适用于海绵城市建设的典型雨洪模型概述

赵昌爽，胡 颖，操家顺，薛朝霞，冯 骞

(1.江苏城乡建设职业学院公用事业学院，江苏常州 213147；2.河海大学浅水湖泊综合治理与资源开发教育部重点实验室，江苏南京 210098；3.河海大学环境学院，江苏南京 210098)

随着我国城市化进程的不断加快，城市下垫面条件也随之发生了很大变化，城市发展过程中面临的洪涝灾害和水体污染等问题日益突出[1-3]。在此背景下，国家提出了建设海绵城市的新理念，提倡构建低影响开发(low impact development，LID)雨水系统，通过“渗、滞、蓄、净、用、排”等最佳流域管理措施(best management practices，简称BMPs)构建不同的城市海绵体，以此来适应雨洪变化和应对自然灾害[4-6]。尽管海绵城市这一新生理念为我们开辟了治理洪涝和改善城市生态水文环境的新思路，但我国在实际建设中却存在众多困难[7]。主要原因之一是缺乏有效LID设计和评估工具，较难把自然因素、地域条件、人类行为等复杂关系转换成程序化的系统或工具，而有效的雨洪模型软件可为海绵城市的规划和建设提供设计指导，从而大大提高海绵城市建设的科学性和可靠性。

目前关于雨洪模型的文献报道已屡见不鲜，但大多数的报道仍未系统地介绍与海绵城市雨洪管理相关的模型发展概况[8-10]。通过对国内外城市雨洪和低影响开发模型进行总结，对InfoWorks、MIKE、SWMM、SUSTAIN、Sewer GEMS五个典型模型进行分析，对这些模型的应用特点和发展趋势进行探究和剖析，以期为我国海绵城市建设过程中雨洪模型的选取和使用提供科学依据。

1 常用模型及分类

根据海绵城市的层级结构划分，从流域、河流、城镇、单元尺度对雨洪模型进行分析。流域尺度主要指组成城市水生态功能系统的湖泊、河流和水库等生态敏感区；河流尺度主要指连接城市和自然生境的雨洪排泄通道；城镇尺度主要指汇水区、管道节点和不透水区等绿色和灰色城市基础设施；单元尺度主要指分布在源头、过程和末端的微观低影响控制措施[11]。

1.1 河流+城镇

InfoWorks模型是应用在河流+城镇尺度上较为典型的雨洪模型，其集成了城市地上和地下雨水系统，从整体上实现对整个城市雨水系统、污水系统和流域系统的动态模拟[12-13]。

InfoWorks模型包含了降雨处理模块、地面径流模块、入渗蓄积模块、低冲击开发模块、水质分析模块，可以对现有排水系统进行准确地建模和现状分析，更为真实地模拟地下排水系统与地表受纳水体之间的相互作用，并进行实时洪水预报、预警，继而可以更为准确地排查出排水系统存在的弊端和瓶颈问题，之后又可以利用软件辅助规划和改建工程的建设，为排水系统提供全方位的功能支持。目前应用较为广泛的子模型有InfoWorks ICM、InfoWorks CS和InfoWorks RS等。

李建勇[14]以ICM模型为平台，通过不同的降雨情景对上海市杨浦滨江区排水管网系统进行了模拟计算，评估了排水口出水状况和管道负荷情况，并在此基础上对瓶颈的管网进行优化，为区域防洪排涝和管网改造与维护提供了技术和决策支持。

姚宇[15]利用InfoWorks CS模型对蚌埠市沫河口工业园排水管网进行模拟，评估了城市核心区排水系统的运行性能，为排水管网的改扩建及应急预案的优化提供分析平台。

Othman等[16]在2013年利用 InfoWorks RS进行了赤道地区洪涝Infoworks事件的模拟，将自1926年到2012年的洪涝灾害进行了建模分析，为当地区域绘制了内涝灾害风险图，给内涝预防提供了有效措施。

1.2 流域+河流+城镇

MIKE模型是应用在流域+河流+城镇尺度上较为典型的雨洪模型，其可用于一维或二维上流域、河流、河口、海岸和管网的水文、水质、水力模拟[17]。MIKE模型包含水动力学、降雨径流和水质分析等模块，不仅配置了所有针对雨洪模型、排水管网和供水管网所需的分析工具，而且集成了GIS模块，与数据采集和监视控制系统(SCADA)、实时控制系统(RTC)和决策支持系统(DSS)能达到较好的连接。同时在进行MOUSE和SWMM双引擎模拟计算的基础上，具备分析LID/BMPs的能力[18-19]。MIKE模型的子模型主要有MIKE11、MIKE21和MIKE URBAN等。

