雨水管段、雨水节点，数据属性主要包括长度、管径（或长与宽）、管道起始端的高程，雨水井或者检查井深度、地面高程。

（3） 下垫面数据。包括土地利用类型、地形数据等，用来辅助子汇水区离散化划分及其相关属性参数的计算。

（4） 边界数据。主要是排水出口边界。当没有边界数据时，模型默认把排水出口作自由出流处理。

2 实例应用分析

2.1 模拟范围选取

西湖区位于杭州市西部，辖区东西最大距离17.54 km，南北最大距离30.88 km，总面积312 km2。西湖区辖北山、西溪、灵隐、翠苑、文新、古荡、转塘、留下、蒋村、西湖10个街道（其中西湖街道由西湖风景名胜区托管）和三墩、双浦2个镇。辖区内有西山国家森林公园、西泠印社、之江国家旅游度假区等知名景区景点；是国家级园区集聚区，包括之江国家旅游度假区、国家高新技术开发区（江北区块）、浙大国家大学科技园、中国美院国家大学科技园、西溪国家湿地公园和西山国家森林公园。

之江新城属于西湖区的一部分，由于该区域处于同一汇水区且收集到的管网数据较完整，因此本研究选取以之江路、之浦路、云河路、绕城高速为边界范围的之江新城区域进行管网模型搭建，如图4所示。

2.2 模型参数率定

SWMM模型的参数主要分为产流过程参数、汇流过程参数两类。产流模块率定的参数包括地表洼蓄量、入渗模型参数，其中入渗模型采用Horton渗透模型。汇流模块率定的参数包括曼宁粗糙率。依据SWMM模型参数选取参考文献报道的经验值以及研究区域地表特征来确定率定的参数。因收集到的水雨情数据有限，本次模型率定采取现场调查的内涝位置、内涝时间、内涝深度，与模型模拟结果进行对比验证，从而率定相关模型参数。具体数值见表1。

其他参数根据实际情况计算得到，如子汇水区不透水率，根据研究区域的影像图和地类分布采用下式计算：

不透水率=1-（A×0.8+B×0.85+C×0.1+D×0.12+E×0.6）/（A+B+C+D+E）

式中：A为水系面积；B为绿地面积；C为道路面积；D为建筑面积；E为裸地面积。

根据收集到的管网数据对雨水井属性（包括节点高程及地面标高）和雨水管道属性（包括管径及管道坡度）进行参数赋值。

2.3 模拟结果分析

选取了2021年3月19日研究区典型场次降雨作为模型计算场景，以通过模拟方法展现暴雨内涝特征，分析暴雨径流排放、管网态势，辨识区域内涝问题的成因。

2.3.1 水量平衡分析

根据2021年3月19日降雨的模拟结果，由水量变化可看出，因城市化进程的加快，使之江新城下垫面不断改变，不透水面积增加，73.2%降水量形成了地表径流，导致城市内涝形势严峻。作为城市收纳雨水的重要对象——地下雨水管道，经模拟进入管道的水量中，48.2%的水量经管道直接排入河道，37.3%的水量从雨水井溢流，剩余的水量保留在管道中（表2）。

2.3.2 管道满载分析

根据2021年3月19日降雨模拟结果，挑选雨峰时刻进行雨水管道满载情况分析，如图5所示。从图5中可看出，约1/2的管道已经满管，意味着雨水井的蓄水能力逐渐变小，当达到其最大深度，即会出现溢流情况。

2.3.3 溢流点分析

根据2021年3月19日降雨模拟结果，发现1 375 个雨水井点中有209个井点溢流，达到15.2%，如图6红色圆点所示。

2.4 内涝成因分析

根据模拟结果分析得出该区域内涝成因主要包括以下几个方面：① 因不透水面积增加，短历时强降雨大部分变为地表径流；② 内河水位高导致管道淹没出流，排入管网的水只有接近50%最终流入河道；③ 河道未按照规划实施，导致水网不连通；④ 管道出口附近没有河道，使得管道雨水无序散排，不能就近排入河道，造成积水；⑤ 有近50%的雨水管出现满管情况，设计标准不足。

通过对西湖区防洪规划的深入了解，得出内涝主要是以下几个方面导致。

（1） 城市化给城区排涝带来不利影响。随着城市化进程加快，原来部分河道水面被填埋，鱼塘与农作物种植区转变为城市建设用地，调蓄容积减少。另一方面，由于城市道路、公建设施、居民住宅密集，地面硬化率较高，城市下垫面降雨汇流特性发生了变化，产流时间缩短、产流量增加等诸多方面均增加了城市内涝的风险。

