基于SCS-CN模型的绿色雨水基础设施构建研究——以四川省雅安市雨城区为例

吕一诺 罗婕颖 熊雪倩 李婷玉

城市内涝是各种“城市病”的集中体现，排水系统建设滞后、地面大面积硬化降低排水能力等都是影响城市排涝能力的因素。绿色基础设施理论倡导通过自然的方式解决城市问题，在城市内涝治理中发挥着降低雨水径流、减少洪涝灾害的作用。

目前，基于径流曲线(Soil Conservation Service- Curve Number，SCS-CN)模型的绿色雨水基础设施构建是较有效的治理城市内涝的技术手段[1]。该模型由美国农业部开发，广泛用于水资源管理、暴雨模拟以及径流估算等，基于水文、气象、土地利用等数据，计算和模拟一场暴雨中城市地表径流的产生量。

本文以我国典型降雨城市— —四川省雅安市雨城区为例，利用SCS-CN模型构建绿色雨水基础设施系统，增强雨城区城市排涝能力，为我国多降雨城市的雨水资源管理提供参考建议。

1 基于SCS-CN雨洪淹没模型的绿色雨水基础设施构建

基于景观生态学中的“斑块—廊道—基质”模式，绿色雨水基础设施构建可以看作生态要素呈现的空间格局。

本文以城市内涝治理为目的构建绿色雨水基础设施（Green Stormwater Infrastructure，GSI），首先通过径流模拟划分汇水区、确定汇水区平均CN值、计算内涝积水量和模拟雨洪淹没情况4个步骤，识别城区潜在淹没范围，然后基于ArcGIS软件对场地进行绿色雨水基础设施的适建性分析与雨洪淹没模拟叠加分析，完成GSI系统构建。构建绿色雨水基础设施方法如图1所示。

图1 构建绿色雨水基础设施方法（来源：作者自绘）

1.1 汇水区划分

利用ArcGIS软件将原始的数字高程模 型（Digital Elevation Model，DEM）依据场地范围进行裁剪处理，计算流向数据；利用ArcGIS判断场地范围内是否存在汇，若存在则要输出汇。对每个汇创建汇流区域栅格，并在每个汇的分水岭中创建最大与最小栅格。将DEM数据进行填洼处理，依次进行流向分析、流量统计等处理，确定地表径流能汇聚成河流的最小栅格。将河流分级矢量化处理后，需根据场地实际情况剔除不合理的流域，保留较为真实的流域通道，并根据获取的流域绘制倾泻点，提取栅格流域，划分子汇水区[2]。

1.2 子汇水区平均CN值确定

CN值代表径流曲线数，是不同种类土地的产流能力的反映。美国相关研究部门根据土地下渗情况、土地质地等确定了不同种类土壤的CN值。但由于大部分研究区域气候条件、地形地貌等都与美国生态大不相同，导致CN值出现小幅偏差，因此仍需根据场地本身土壤条件进行CN值修正。根据场地土地情况，利用图及各子汇水区分布得出不同子汇水区的不同类型土地利用面积，利用上文得出的不同土地类型的CN值确定各子汇水区的平均CN值。

1.3 内涝积水量计算

地表径流量大于雨水管网排水量就会产生内涝积水，因此本文利用了在极端降雨量下计算径流深度即累计雨水体积的SCS-CN模型。先设计极端日降雨强度，再采用SCS-CN模型通过降雨量和下渗量计算各子汇水区的地表径流量，最后利用SCS-CN模型计算出的地表径流量与雨水管网排水体积的差值即为内涝积水量。

1.4 雨洪淹没模拟

雨洪淹没模拟分析可通过模拟积水淹没高度，从而对各个区域的淹没风险进行可视化处理。

在ArcGIS软件中导入原始的高程数据，并按照汇水区对其进行相应划分，得到不同汇水区的高程。以不同重现期内涝积水量为依据，使用表面体积工具，导入划分后的高程并输入模拟淹没高度，得到相应淹没体积。用二分法重复此操作，对比相应淹没体积与相应内涝积水量，当二者值接近时，模拟淹没高度成立。用等值线列表工具将不同重现期下每个汇水区的淹没高度生成等高线，处理后得到雨洪淹没风险分析结果。

