基于SCS和DEM模型的海淀區雨洪格局構建研究

宋玉玲

(中國礦業大學(北京) 北京 100083)

一、引言

近年來隨著城市化的快速發展,城市不透水面積逐年增長，雨水資源流失、地下水位下降等問題，于此同時，洪水流速加快、城市內澇、環境污染等一系列問題也頻現[1]。內澇產生的主要原因是城市化造成的增源、減匯與快排等[2]。城市開發后，人工排水體系完全改變了原有自然水系的產匯流過程，導致原有自然水文系統與調蓄內澇基本無關[3-4]。城市水安全格局研究能夠為海綿城市建設，提高城市雨洪控制能力提供新的研究方法和思路，城市雨洪模擬已成為當前城市水文研究的熱點之一。

綜合水安全格局分為水源保護安全格局和雨洪安全格局，水源保護安全格局是對水源地和水源涵養區設置一定距離的緩沖區來實現的。雨洪安全格局是模擬不同極端降雨重現期的雨洪淹沒分析，從而得到淹沒范圍，并借助相關模型進行城市易澇區、易澇點的分析[5]。湯鵬等[6]用SCS-CN水文模型模擬單場雨量后城市各類用地的雨水徑流分布數據，根據總量最多的3類用地模擬反應建成區內易澇的地塊。鄭暢等[7]應用SCS模型對四川盆地丘陵區局地徑流進行計算和分析，探討分析徑流空間變化、徑流年內分配、徑流年際變化等。焦勝等[8]應用ArcGIS空間分析和SCS水文模型模擬極端降雨的雨洪淹沒區和雨洪廊道，確定蘇圫垸低影響開發設施位置及規模。龐旋等[1]利用SWMM構建城市雨洪模型，模擬不同降雨和管網徑流，評估北京未來城年徑流總量控制目標實現情況，提出不同海綿城市的空間布局。朱寒松等[9]通過對研究區域設計LID措施，構建SWMM模型模擬不同方案對研究區域的徑流、洪峰等的削減效果。

這些學者分別從削減徑流排水、防止內澇以及雨水的資源化利用為研究目的，根據地質、環境等因素考慮問題，在實際雨水控制與利用工程的建設中，國家和地方現行標準和規范是具體工作開展的準繩，因此，本文以《DB11T-969-2016-城鎮雨水系統規劃》設計暴雨徑流計算標準作為參考，綜合考慮地形、環境等因素，提供不同土地類型的CN值，代入SCS-CN水文模型，結合數字高程，運用GIS空間分析功能,結合徑流系數和水系格局對洪水過程進行模擬，并以海淀區為例，構建雨洪格局。研究結果能夠為城市暴雨的內澇和防治提供借鑒和參考，為城市未來道路規劃、措施布局提供科學依據。

二、研究區域概況與數據來源

海淀區分布在北京市西部和西北地區。東接西城區，朝陽區，南接豐臺區，西接石景山區，門頭溝區，北接昌平區?？偯娣e431平方公里，邊境線長146.2公里。它的南北長約30公里，東西寬29公里，約占北京總面積的2.6%。區境介于39°53’～40°09′N，116°03′～117℃23’E之間。海淀區位于華北平原的北部，是古永定河沖積區的一部分，兼有山地平原和西高東低的地勢。海淀區位于暖溫帶半干潤、半濕旱大陸性季風氣候區，四季分明，年平均降雨量為66.8天，年平均日照量為1900.4毫米，年平均日照量為2444.9h，海淀區面積居北京近郊區第一，土地使用類型以林地為主，水域等。

研究使用地理空間數據云提供30m DEM數據，并采用 ArcGIS10.5的鑲嵌工具進行處理，經裁剪獲得研究區的高程數據。北京市規劃與自然資源委員會提供的北京市道路區縣圖及2018年11月的土地使用數據，其中包括序號、土地使用分區代碼、土地使用分區代號、土地使用分區名稱等屬性字段，土地使用類型可分為17種，即水系、林地和建設土地、文化遺產等。

三、研究方法

(一)SCS-CN模型

SCS模型是美國水土保持局根據美國自然地理和水文氣象條件于1954年開發的小流域設計洪水模型，此模型考慮下墊面對地表徑流的影響，參數少，結構簡單，在國內外得到廣泛應用[10]。

