2 山地城市排水系统暴雨径流特性及生态调控评估
2 山地城市排水系统暴雨径流特性及生态调控评估
山地城市地形坡度大，降雨产汇流响应时间短，场次降雨过程中径流峰值出现时间较平原城市前移，且径流峰值更高，在这种情景下，山地城市排水系统压力陡增，寻求适宜的山地城市暴雨径流调控措施更为迫切。
本章以重庆沙坪坝区虎溪河流域为研究对象，系统监测了研究区域的场次降雨径流过程，搭建了研究流域的SWMM模型，并基于降雨径流实测数据，校正了SWMM模型关键参数，提出了山地城市背景下SWMM模型水文模块的参数取值；同时，通过调整研究区域各子流域的用地构成，系统评估了山地城市不透水下垫面生态化改造对暴雨径流的调控效能，研究结果为山地城市暴雨产流调控提供了参考。
2.1 山地城市排水系统降雨径流模型构建
城市排水系统模型是对城市排水系统的概化和模拟，以达到模拟降雨下地表径流过程、分析管道的泄水负载情况和定位城市暴雨内涝点和监控预警的作用。实际的城市排水系统是由收集系统、输送系统、处理系统、利用系统以及配套设施以一定的方式结合成的整体。因此相应的城市排水系统模型也由上述几部分对应组成。山地城市排水系统模型包括降雨-径流模块、径流输送模块，基于一系列的经验、物理数学模型，最后在 GIS 平台上运行计算。
2.1.1 山地城市排水系统模型的构成
城市排水系统模型一般由以下几个模块组成：1）降雨-径流模块：主要功能为依据降雨数据系列、土壤下渗方程计算地表产流量和下渗量。2）输送模块：计算水流在公共设施、排水管道、渠道内的流动状态。其基本关系详见图 2.1。
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重庆大学博士学位论文
图2.1 城市排水系统模型基本模拟步骤
Fig 2.1 Basic simulation steps of urban drainage systems model
城市排水模型建模初期，研究区域将被离散为若干个子汇水单元，并分别赋予一组属性值来表征每个小汇水单元的特征值，从而体现参数的空间异质性。相比于自然流域水文模型，城市内部排水系统包括排水管道、泵站、堰口、孔口等人工构筑物。且城市内部下垫面条件复杂，产汇流极大的受到人类活动影响。所以模型中要考虑到建筑物、人口密度、道路清扫等条件。城市排水系统模型可分为可视化要素和不可视化要素两部分。可视化要素主要包括：雨量计、子汇水区、连接节点（如检查井、流域出口、储水池）、连接管路（如管道、渠道、涵洞等）。不可视化要素包括气候条件、含水层情况、地下水入侵、断面条件和外部集中入流条件。
① 模型可视构成要素
模型可视化构成要素在建模初期可在系统平台上直观看到（图 2.2）。主要包括：雨量计、子汇水区、连接节点（如检查井、流域出口、储水池）、连接管路（如管道、渠道、涵洞等）。
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图2.2 模型可视构成要素示例
Fig. 2.2 Visual elements of urban sewerage system model
1) 雨量计
雨量计的作用是提供降雨的时空分布，是模型最基本的输入数据。降雨数据可以通过用户自定义降雨序列或者直接读取外部文件来实现。模型中降雨数据需要定义降雨强度、时间步长、降雨时间和每个雨量站的坐标。
2) 子汇水单元
针对每块子汇水单元，都要赋予其一组属性值来表征其性质：地理坐标、编号、小流域出口、面积、径流宽度、坡度、不透水率、透水区的曼宁系数、不透水区的曼宁系数、不透水区的蓄水深度、无蓄水能力的不透水区面积率、径流路径、下渗模型、地下水模型、融雪模型、用地性质、污染物初始浓度和曲度等参数。
近年来有相关学者做了大量工作来研究子汇水单元划分的合理精度，研究结果表明不同坡度下的同精度子汇水单元模拟结果相差很大，坡度越小，划分细致度对模拟结果的精度影响越大。对于平原型流域，子汇水单元应细化，现在子汇水单元划分的方法一般是借助数字高程模型(DEM)，采用八项法（D8算法）提取子汇水单元的边界。
鉴于山地城市坡度大，基于 DEM D8 法划分的栅格单元模拟精度较高。故本
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次研究中采用此方法加以后期人工辅助修正。D8 方法是先将整个流域划分为若干个栅格单元，比较每个栅格与其临近的 8 个栅格单元的坡降值 Slopeij：
Slopeij?Di/Dj
其中 Di为两个栅格单元间的高程差；Dj 为两个栅格单元中心之间的距离。选中其中坡降值最大的栅格单元，中心连接被处理栅格单元和选中的栅格单元，此连接线方向就被判定为水流方向。规定每个栅格单元的水流方向用一个特征码表示。定义东北、东、东南、南、西南、西、西北和北为有效的水流方向, 分别用 128、1、2、4、8、16、32 和 64 这 8 个有效特征码表示（图2.3）。
图2.3 D8 方法的 8 个有效特征码
Fig. 2.3 8 effective characteristics of the D8 algorithm
曼宁系数表示的是地表径流在表面流动时的粗糙度。各种覆盖表面的曼宁系数参考取值见表2.1.
