基于SWMM和ICM模型的城市内涝模拟分析

袁惠颖，卢 雨，杨佳丽，张沛雪

(1.北京丰台区水文和水土保持工作站，北京 100165；2.华中科技大学，湖北 武汉 430074；3.珠江水利委员会珠江水利科学研究院，广东 广州 510610；4.山西省水文水资源勘测总站，山西 太原 030001)

城市内涝是指城市地区由于降雨或其他原因导致的暂时性积水现象，是一种常见的城市水灾[1]。城市内涝不仅影响城市的正常运行和居民的生活，还可能造成人员伤亡、财产损失、环境污染和生态破坏等严重后果[2]。随着气候演变和城市化步伐的急剧加快，城市内涝问题逐渐凸显，已经成为对城市安全和可持续发展构成重要威胁的因素[3]。

本研究采用SWMM和ICM分别建立一二维城市地表淹没模型，用于分析排水管道内雨水径流以及制作内涝淹没图[4]。本研究对九种重现期暴雨进行模拟设计，精确计算并获得各个节点及管段的负荷承载能力，通过模拟城市内涝情景，可以全面了解城市在极端降雨等恶劣天气条件下的内涝风险，这有助于科学评估城市面临的灾害风险，帮助城市规划部门更好地制定针对性地预警和应急措施[5]。

1 数据与方法

1.1 研究区域及数据来源

本研究选取了北京市某特定地区作为研究范围，搜集并整理了一系列基础数据，包括航拍图数据、土地利用类型数据、水文气象数据、排水管网数据、地物高程数据以及地形高程数据。在充分考虑实际雨水管网的基础上，对管网数据的合理性、一致性和可行性进行了检验。同时，运用SWMM建立一维雨水管网模型，同时采用ICM建立地表二维淹没模型，这些模型不仅为子汇水区的划分提供了关键支持，也为进一步研究汇流参数的精细化奠定了基础[6]。

1.2 研究方法

为了分析排水管道内雨水径流情况，在高分辨率地形数据的基础上，采用SWMM和ICM分别构建城市一维雨水管网模型以及城市二维淹没模型，最终得到内涝淹没图[4]。通过对九种重现期暴雨的模拟设计，精确计算并获得各个节点及管段的负荷承载能力，将为城市防涝的规划，设计以及管理提供关键信息[6]。具体内容包括以下三个部分：第一部分，模型构建，简要介绍所运用的模型及原理；第二部分，设计降雨情景，运用一维模型进行分析，从而获取城市管网的排水能力；第三部分，进行二维模型的降雨情景分析设计，获取城市的积水面积、深度以及持续时间等淹没状况的相关信息。

2 结果分析

2.1 设计降雨情景一维模型结果分析

基于SWMM的城市雨水排水管网一维模拟，本研究针对北京市设计了不同的降雨情景。通过一维雨水管网模拟，得到模拟管段的充满度结果。为了评估排水能力是否足够满足特定重现期的降雨事件，我们以管段是否出现满管(充满度为1)为标准进行判断。例如，在p=2 a一遇的降雨情景下，如果某个管段没有出现满管情况，则说明该管段能够应对2 a一遇的降雨；相反，如果出现了满管情况，但在p=1 a一遇的降雨情景下未出现满管情况，则该管段只能满足p=1 a一遇的降雨，具体的判断流程如图1所示。表1总结了各管段数据的整合结果，详细展示了在不同重现期下，管段排水能力所占的管网长度。

图1 管段排水能力评价技术流程

表1 城市管段排水能力分级统计

根据表1的数据可知，排水能力在长度方面呈现出明显的分布差异，以管段长度为例，占比最大的是具有1 a一遇排水能力的管段，超过总长度的一半；相反，具有100 a一遇排水能力的管段占比微乎其微，仅为1.17%。更为引人关注的是，整个管网长度的96.15%的排水能力都限制在10 a一遇的水平。因此，管段在暴雨来袭时存在较高的满管风险，排水能力相对较弱。在暴雨侵袭时，由于排水能力无法满足需求，建议在制定应急预案时及时调配抽排系统，以辅助管段排水，从而避免积水淹没问题。

鉴于管段排水能力的严峻状况，研究区域的排水情况显得相当紧迫。从管线长度和数量的两个维度来看，超过90%的管段排水能力都不足以满足10 a一遇的降雨事件。尤其值得关注的是，排水能力基本集中在p=1 a一遇和p=2 a一遇的管段占比分别超过50%和40%。为了指定有效的应急预案，特别是在面对排水系统不畅可能导致人口聚集区域淹水的风险时，需要着重加强其他抽排方案的实施，减轻在灾害中可能面临的财产损失，从而确保城市的抗灾能力得到最大程度的提升。

2.2 设计降雨情景二维模型结果分析

在城市管网设计降雨场景仿真中，将数字高程模型引入，拓展了SWMM一维城市雨水管网模型的应用。通过运用九种不同重现期的芝加哥雨型，构建了ICM二维城市地表淹没模型，并展示了每个情景下研究区域的积水变化情况。通过整理城市二维地表淹没模型的结果，得到不同降雨情景下的地表径流峰现时间、积水面积、积水滞留持续时长等数据[7]，详见表2。从积水面积上可以看出，随着暴雨重现期的持续增加，城市的积水面积逐渐扩大。特别值得注意的是，在重现期为2 a一遇的情景下，积水面积是重现期为1 a一遇情景的6.78倍，扩大了5.78倍，且超过了区域总面积的10%。