SCS模型綜合了流域降雨，土壤類型，利用方法和管理水平，前期土壤濕潤情況和徑流之間的聯系[11]。它是以集水區實際滲透量(F)與真正的徑流量(Q)之比為基礎的，以集水區降雨前潛在的滲透量(S)與真正的徑流量(QM)之比的假定基礎上建立的：

(1)

式中假定潛在徑流量為降雨量(P)與與潛在徑流量所產生的前后由植物積水截流、初損害滲水和潛在填洼地積水等所構成的潛在集水區的其初損害流量Ia相同，即：

QM=P-Ia

(2)

實際入滲量為降雨量減去初損和徑流量：

F=P-Ia-Q

(3)

式中P為月降雨總量,mm;Ia為初損,mm，主要指節流、表層蓄水、下滲等；F為累積下滲或稱為后損，mm；Q為月徑流量，mm;S為可能最大滯留量，mm,是后損F的上限，由(1)(2)(3)式可得出：

(4)

一般按集水區該場降雨的初損為該場降雨潛在入滲量的20%，即：

Ia=0.2S

(5)

(6)

流域最大水和滯留水測量函數S與一個無因次測量參數中的CN(Curve Number)函數有關，CN參數是用來反映一個流域內部降雨前水流特征的一個綜合測量參數。早期的耕地土壤水分，坡度，植被，土壤土質類型以及后期土地持續使用等諸多因素都會具有影響。根據北京市現行地方設計標準《雨水控制與利用工程設計規范》和行政區域內的土地開發利用行政區劃調查結果，可以分別確定不同土地類型的CN的數值。S與CN值的關系如公式所示：

(7)

北京市地方標準《雨水控制與利用工程設計規范》中提供了徑流系數，其類型與土地使用相對應，見表1。其中，雨量徑流系數Ψc重要強調，在一個降雨時間內，高峰期僅占一小部分，其他降雨時間較低，比高峰期少一些降雨時間，本文以Ψc結合研究地區下墊面的種類加權賦值為主，見式：

表1 北京市不同下墊面的徑流系數

(8)

式中：Ψz為綜合徑流系數，F為匯水面積(m2),Fi為匯水面上各下墊面面積(m2),Ψi為各類下墊面徑流系數。流量徑流系數Ψm，重點強調的是暴雨高峰流量時(瞬時最大量)，雨水來不及滲透，這個參數主要用于計算雨水最大管徑[12]。

(二)局部等體積法

城市地面上產生徑流，各徑流集合到相應的徑流單位出口斷面上的過程被稱為匯流[13]。研究局部等積方法主要是以等體積概念為理論基礎，考慮各個城市中在地心引力阻礙下的徑流運動作用，將主要研究區域范圍大致劃分成幾個主要集水區，以便于模擬在各個城市中可能存在的阻礙徑流作用，并分別計算后得出各子集水區域的等體積，以便于模擬各個集水區域的阻礙徑流。暴雨中的洪澇被視為無源地淹沒，只考慮到水流的重力特性，而沒有考慮到合流過程的具體性。根據地形特點，徑流由低到高被填滿了整個洼地[10]。其基本理論是，在一個時間內，步長的徑流總數等于在一個時間內淹沒的總積水量[10]。具體解算公式如式(9)所示。

W=??A[Ew(x,y)-Eg(x,y)]dδ

(9)

式中：W為積水淹沒范圍內總水量；A為淹沒區域面積；Ew(x,y)為積水水面高程；Eg(x,y)為地面高程；dδ 為淹沒區面積微元。由于城市內澇地形積水高程流速緩慢，本文近似地將積水淹沒的城市水面面積簡化下來成為水平面，考慮到能夠反映當時城市內部地形積水變化的DEM數據，則是以符合離散規則的方格網公式表示城市地面積水高程，經離散規則處理之后可簡化公式如下：

(10)

式中：Δδ為一個柵格元的地表面積；N為是所有淹沒柵格地區的面積總數；Eg(i)為第i個為第i個求解柵格元的高程，本文首先通過這個二分模式方法給出求解柵格Ew，再利用Ew結合城市地表高程模型求解N的方法。

四、結果與分析

(一)匯水區構建

匯水區是研究雨水徑流量的基本單元，在本文中匯水區的劃分主要是依據高程數據，用ArcGIS工具將DEM數據進行鑲嵌，之后裁剪得出研究范圍的數據，運用水文分析中的填洼工具進行填充，主要是將DEM中數據誤差等問題導致的不平整的洼地平滑處理，基于柵格領域高度確定水流方向，計算流入柵格的所有值，根據分類結果提取河流網絡，識別節點之后劃分流域，共劃分56個小流域(圖1)。

