海绵城市与模型应用

杨周

摘要：城市内涝已成为城市的通病，为解决城市内涝与城市水资源短缺之间的矛盾，提出海绵城市的概念。目前国内海绵城市建设缺乏可借鉴的资料，利用软件模拟可以控制建设目标的完成情况。本文介绍了三种常用的模型软件。

关键词：城市内涝；海绵城市；模型应用；

引言

近年来，随着经济社会的迅速发展，城镇化进程的加快，暴雨引发的城市内涝已成为城市的通病。造成城市内涝的主要原因就是城市排水能力和暴雨强度不匹配。目前我国大部分城市排水主要采用地面排水与管道排水相结合的方式，地面多为不透水的硬质地面，城市下垫面不渗透率高，导致城市地表径流量增加，容易造成城市内涝。同时，我国许多的城市居民用水短缺。为解决城市降雨与城市水资源短缺之间的矛盾，我国提出建设海绵城市。

1 什么是海绵城市？

所谓海绵城市，是指城市能像一块海绵一样吸水雨水，并将雨水蓄积、下渗到土壤层下补充地下水，需要时将蓄存的水“释放”并加以利用，通过渗、滞、蓄、净、用、排等多种技术，从而使雨水进行循环利用，保证了水生态安全。海绵城市在减少洪涝灾害的同时改善现有水资源环境，从而实现生态文明城市建设。

上世纪90年代美国马里兰州的一个居住区内建设的雨水花园成为海绵城市最初的雏形为。该雨水花园的目的就是希望用一个生态滞留和吸收雨水的场地来代替传统的雨水管理系统，这与现在海绵城市建设理念基本一致。后来德国以“高效集水，平衡生态”为原则，鼓励将雨水进行综合利用。屋面雨水简单处理后可以用于家庭企业等非饮用水，道路雨水进行截污后下渗补充地下水，生态小区雨水收集起来用于景观水景和补充地下水。美国提出了城市雨水资源管理和雨水径流污染控制的“最佳管理方案”，西北部建有著名的波特蘭雨水花园，运用现代低影响开发技术，不仅成功的解决了雨水排放和初步净化处理问题，还实现了景观的美化。日本是一个淡水资源短缺的海岛国家，因此极为重视对雨水的收集与利用。早在1980年就开始推行雨水贮留渗透计划，注重雨水调蓄设施的多功能应用。瑞士、加拿大、新西兰、澳大利亚、韩国、新加坡等国外城市都有不同形式的雨水管理方案。

2海绵城市的建设

海绵城市的建设是一个系统工程，海绵城市建设包括水系、湿地公园、道路、居民小区等城市各个部分的建设。建设海绵城市要求在有效地缓解城市内涝、削减城市径流污染负荷的同时，使开发建设后的水文特征与开发前的保持一致，保护和改善城市生态环境。为了实现这一目标低影响开发理念应运而生。低影响开发是通过分散的、小规模的源头控制机制和设计技术，来实现对暴雨产生的径流和污染的控制。低影响开发强调开发建设应减小对环境的影响，将自然途径与人工措施相结合，将城市景观设计与“雨洪控制”相结合，构建与自然相适应的城市排水系统。海绵城市在确保城市排水防涝安全的前提下，最大限度地实现雨水在城市区域的滞蓄、渗透和净化，促进雨水资源的利用和生态环境保护。

3海绵城市的模型应用

2015年海绵城市建设的16个试点城市中已经有10个出现了城市内涝，2016年建设的14个试点城市中有9个出现了内涝。海绵城市建设导则中明确规定其径流削减目标为解决80%～85%的降雨量，在面对目标以外的较大重现期降雨事件时，仅靠低影响措施是没有能力处理降雨产生的所有地表径流，所以还需要建设灰色设施共同排洪。只有两种措施配合使用才能有效解决城市的内涝问题。地上的低影响措施和地下的灰色排洪措施如何搭配，成为海绵城市建设需要考虑的问题。目前国内海绵城市建设缺乏有效的可借鉴的资料，盲目建设必然将付出代价，利用计算机模型模拟不仅可以控制建设目标的完成情况，还能在工程经济方面设计出最优配置。计算机模型的应用在海绵城市建设中具有不可替代的作用。下面介绍几种常用模型。

4SWMM模型

SWMM模型是美国环保署为设计和管理城市雨水而研制的一个水文模型。目前是世界上最主要的模拟软件，广泛应用于城市非点源污染、城市雨洪的模拟计算。SWMM是动态的降雨径流模拟模型 ，它可以模拟完整的城市降雨径流和污染物运动过程，包括城市降雨径流运动过程和 BOD、COD、总磷、总氮等8种污染物的迁移扩散过等功能。SWMM 强大的排水系统模拟功能可以应用于城市排水系统规划方案的改进和评估，还可用于海绵城市的规划和设计。SWMM 5.0版本之后增加了LID模块，可模拟五种常见的低影响开发措施。近年来，国内出现了许多利用 SWMM 模拟低影响开发设施的研究，先对研究的区域构建SWMM模型，通过对LID措施的不同空间布置和组合方式的模拟，评估其的雨洪控制效果，在考虑其经济性后，最后获得最优化的配置结果。

5MIKEURBAN模型

MIKE URBAN是丹麦水力研究所开发的雨水系统模拟软件包，MIKE URBAN将ESRI的ArcGIS、排水管网系统CS和给水管网WD整合在一起，形成了一套城市管网模型。可用来实现计算雨水径流、实时监控和SCADA系统的在线分析。MIKE URBAN模型的工程文件采取Geodatabase数据库作为存储格式，MIKE URBAN与GIS具有天然的联系可以为其提供强大的GIS功能。与其他模型相比，MIKE URBAN 具有较高的技术集成度，广泛的数据接口，建模与运行简单、精准等优点，许多发达国家已经把该模型应用于城市排水管网的模拟评估。

6InfoworksICM模型

InfoworksICM模型（城市综合流域排水模型）是由Wallingford软件公司开发的，世界上第一款城市排水管网及河道的一维水力模型。InfoworksICM模型以自行开发的水文模型为核心，可以完整模拟城市雨水循环系统，实现了城市排水管网系统模型与河道模型的耦合，可以模拟地下排水管网系统与地表受纳水体之间相互作用的情况。通过对排水系统中检查井、管道、泵站以及其他排水构筑物的流量、水位、流速、充满度以及泵的启闭等时间序列进行模拟，模拟结果可以显示当前排水管网系统的工作状态，分析排水管网是否出现溢流的情况，为排水系统的扩建和海绵城市的建设提供了可靠的依据。

7结语

城市传统方式的排水方式已经与现在的降雨强度不匹配了，为了解决城市的内涝问题建设海绵城市势在必行。目前我国缺乏海绵建设的经验和资料，盲目的建设必然会出现问题，计算机模型模拟成为了海绵城市建设必不可少的工具。模型模拟不仅能够重现排水管网系统现在运行状况，找到城市排水管网系统的“瓶颈”所在，还可以模拟出海绵城市改造后的运行情况。能够模拟不同下垫面条件下的产汇流计算，模拟汇水区域调蓄、渗水、净水、排水过程，保障海绵城市的实施效果。为城区洪涝预报、监测及风险评估提供参考，进而为城市的雨水管理优化提供科学依据。

参考文献：

[1]俞孔坚，李迪华，袁弘，等.“海绵城市”理论与实践[J].城市规划，2015，（6）：26-36.

[2]张红旗.排水管网水力模型与地理信息系统（GIS）集成技术研究[D].北京工业大学，2009.endprint