1.5 GSI构建

综合径流模拟结果、雨洪淹没模拟结果后，对场地进行GSI适建性分析，从而识别、构建场地内的GSI；同时对场地内有淹没风险的区域进行低、中、高3种风险等级的划分，得到场地雨洪安全格局分析图，图中具有淹没风险的区域即为需要建设GSI的区域。利用地理信息系统（Geographic Information System，GIS）进行高程分析、坡度分析、坡向分析以及现状用地类型分析，并基于上述分析结果进行综合评价分析，可得到场地内适宜建设GSI的用地。综合有淹没风险的区域与适宜建设GSI的用地区域，最终即可完成对场地的GSI构建[3]。

2 雅安市雨城区绿色雨水基础设施构建

2.1 研究区现状

雅安市位于四川盆地西部边缘，特殊的地理条件使其形成“华西雨屏带”，阻挡着来自太平洋和孟加拉湾的暖湿气流以及高原冷空气，降雨量较大。雅安市2021年水资源公报指出，雨城区年降水量可达2 000 mm。近年来，随着城市化进程不断加快，原有生态环境遭到破坏，大面积的土地硬化也使得城市储排水能力急剧下降，城区排水面临严峻挑战。

2.2 汇水区划分

以雨城区原始DEM为依据，利用ArcGIS软件进行输出流量操作，判断雨城区是否存在汇，并输出汇。利用分水岭工具使汇流区域栅格化，利用填洼工具得到雨城区无洼DEM数据，利用条件函数对流量进行划分操作，依次利用流向分析、流量统计、河网分级、河流链接以及栅格河网矢量化等操作提取栅格流域，然后划分出62个子汇水区，如图2所示。

图2 径流模拟与流域划分情况（来源：作者自绘）

2.3 子汇水区平均CN值确定

由于雨城区气候条件、土壤条件等与美国出入较大，因此结合雨城区不同种类土地的利用情况，修正美国相关研究部门撰写的不同土地类型的CN值，得出雨城区不同类型土地的CN值。结合雨城区土地利用图与划分出的62个子汇水区，依据土壤属性确定其水文土壤组与土地覆盖类型和各自占比，得出各汇水区平均径流系数[4]。

2.4 内涝积水量计算

2.4.1 极端降雨强度设计

雅安市暴雨强度公式为：

式中,q代表暴雨强度，mm/min；t代表降雨历时，min；P代表设计重现期，年。由式（1）可得5年、10年和20年设计重现期降雨历时1 h的暴雨强度，将该3项数值作为本次计算降雨量的依据。

2.4.2 雨水设计流量

降雨量计算公式为：

式中，Q代表雨水设计流量，L/s；Φ代表平均径流系数CN；F代表汇水面积，km2。根据设计暴雨强度q、62个子汇水区的面积以及平均径流系数，可直接得到雨水设计流量。

2.4.3 计算雨水管网的排水体积

城市暴雨径流的主要外排方式就是城市雨水管网，因此积水量确定需减去管网排水量。雨城区的雨水管网形成时间较长，实际雨水灌渠设计排水量及维护现状难以得知，假定雨城区的雨水管网按照标准建造，再根据该标准估算排水量。

2.4.4 SCS-CN模型计算地表径流量

地表径流计算公式为：

式中，Q代表地表径流量，m³；S代表可能的最大渗透量，mm；P代表极端日降雨量，mm。将CN与设计降雨量代入模型后，得到各个子汇水区的地表径流。

2.4.5 内涝积水量计算

内涝积水量的计算公式为：

式中，Q涝代表内涝积水量，m3；Q代表地表径流量，m3；V排代表雨水管网排水体积，m3。各汇水区内涝积水量如表1所示。

表1 雨城区内涝积水量计算

2.5 雨洪淹没模拟

以SCS-CN模型所得不同重现期内涝积水量为依据，采用二分法使结果不断逼近对应积水量，对62个汇水区进行淹没模拟，最终得到雨城区不同重现期下雨洪淹没风险分析图，如图3所示。

图3 不同重现期下雨城区雨洪淹没风险分析图（来源：作者自绘）

2.6 雨洪安全格局分析

综合径流模拟、雨洪淹没模拟结果，得到雨城区雨洪安全格局图，（图4）。由图4可知，受灾风险较高的区域主要集中在雨城区北部及东南部山脚低洼地区，包括上里古镇片区、晏场镇等区域，这些区域由于地势低且雨洪管理基础设施不足，有较高的雨洪灾害风险。