Apirumanekul等[20]利用MIKE URBAN对孟加拉国达卡市的排水系统进行了模拟分析，建模过程中不仅考虑了雨水管网系统和污水管网系统，而且对管网系统与城市街道的连接形式也进行了设置，将下垫面与管网综合进行考虑，明显提高了内涝模拟的精度。

朱茂森[21]利用MIKE 11模型对辽河上游福德店至通江口段的水质变化情况进行模拟，结果表明，通过模拟BOD5、NH3-N 和DO的沿程衰减过程，发现模型运行稳定，结果与理论相符。

初祁等[22]应用MIKE 21构建了北京市天堂河下游地区二维水动力学模型，结果表明：无论是P=20 a、50 a，还是P=100 a，最大淹没深度主要集中在南部和东部的地势低洼区，最大积水深度可达2 m以上，积水时间大于8 h，是洪涝灾害的重点防御区域。

1.3 流域+城镇

SWMM模型是应用在流域+城镇上较为典型的雨洪模型，其是目前世界上研究最深入应用最成熟的城市降雨-径流-水质模型。SWMM模型包含了径流模块、输送模块、扩展输送模块、调蓄/处理四个核心模块，目前主要应用于城市防洪排涝的规划和优化[23]。

SWMM 5.0版本之后增加了对LID/BMPs技术的支持，包涵了生物滞留网格、多孔路面、渗渠、雨桶、草洼五种LID设施，设施参数如表1所示[24]。SWMM模型将LID/BMPs单独划分成子汇水区，适用于小面积的LID模拟和较大区域的LID技术集成及雨洪控制效果模拟[25]。SWMM不但可以评估单个海绵体设施的效果，而且能够模拟城镇尺度下低影响开发设施对海绵城市径流量、径流峰值及水质的影响。

表1 LID技术参数表Tab.1 Technical Parameters of LID

注：√表示必选，○表示可选

Sun等[26]利用SWMM模型对纽约和锡拉库扎的汇水区域离散化进行了研究，最终确定出了适合于此两个区域的汇水区离散程度，在这一离散等级下模型系统与实际状况的符合程度最好，且模拟结果的输出值和稳定性均达到规范标准。

Janet等[27]利用SWMM对巴拉纳河流域的适用性进行了模拟，并利用实测降雨资料对模型进行率定，通过敏感性分析得出敏感性最高的参数是汇水区不透水率和不透水区地表洼地蓄水量，最不敏感的参数是曼宁系数。

王雯雯等[28]利用SWMM模型对LID模式的水文效应进行了模拟评估，结果表明，城市化后流域的洪峰流量显著增大、洪峰时间前移、径流系数变大，透水铺装和下凹式绿地两种LID设施在有效缓解雨水管网泄洪压力的同时亦可削减洪峰流量和减小径流系数。

1.4 城镇+单元

SUSTAIN模型是应用在流域+单元上较为典型的雨洪模型，其是目前国内LID/BMPs技术应用最多的模型，主要用于LID/BMPs水文水质设施的布局和优化[29]。

SUSTAIN以ArcGIS模型为基础平台，在成本分析和技术优化的基础上，融合了水文、水力和水质分析模型，以实现城镇或单元范围内雨洪整治方案有效性和经济性的评估和分析[30]。SUSTAIN模型包括框架管理、BMPs布局、土地模拟、BMPs模拟、传输模拟、优化和后处理程序等7个模块，不仅可以分析区域内的雨洪情况，同时也具有优化空间布局、输送设施间水文、模拟低影响开发设施水文效能等综合功能[31-32]，BMPs模拟情况如图1所示。

图1 SUSTAIN模型在BMPs中的模拟流程Fig.1 Simulated Processes of BMPs Applied in SUSTAIN Model

Lee等[33]利用SUSTAIN模型评估堪萨斯州一处面积约为40.5 km2区域的雨洪过程，最终模拟出径流量削减曲线和TSS污染负荷削减曲线，得出模拟区域实施的生物滞留池与透水路面两种LID设施有效削减了70%的年径流量，同时这些LID设施的最低成本为320 000美元。

美国EPA[34]为了更好诠释SUSTAIN模型的使用，选取了美国威斯康星州的Upper North Branch Oak Creek流域作为研究案例，区域面积为11.4 km2，所使用的LID设施为植生滞留池、透水铺面、干式滞留池，模拟结果表明，TSS削减率为27.3%。

唐颖[35]利用SUSTAIN模型模拟探究了广东省环境保护职业技术学院佛山校区内各种LID/BMPs规划情景，有效设计和评估了LID/BMPs措施类型、地点分布和技术效果，对于在我国利用SUSTAIN模型开展LID措施的模型分析与设计评估具有较大的参考价值。