表2.1 各种覆盖表面的曼宁系数参考取值
Table 2.1 Reference values of Manning coefficient for a variety of cover surface 表面种类 光滑沥青表面 光滑混凝土表面 混凝土内衬 木质表面 砖混表面 粘土表面
曼宁系数参考值
0.011 0.012 0.013 0.014 0.015 0.015
表面种类 水泥 金属波纹管 短草 茂密草丛 狗牙草 下层灌木
曼宁系数参考值
0.024 0.15 0.24 0.41 0.4 0.8
表蓄水深度表征的是地表的洼蓄量，反应了对降雨径流的截留量。模型提供的三种径流路径分别代表三种情况：IMPERV——径流从透水表面流向不透水表面；PERV——径流从不透水表面流向透水表面；OUTLET——径流从透水或者不
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透水表面直接流向出口。
模型中每个子汇水单元内的用地类型分为四类：没有滞蓄容积的透水表面、有滞蓄容积的透水表面、没有滞蓄容积的不透水表面和有滞蓄容积的不透水表面。此次建模采用 Horton 渗透模型。
3) 连接节点
模型中接连节点的作用是连接各段管渠，模型中节点可以定义为普通连接井、流域出口、分流井、储水节点。
节点还可定义输入系统的外部集中流量。节点处超过承载能力的流量则按照压力流考虑计算，或设定为检查井溢水处理。普通连接井需定义的参数包括坐标、编号、管内底标高、地面标高、背景水深、最大水深、集中流量入流等。流域出口较为重要的输入参数为：出口标高、边界条件、是否安装有防止回灌的翻板闸门。
总出口的出流情况分为自由出流、淹没出流、后接管渠出流、后排自然水体出流。流域出口的边界条件可为以下几种：最终出口处的排水管道或渠道的水头；固定的出口淹没标高；潮汐水位的时间序列或其他用户自定义的最终受纳水体水位与时间的关系表格。
分流井在模型中被视为一个连接节点，但实为一个特殊渠道。分流井可与两条管道连接分配流量。该井只在运动波方程下工作，在动力波条件下被视为普通节点。
储水节点具有储水容积，储水节点的储水特性由储水曲线（Storage Curve）、蒸发系数（Evaporation Factor）和最大储水深度（Maximum Depth）表示。关键参数有储水池底标高、最大水深、水深-表面积的函数关系（以确定池子形状，可以是公式或表格）、蒸发量（如不考虑蒸发量则设为默认值 0）、Green-Ampt 渗透系数、暴雨内涝时水塘被淹没的表面积、外部入流量。
4) 管渠
连接管渠的主要作用是在节点间传送流量。管渠的横截面形状可以从各种标准开放和封闭的几何形状中选择。管道需定义的主要参数有起点和终点的节点编号、管道连接方式（管顶平接、管底平接，并分别输入与上下游管道的偏移量）、管道长度、曼宁粗糙度、横断面几何形状、出入口水头损失、是否装有翻板闸门。
5) 其他水工构筑物或设备
模型可视化要素还包括排水系统中的构筑物、设备等。它们的主要作用是：控制储水构筑物释放流量，防止表面流外部入侵，拦截或者分流，如孔口、堰等。
孔口在模型中被概化为两个节点之间的一种连接方式，孔的形状可以是圆形或矩形，一般位于上游节点一侧或底部，一般设有一个翻板闸门，防止回流。孔
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