表2 城市不同重现期降雨下模型指标

当设计降雨量从重现期为2 a一遇增长到重现期为10 a一遇时，城市积水面积的变化并不明显。然而，当降雨量进一步增至重现期为20 a一遇时，积水面积显著提升，达到了重现期为10 a一遇的1.7倍，扩大了0.7倍，且超过了区域总面积的20%。进而，重现期与积水面积呈正相关。当降雨量分别从重现期为20 a一遇到重现期为30 a一遇、从重现期为30 a一遇到重现期为50 a一遇、从重现期为50 a一遇到重现期为100 a一遇时，积水面积分别增加了0.36倍、0.32倍和0.26倍。在重现期为100 a一遇情景下，积水面积已达到191.934 hm2，占研究区域的45.22%。这样巨大的淹没面积可能导致严重的财产损失，并对人民生命安全构成威胁。为提前做好防汛准备，在暴雨来临之前，防汛部门应与气象部门密切合作，持续监测暴雨的降雨量以及暴雨雨型，有效开展防洪预警、预判和预防工作。

从各类时间数据来看，根据表2的结果可以观察到，伴随暴雨重现期的延长，地表积水的开始时间阶梯式提前。当降雨重现期从重现期为1 a一遇增加到重现期为2 a一遇，以及从重现期为2 a 一遇增加到重现期为3 a一遇时，积水发生的时间显著提前，大致提前了10 min左右。在降雨重现期从重现期为3 a一遇到重现期为100 a一遇时，积水发生时间逐渐呈现前移的趋势，每次提前约5 min左右。同样，积水持续时间的变化趋势与之一致。在降雨重现期从重现期为1 a一遇增加到重现期为2 a一遇，以及从重现期为2 a一遇增加到重现期为3 a一遇时，大致延长了约10 min左右的积水滞留时间。当降雨重现期从重现期为3 a一遇到重现期为50 a一遇时，大致延长了约5 min左右的积水滞留时间，但在降雨重现期从重现期为50 a一遇增加到重现期为100 a一遇时，大致延长了约17 min左右的积水滞留时间，延长了13.71%。原因可能是因为重现期为50 a一遇到重现期为100 a一遇的降雨重现期中，降雨量的急剧增加给城市排水网络带来了极大的挑战，导致排水网络输送能力达到负荷。然而，随着重现期的延长，在地表径流峰现时间上，峰值流量出现的时间一直相对缓慢而稳定地前移。从重现期为1 a一遇到重现期为100 a一遇的降雨峰现时间只提前了10 min，从7：40提前到7：30，这是变化最微弱的一项。原因可能是管段排水能力汇集在重现期为1 a一遇和重现期为2 a一遇，所以在重现期为1 a一遇情景下，地表径流量的演变已经趋于稳定，导致流量峰现时间相对较为缓慢。

观察表2的数据，可以得出结论，积水的最大深度随着降雨重现期的延长而逐渐增加。尤其是在重现期为2 a一遇的情景下，积水最大深度是重现期为1 a一遇的6.89倍，深度增加了5.89倍。在降雨重现期从重现期为2 a一遇增加到重现期为3 a一遇时，积水最大深度的波动相对缓和。然而，当降雨重现期从重现期为3 a一遇增加到重现期为5 a一遇时，积水最大深度再度明显扩大，重现期为3 a一遇时的积水最大深度是重现期为5 a 一遇的1.29倍，深度增加了0.29倍。随着降雨重现期的进一步延长，积水最大深度的波动趋于平缓。然而，在重现期为100 a一遇的情景下，积水最大深度仍然增加至1.25 m，高于国家规范中儿童正常身高的设定(1.2 m)。因此，在面临特大暴雨的情况下，首先应当将积水区域较深以及易涝区的特殊人群进行转移，从而保证青少年在面临灾害威胁时能够得到及时的安全保障。

3 结 论

(1) 研究表明，研究区域的排水状况异常紧张，管网的排水能力受到极大的制约，无论是管线的长度还是管线的数目，超过90%的管段的排水性能均不足以应对10 a一遇的情况。尤其值得关注的是，其中约50%和40%分别聚焦在1 a一遇和2 a一遇的降雨情景。在规划设计应急预案的时候，特别是在排水系统受到极端挑战的情况下，能够迅速而有效地调配和执行其他可行的抽排方案，以最大限度地减轻潜在的排水问题带来的影响。

(2) 随着降雨重现期的延长，峰值流量出现的时间变化较小。积水的起始时间和积水持续时间的演变趋势基本相同，主要在降雨重现期从1 a一遇到3 a一遇时表现出较大的变化，而在3 a一遇到100 a一遇时，变化渐趋稳定。

(3) 随着降雨重现期的延长，积水深度和积水面积的变化强烈。在重现期为100 a一遇的情况下，积水面积占了总面积的45.22%，而积水深度则高达1.25 m。由此可知，防汛部门与气象部门，在面临暴雨威胁之前，就应当保持紧密合作，持续监测暴雨的降雨量以及暴雨雨型，以确保防洪预警、预判和预防工作的有效实施。