为研究降雨径流过程和污染负荷变化规律，董欣等[36]以屋面为例，基于HSY和Monte Carlo方法对SWMM模型的大量参数进行优化，确定了不透水区初损填洼量等6个关键参数，较大幅度提高了SWMM的运行灵敏度和运行速度。

1.5 城镇

Sewer GEMS模型是应用在城镇尺度上较为典型的雨洪模型，其主要用于污水或雨污排放混合系统的模拟，尤其对雨污合流系统具有很强的管道错接和溢流模拟能力，具体应用方向包括分配和估算雨污水负荷以及分析水力和雨污混合系统溢流等，其同时具备设计和优化LID设施、模拟水质变化的能力[37]。

Sewer GEMS模型其内置了水力和水文学基本公式，在多引擎计算的基础上可以进行精确的排水系统动态模拟，同时可与独立平台、Auto CAD、ArcGIS和MicroStation实现互操作，为工程人员分析、设计和运作污水及雨污混合系统提供简洁实用的操作环境[38]。

Mallik[39]在2014年利用Sewer GEMS对孟加拉国西部多个不同地区的排水系统进行了水力建模，并进行了相关模型的优化和修正使其最大程度地符合实际运行状况，随后利用 Sewer GEMS对未规划区域的排水系统进行了模拟，制定了3个经济性较强的排水系统规划方案。

王荣和等[40]应用 Sewer GEMS 进行了给排水管网模型评估，分析了排水系统模型的应用和发展，提出利用生命周期分析来进行相关评估的理念，从基础数据导入、模型系统建立、模型校核、模型现状分析以及模型辅助规划等方面开展了工作，最终制定出了给排水模型系统的维护与管理措施。

2 雨洪模型不足之处

城市雨洪管理模型近几年发展较为迅速，但需要清楚认识的是任何雨洪模型都有其特定的前提条件和适用范围，亦即任何雨洪模型均存在一定的限制性，故当前适用于海绵城市的雨洪模型还存在一些不足，今后需要围绕以下几点不断进行完善。

(1)模拟功能不完善

多数雨洪模型未能根据不同城市的不同基础条件对水文、水力、水质、经济和环境风险等参数进行系统整合，具体表现为：1)模型的水文物理过程和污染物去除过程机理分析仍不完善；2)模型缺少可靠性和风险分析；3)模型多数用于规划设计，用于暴雨灾害预测和预报的较少；4)多数模型参数复杂，分析计算速度较慢。

(2)LID设施评价不足

目前多数雨洪模型中的LID设施在用于海绵城市建设时可以取得较好的模拟效果，但评价机制不完整，具体表现为：1)LID设施试验或模拟多是从小实验面积或微观尺度进行，研究范围尚未扩展到城市区域和流域尺度；2)缺乏与周围排水管网系统的有机结合；3)未充分考虑单项LID设施和其他LID设施组合情况下的变化情况。

(3)模型参数不准确

我国使用的雨洪模型大多由国外公司开发设计，模型手册中的数据也多数源于国外，而我国城市下垫面、土地利用类型、土壤类型、河道类型等基础条件所涉及的模型参数与国外不尽相同。使用人员在选取模型参数时多为从模型手册中直接选定，经模型率定发现部分模型参数误差较大，在一定程度上降低了模型的准确性和科学性。另外不同城市、不同功能区的基础条件也不尽相同，在选取模型参数及进行模型率定时也要加以区别。

(4)山地城市雨洪模拟缺乏

目前多数雨洪模型在海绵城市建设中的应用限于平原或地势平坦地区，在山地或地势崎岖地区中的研究还相对较少。山地或地势崎岖地区的下垫面情况较为复杂多变，在此类型中运用雨洪模型进行模拟时需考虑的因素众多、难度较大。

3 展望

(1)进一步加强雨水产汇流过程中各个环节的机理研究，深化水文水力物理过程、水质净化过程、环境因子等因素之间的耦合作用，加强雨洪模型与ArcGIS、RS、WASP和HEC-HMS等模型联用方面的研究，充分发挥各软件的优势，不断完善模拟功能和丰富模拟结果输出形式。

(2)进行LID设施模拟时，应加入和周边排水管网的衔接模拟，并充分考虑单项LID设施和其他LID设施组合情况下径流和水质等结果的变化情况。

(3)应根据城市实际基础条件因地制宜地设置SWMM模型的参数，必要时要通过试验方式确定参数数值，而非仅仅从模型手册中获取。同时，对不同城市、不同功能区所涉及的模型参数进行甄别，确保模型参数的准确性。

(4)加强雨洪模型在山地或地势崎岖地区中的模拟研究，此方面的研究应确保坡度、土地类型、土壤类型和河道参数等数据的准确性。