宋玉玲
(中国矿业大学(北京) 北京 100083)
近年来随着城市化的快速发展,城市不透水面积逐年增长，雨水资源流失、地下水位下降等问题，于此同时，洪水流速加快、城市内涝、环境污染等一系列问题也频现[1]。内涝产生的主要原因是城市化造成的增源、减汇与快排等[2]。城市开发后，人工排水体系完全改变了原有自然水系的产汇流过程，导致原有自然水文系统与调蓄内涝基本无关[3-4]。城市水安全格局研究能够为海绵城市建设，提高城市雨洪控制能力提供新的研究方法和思路，城市雨洪模拟已成为当前城市水文研究的热点之一。
综合水安全格局分为水源保护安全格局和雨洪安全格局，水源保护安全格局是对水源地和水源涵养区设置一定距离的缓冲区来实现的。雨洪安全格局是模拟不同极端降雨重现期的雨洪淹没分析，从而得到淹没范围，并借助相关模型进行城市易涝区、易涝点的分析[5]。汤鹏等[6]用SCS-CN水文模型模拟单场雨量后城市各类用地的雨水径流分布数据，根据总量最多的3类用地模拟反应建成区内易涝的地块。郑畅等[7]应用SCS模型对四川盆地丘陵区局地径流进行计算和分析，探讨分析径流空间变化、径流年内分配、径流年际变化等。焦胜等[8]应用ArcGIS空间分析和SCS水文模型模拟极端降雨的雨洪淹没区和雨洪廊道，确定苏圫垸低影响开发设施位置及规模。庞旋等[1]利用SWMM构建城市雨洪模型，模拟不同降雨和管网径流，评估北京未来城年径流总量控制目标实现情况，提出不同海绵城市的空间布局。朱寒松等[9]通过对研究区域设计LID措施，构建SWMM模型模拟不同方案对研究区域的径流、洪峰等的削减效果。
这些学者分别从削减径流排水、防止内涝以及雨水的资源化利用为研究目的，根据地质、环境等因素考虑问题，在实际雨水控制与利用工程的建设中，国家和地方现行标准和规范是具体工作开展的准绳，因此，本文以《DB11T-969-2016-城镇雨水系统规划》设计暴雨径流计算标准作为参考，综合考虑地形、环境等因素，提供不同土地类型的CN值，代入SCS-CN水文模型，结合数字高程，运用GIS空间分析功能,结合径流系数和水系格局对洪水过程进行模拟，并以海淀区为例，构建雨洪格局。研究结果能够为城市暴雨的内涝和防治提供借鉴和参考，为城市未来道路规划、措施布局提供科学依据。
海淀区分布在北京市西部和西北地区。东接西城区，朝阳区，南接丰台区，西接石景山区，门头沟区，北接昌平区。总面积431平方公里，边境线长146.2公里。它的南北长约30公里，东西宽29公里，约占北京总面积的2.6%。区境介于39°53’～40°09′N，116°03′～117℃23’E之间。海淀区位于华北平原的北部，是古永定河冲积区的一部分，兼有山地平原和西高东低的地势。海淀区位于暖温带半干润、半湿旱大陆性季风气候区，四季分明，年平均降雨量为66.8天，年平均日照量为1900.4毫米，年平均日照量为2444.9h，海淀区面积居北京近郊区第一，土地使用类型以林地为主，水域等。
研究使用地理空间数据云提供30m DEM数据，并采用 ArcGIS10.5的镶嵌工具进行处理，经裁剪获得研究区的高程数据。北京市规划与自然资源委员会提供的北京市道路区县图及2018年11月的土地使用数据，其中包括序号、土地使用分区代码、土地使用分区代号、土地使用分区名称等属性字段，土地使用类型可分为17种，即水系、林地和建设土地、文化遗产等。
(一)SCS-CN模型
SCS模型是美国水土保持局根据美国自然地理和水文气象条件于1954年开发的小流域设计洪水模型，此模型考虑下垫面对地表径流的影响，参数少，结构简单，在国内外得到广泛应用[10]。
SCS模型综合了流域降雨，土壤类型，利用方法和管理水平，前期土壤湿润情况和径流之间的联系[11]。它是以集水区实际渗透量(F)与真正的径流量(Q)之比为基础的，以集水区降雨前潜在的渗透量(S)与真正的径流量(QM)之比的假定基础上建立的：