图4 雅安市雨城区雨洪安全格局（来源：作者自绘）

中部青衣江沿岸有部分高风险地区呈点状分布，包括城中心片区、新一村片区、草坝镇等区域，这些区域位于城中，布置有排水设施，但距离河流较近，对绿色基础设施的利用不充分，排水能力仍然不强。在这些淹没风险高的区域进行绿色雨水基础设施的识别与建设，可以补充、完善现有排水设施的不足，从生态学的角度控制雨洪灾害，从而为雨城区雨洪灾害管理提供预判，减少雨洪灾害对城市生产生活造成的损失[5]。

2.7 雨城区绿色雨水基础设施选址的适宜性分析

将雨城区的高程、坡度、坡向与土地利用类型作为GSI的影响因子，基于雨城区DEM影像图进行分析，然后通过加权叠加分析和重分类处理，得到选址用地适宜性综合评价。最适合修建GSI的区域赋值2分，在此基础上每增加2分设置一级，得到“适宜修建用地”“较适宜修建用地”“较不适宜修建用地”和“不适宜修建用地”等4个级别，其中“适宜修建用地”与“较适宜修建用地”是修建GSI的合适地点。

高程单因子评价如图5所示。高程90 m以上时不宜建设GSI；60～90 m时为较不适宜建设地带；30～60 m时为较适宜建设地带；小于30 m时适宜建设GSI。由图5可知，雨城区绝大部分区域高程都适合建设GSI。

图5 高程单因子评价（来源：作者自绘）

坡度单因子评价如图6所示。坡度变化越显著的地方，土壤侵蚀和生态环境问题越易发生。一般来说，坡度在25°以上的区域不适合修建GSI；坡度15°～25°的地域较不适宜建设；坡度5°～15°的地域作为较适合建设地带；坡度小于5°的地域是最适合建设地带。由图6可知，在雨城区北边地势坡度较缓，适宜建设GSI，中部和西部坡度较陡，适宜建设的区域较少。

图6 坡度单因子评价（来源：作者自绘）

坡向单因子评价如图7所示。在北半球区域，北坡的阳光照射和太阳辐射强度明显低于南坡，不适合种植植物。由图7可知，北面、西北面、东北面坡向的地域不适宜建设GSI；东西两面坡向的地域是较不适宜建设GSI的地带；东南、西南两面坡向的地域作为较适宜建设地带；适宜建设的地带为南面坡向地域。

图7 坡向单因子评价（来源：作者自绘）

现状用地类型单因子评价如图8所示。通常情况下，水域、湿地为不适宜建设地带，耕地为较不适宜建设地带，人造地表为较适宜建设地带，草地、林地为适宜建设地带。由图8可知，雨城区南部、中部的大部分用地可以用于修建GSI，中北部与北部区域河流、水域较多，不适宜修建GSI。

图8 现状用地类型单因子评价（来源：作者自绘）

2.8 综合评价

在ArcGIS软件中，通过加权叠加对各单因子指数进行分析，结果重分类为4个级别，以确定雨城区哪些土地适合建设GSI，GSI选址用地适宜性综合评价如图9所示。

图9 GSI选址用地适宜性综合评价（来源：作者自绘）

由图9可知，雨城区较适宜建设GSI的用地集中在中部偏北、东南部和中部带状地区。雨洪安全格局中的中低安全区属于重点控制区域，而适宜建设GSI的地域基本都囊括了这些区域，使得GSI系统的构建以及雨城区城市内涝治理的实施具有科学性与可行性。

2.9 GSI网络构建

综合雨城区雨洪安全格局分析及雨城区GSI选址用地适宜性综合评价分析，构建出雨城区GSI网络，如图10所示。其中，符合用地适宜性的径流区域作为GSI网络的连接廊道，符合用地适宜性的风险区域作为GSI网络的核心区域。

图10 雨城区GSI网络（来源：作者自绘）

3 结语

以往的水资源管理方式耗费大量的人力、物力成本，结合“海绵城市”“城市双修”的发展导向，本文基于绿色雨水基础设施理论，利用原始DEM数据划分子汇水区，确定各汇水区平均径流量，结合SCS-CN模型计算出内涝积水量并进行雨洪淹没模拟，针对场地进行绿色雨水基础设施试建性分析，构建城市绿色雨水基础设施系统，从而最大程度实现水资源的高效利用，为多降雨城市的雨水资源管理提供参考[6]。