圖1 海淀區水系流域分布

(二)CN參數賦值

CN系數與研究區域的土壤類型，土壤滲透性和植被類型密切相關，其正常值介于0到100之間。具體值會根據研究區域的情況進行修改和確定[14]。美國《國家灌溉工程手冊》對CN系數作了規定，本文根據研究區的土地用途類型，結合北京市海淀區所處的氣候環境因素，對《雨水控制與利用工程設計規范》的不同土地利用類型進行CN系數賦值(表2)。

表2 CN系數參考表

(三)SCS水文模型各類參數計算

將劃分的流域tiff圖轉為矢量后和研究區土地用途分區圖進行融合，重新計算幾何得到各類土地分區的占地面積，提取劃分的某一個小流域用地面積進行加權計算，得到CN值，結合SCS產流模型計算徑流量，以第2個流域為例，參數計算結果見表3。

表3 流域參數計算結果

(四)城市雨洪情景模擬

北京市《雨水控制與利用工程設計規范》顯示北京市二十年、五十年、一百年一遇的24h最大降雨量分別為270mm、50mm、416mm，數據是基于《北京市水文手冊第分冊暴雨圖集》第二部分的暴雨等值線圖中圖三十一(十年一遇最大24h雨量等值線圖)、圖三十二(二十年一遇最大24h雨量等值線圖)、圖三十三(五十年一遇最大24h雨最等值線圖)和圖三十四(百年一遇最大24h雨量等值線圖)，采用內插法計算得出[11]。由用地面積加權計算得到的平均CN值，代入SCS模型計算公式，采用二十年、五十年、一百年的24h最大降雨量，將海淀區流域劃分的各個集水區看成無源淹沒狀態，運用ArcGIS分析工具，由局部等體積法得到不同重現期內的淹沒高程(圖2)。

圖2 海淀區雨洪格局分布

(五)結果分析

由雨洪格局分布圖可知，在發生20年一遇的降雨時，北安河鄉東部、蘇家坨鄉、上莊鄉、永豐鄉等積水面積較大，蓄水能力差，對居民日常生活造成影響，溫泉鄉、北安河鄉、聶各莊等開始小幅積水，北下關、萬壽路、永定路基本沒有積水。

在發生50年一遇的降雨時，蘇家坨鄉中部、上莊鄉南部、永豐鄉、青龍街道大部分地區河流開始溢滿，積水在周邊區域呈面狀分布，淹沒范圍相應擴大。

在發生100年一遇的降雨時，海淀區中部地區排水較好，基本沒有積水，蘇家坨鄉、上莊鄉、永豐鄉大部分地區、紫竹院大部分地區積水嚴重，周邊地區積水形成較快，發生暴雨時無法繼續排水從而出現城市內澇，集中在海淀地區東北部和東南部。海淀區總體暴雨洪澇災害風險等級為中等以下，城區由于人口密集加上排水沒有鄉鎮通暢導致風險較高，為高危險區。尤其上地、清河地區和城區四環內大部分地區為暴雨高風險區。

五、結論與討論

(1)本文用《DB11T-969-2016-城鎮雨水系統規劃》設計暴雨徑流計算標準作為參考，計算土地覆蓋類型的權重，考慮不同地面和區域規劃范圍，計算研究區域的綜合CN值。根據洪水風險頻率20年一遇、50年一遇、百年一遇等的相關數據，結合數字高程，考慮建筑物對于城市地形的影響修正,運用GIS空間分析功能,結合徑流系數和水系格局對洪水過程進行模擬，得到不同雨洪風險頻率的淹沒范圍和深度。將SCS模型中徑流的模擬細化到各個集水區域，使得研究結果更加定量化，可視化，更全面的考慮空間分布，較好的反應了流域內的淹沒狀態，為后續基于安全格局的城市低影響開發模式研究奠定了基礎。

(2)將SCS水文模型和DEM結合來研究城市雨洪格局，流域劃分依據提取的河流網絡流量值，流量值提取閾值越低，提取節點后劃分流域越多，徑流模擬以每個流域為單元值。預處理階段曾劃分20個流域，20年一遇雨洪模擬效果明顯，其他均無明顯變化，本文劃分56個流域是在有限的數據條件下無源淹沒模擬，接近真實結果，流域劃分越細，模擬效果越好。