(1)
式中假定潜在径流量为降雨量(P)与与潜在径流量所产生的前后由植物积水截流、初损害渗水和潜在填洼地积水等所构成的潜在集水区的其初损害流量Ia相同，即：
QM=P-Ia
(2)
实际入渗量为降雨量减去初损和径流量：
F=P-Ia-Q
(3)
式中P为月降雨总量,mm;Ia为初损,mm，主要指节流、表层蓄水、下渗等；
F为累积下渗或称为后损，mm；
Q为月径流量，mm;S为可能最大滞留量，mm,是后损F的上限，由(1)(2)(3)式可得出：
(4)
一般按集水区该场降雨的初损为该场降雨潜在入渗量的20%，即：
Ia=0.2S
(5)
(6)
流域最大水和滞留水测量函数S与一个无因次测量参数中的CN(Curve Number)函数有关，CN参数是用来反映一个流域内部降雨前水流特征的一个综合测量参数。早期的耕地土壤水分，坡度，植被，土壤土质类型以及后期土地持续使用等诸多因素都会具有影响。根据北京市现行地方设计标准《雨水控制与利用工程设计规范》和行政区域内的土地开发利用行政区划调查结果，可以分别确定不同土地类型的CN的数值。S与CN值的关系如公式所示：
(7)
北京市地方标准《雨水控制与利用工程设计规范》中提供了径流系数，其类型与土地使用相对应，见表1。其中，雨量径流系数Ψc重要强调，在一个降雨时间内，高峰期仅占一小部分，其他降雨时间较低，比高峰期少一些降雨时间，本文以Ψc结合研究地区下垫面的种类加权赋值为主，见式：
表1 北京市不同下垫面的径流系数
(8)
式中：Ψz为综合径流系数，F为汇水面积(m2),Fi为汇水面上各下垫面面积(m2),Ψi为各类下垫面径流系数。流量径流系数Ψm，重点强调的是暴雨高峰流量时(瞬时最大量)，雨水来不及渗透，这个参数主要用于计算雨水最大管径[12]。
(二)局部等体积法
城市地面上产生径流，各径流集合到相应的径流单位出口断面上的过程被称为汇流[13]。研究局部等积方法主要是以等体积概念为理论基础，考虑各个城市中在地心引力阻碍下的径流运动作用，将主要研究区域范围大致划分成几个主要集水区，以便于模拟在各个城市中可能存在的阻碍径流作用，并分别计算后得出各子集水区域的等体积，以便于模拟各个集水区域的阻碍径流。暴雨中的洪涝被视为无源地淹没，只考虑到水流的重力特性，而没有考虑到合流过程的具体性。根据地形特点，径流由低到高被填满了整个洼地[10]。其基本理论是，在一个时间内，步长的径流总数等于在一个时间内淹没的总积水量[10]。具体解算公式如式(9)所示。
W=ʃʃA[Ew(x,y)-Eg(x,y)]dδ
(9)
式中：W为积水淹没范围内总水量；
A为淹没区域面积；
Ew(x,y)为积水水面高程；
Eg(x,y)为地面高程；
dδ 为淹没区面积微元。由于城市内涝地形积水高程流速缓慢，本文近似地将积水淹没的城市水面面积简化下来成为水平面，考虑到能够反映当时城市内部地形积水变化的DEM数据，则是以符合离散规则的方格网公式表示城市地面积水高程，经离散规则处理之后可简化公式如下：
(10)
式中：Δδ为一个栅格元的地表面积；
N为是所有淹没栅格地区的面积总数；
Eg(i)为第i个为第i个求解栅格元的高程，本文首先通过这个二分模式方法给出求解栅格Ew，再利用Ew结合城市地表高程模型求解N的方法。
(一)汇水区构建
汇水区是研究雨水径流量的基本单元，在本文中汇水区的划分主要是依据高程数据，用ArcGIS工具将DEM数据进行镶嵌，之后裁剪得出研究范围的数据，运用水文分析中的填洼工具进行填充，主要是将DEM中数据误差等问题导致的不平整的洼地平滑处理，基于栅格领域高度确定水流方向，计算流入栅格的所有值，根据分类结果提取河流网络，识别节点之后划分流域，共划分56个小流域(图1)。