（2） 城市基础设施建设降低了原有河道的排水能力。城区河道交叉建筑物多，部分道路建设时将原有的排水通道仅用一个小涵洞代替，建桥时大规模缩窄河道断面，或在河道中设置阻水桥墩，造成桥涵阻水严重，限制和削弱了输水能力，也制约着排涝闸排水能力的正常发挥，使原有的排水骨干河道网络系统在城市建设中支离破碎，无法发挥正常的排水作用。

由此可见，根据模拟结果与基于城市规划得到的内涝成因分析是基本吻合的，说明可将该项研究用于城市内涝预测预警中，进而提高城市内涝风险管理水平。

2.5 合理化建议

针对内涝形成原因，坚持以问题导向为原则，建议从以下几个方面治理：① 增加绿化面积，提高透水率；② 根据气象预报降雨，做好河道水位调控，合理降低水位，减少因河道顶托使管道出口排水不畅问题；③ 严格按照规划实施河道治理，增加水网的连通性；④ 增加人工河道，确保管道出口，能将雨水就近排入河道；⑤ 雨水管网改造，增加管道的蓄水量；⑥ 根据城镇规划布局、地形，结合竖向规划和城镇受纳水体位置，按照就近分散、自流排放的原则进行汇水区划分和系统布局。

3 结 语

本研究旨在将SWMM模型应用到城市内涝模拟分析中，通过水量平衡、管道满载和溢流点分析，得出研究区域内涝形成的原因，并提出了相应的合理化建议，为城市内涝治理提供了一条可供参考的方法。但是，由于所收集的典型降雨过程数据有限，因此今后还需要进行更深入的研究和验证，以确保城市内涝模拟分析的精准度和可靠性。

参考文献：

［1］王伟武，汪琴，林晖，等.中国城市内涝研究综述及展望［J］.城市问题，2015（10）：24-28.

［2］刘昌军，吕娟，翟晓燕，等.河南“21·7”暴雨洪水风险模拟及对比分析［J］.水利水电快报，2021，42（9）：8-14.

［3］杜经纬，王昊，王浩，等.短历时雨型对城市排水管网运行状态影响研究［J］.人民长江，2023，54（4）：108-113，162.

［4］潘正可，李翔泉.基于SWMM模型的管网雨污分流改造效果评估研究——以湖南省益阳市秀峰湖片区为例［J］.水利水电快报，2022，43（6）：110-116，124.

［5］刘媛媛，刘业森，郑敬伟，等.BP神经网络和数值模型相结合的城市内涝预测方法研究［J］.水利学报，2022，53（3）：284-295.

［6］夏军，张印，梁昌梅，等.城市雨洪模型研究综述［J］.武汉大学学报（工学版），2018，51（2）：95-105.

［7］梅超，刘家宏，王浩，等.SWMM原理解析与应用展望［J］.水利水电技术，2017，48（5）：33-42.

［8］徐慧珺.基于SWMM模型的南京典型區雨洪模拟研究［D］.南京：南京师范大学，2018.

［9］黄诚，张晓祥，韩炜，等.基于SWMM模型及GIS技术的城市雨洪调控情景模拟——以镇江市城区为例［J］.人民长江，2022，53（4）：31-36.

［10］刘成帅，孙悦，胡彩虹，等.考虑产流模式空间分布的流域-城市复合系统洪水预报模型［J］.水科学进展，2023，34（4）：530-540.

（编辑：江 文）

Cause analysis of urban waterlogging based on SWMM model

DING Qingyun1，XI Xuefei2

（1.Zhejiang Water Conservancy and Hydropower Technical Advisory Center，Hangzhou 310020，China； 2.Zhejiang Dayu Information Technology Limited Company，Hangzhou 310020，China）

Abstract： In order to explore the causes of urban waterlogging，the formation mechanism of urban waterlogging and the load capacity of drainage system，Zhijiang New Town of Hangzhou West Lake District was selected as the research object.Taking the typical rainfall in the study area on March 19，2021 as an example，the SWMM model was used to simulate the waterlogging，and the water balance，pipeline full load and overflow point were analyzed.The results showed that 73.2% of precipitation can generate the surface runoff，48.2% of water entering the pipeline was discharged directly into the river through the pipeline，37.3% of the water overflowed from the rainwater well，and the remaining water was retained in the pipeline.50% of the pipe was full，and 15.2% of the well point was overflowed.The results indicated that increased production flow due to the change of the underlying surface of the city and the insufficient capacity of the urban drainage system caused the risk of urban waterlogging.

Key words： urban waterlogging； SWMM model； water balance； drainage system

收稿日期：2023-10-13

作者簡介：丁青云，男，硕士，主要从事水文学及水资源研究工作。E-mail：dqy0505@qq.com