图1 海淀区水系流域分布
(二)CN参数赋值
CN系数与研究区域的土壤类型，土壤渗透性和植被类型密切相关，其正常值介于0到100之间。具体值会根据研究区域的情况进行修改和确定[14]。美国《国家灌溉工程手册》对CN系数作了规定，本文根据研究区的土地用途类型，结合北京市海淀区所处的气候环境因素，对《雨水控制与利用工程设计规范》的不同土地利用类型进行CN系数赋值(表2)。
表2 CN系数参考表
(三)SCS水文模型各类参数计算
将划分的流域tiff图转为矢量后和研究区土地用途分区图进行融合，重新计算几何得到各类土地分区的占地面积，提取划分的某一个小流域用地面积进行加权计算，得到CN值，结合SCS产流模型计算径流量，以第2个流域为例，参数计算结果见表3。
表3 流域参数计算结果
(四)城市雨洪情景模拟
北京市《雨水控制与利用工程设计规范》显示北京市二十年、五十年、一百年一遇的24h最大降雨量分别为270mm、50mm、416mm，数据是基于《北京市水文手册第分册暴雨图集》第二部分的暴雨等值线图中图三十一(十年一遇最大24h雨量等值线图)、图三十二(二十年一遇最大24h雨量等值线图)、图三十三(五十年一遇最大24h雨最等值线图)和图三十四(百年一遇最大24h雨量等值线图)，采用内插法计算得出[11]。由用地面积加权计算得到的平均CN值，代入SCS模型计算公式，采用二十年、五十年、一百年的24h最大降雨量，将海淀区流域划分的各个集水区看成无源淹没状态，运用ArcGIS分析工具，由局部等体积法得到不同重现期内的淹没高程(图2)。
图2 海淀区雨洪格局分布
(五)结果分析
由雨洪格局分布图可知，在发生20年一遇的降雨时，北安河乡东部、苏家坨乡、上庄乡、永丰乡等积水面积较大，蓄水能力差，对居民日常生活造成影响，温泉乡、北安河乡、聂各庄等开始小幅积水，北下关、万寿路、永定路基本没有积水。
在发生50年一遇的降雨时，苏家坨乡中部、上庄乡南部、永丰乡、青龙街道大部分地区河流开始溢满，积水在周边区域呈面状分布，淹没范围相应扩大。
在发生100年一遇的降雨时，海淀区中部地区排水较好，基本没有积水，苏家坨乡、上庄乡、永丰乡大部分地区、紫竹院大部分地区积水严重，周边地区积水形成较快，发生暴雨时无法继续排水从而出现城市内涝，集中在海淀地区东北部和东南部。海淀区总体暴雨洪涝灾害风险等级为中等以下，城区由于人口密集加上排水没有乡镇通畅导致风险较高，为高危险区。尤其上地、清河地区和城区四环内大部分地区为暴雨高风险区。
(1)本文用《DB11T-969-2016-城镇雨水系统规划》设计暴雨径流计算标准作为参考，计算土地覆盖类型的权重，考虑不同地面和区域规划范围，计算研究区域的综合CN值。根据洪水风险频率20年一遇、50年一遇、百年一遇等的相关数据，结合数字高程，考虑建筑物对于城市地形的影响修正,运用GIS空间分析功能,结合径流系数和水系格局对洪水过程进行模拟，得到不同雨洪风险频率的淹没范围和深度。将SCS模型中径流的模拟细化到各个集水区域，使得研究结果更加定量化，可视化，更全面的考虑空间分布，较好的反应了流域内的淹没状态，为后续基于安全格局的城市低影响开发模式研究奠定了基础。
(2)将SCS水文模型和DEM结合来研究城市雨洪格局，流域划分依据提取的河流网络流量值，流量值提取阈值越低，提取节点后划分流域越多，径流模拟以每个流域为单元值。预处理阶段曾划分20个流域，20年一遇雨洪模拟效果明显，其他均无明显变化，本文划分56个流域是在有限的数据条件下无源淹没模拟，接近真实结果，流域划分越细，模拟效果越好。
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