隨著(zhù)我國城市化進(jìn)程的不斷加快，城市下墊面條件也隨之發(fā)生了很大變化，城市發(fā)展過(guò)程中面臨的洪澇災害和水體污染等問(wèn)題日益突出。在此背景下，國家提出了建設海綿城市的新理念，提倡構建低影響開(kāi)發(fā)(lowimpactdevelopment，簡(jiǎn)稱(chēng)LID)雨水系統，通過(guò)“滲、滯、蓄、凈、用、排”等最佳流域管理措施(bestmanagementpractices，簡(jiǎn)稱(chēng)BMPs)構建不同的城市海綿體，以此來(lái)適應雨洪變化和應對自然災害。盡管海綿城市這一新生理念為我們開(kāi)辟了治理洪澇和改善城市生態(tài)水文環(huán)境的新思路，但我國在實(shí)際建設中卻存在眾多困難。主要原因之一是缺乏有效LID設計和評估工具，較難把自然因素、地域條件、人類(lèi)行為等復雜關(guān)系轉換成程序化的系統或工具，而有效的雨洪模型軟件可為海綿城市的規劃和建設提供設計指導，從而大大提高海綿城市建設的科學(xué)性和可靠性。
目前關(guān)于雨洪模型的文獻報道已屢見(jiàn)不鮮，但大多數的報道仍未系統地介紹與海綿城市雨洪管理相關(guān)的模型發(fā)展概況。通過(guò)對國內外城市雨洪和低影響開(kāi)發(fā)模型進(jìn)行總結，對InfoWorks、MIKE、SWMM、SUSTAIN、SewerGEMS五個(gè)典型模型進(jìn)行分析，對這些模型的應用特點(diǎn)和發(fā)展趨勢進(jìn)行探究和剖析，以期為我國海綿城市建設過(guò)程中雨洪模型的選取和使用提供科學(xué)依據。
1常用模型及分類(lèi)
根據海綿城市的層級結構劃分，從流域、河流、城鎮、單元尺度對雨洪模型進(jìn)行分析。流域尺度主要指組成城市水生態(tài)功能系統的湖泊、河流和水庫等生態(tài)敏感區；河流尺度主要指連接城市和自然生境的雨洪排泄通道；城鎮尺度主要指匯水區、管道節點(diǎn)和不透水區等綠色和灰色城市基礎設施；單元尺度主要指分布在源頭、過(guò)程和末端的微觀(guān)低影響控制措施。
1.1河流+城鎮
InfoWorks模型是應用在河流+城鎮尺度上較為典型的雨洪模型，其集成了城市地上和地下雨水系統，從整體上實(shí)現對整個(gè)城市雨水系統、污水系統和流域系統的動(dòng)態(tài)模擬。
InfoWorks模型包含了降雨處理模塊、地面徑流模塊、入滲蓄積模塊、低沖擊開(kāi)發(fā)模塊、水質(zhì)分析模塊，可以對現有排水系統進(jìn)行準確地建模和現狀分析，更為真實(shí)地模擬地下排水系統與地表受納水體之間的相互作用，并進(jìn)行實(shí)時(shí)洪水預報、預警，繼而可以更為準確地排查出排水系統存在的弊端和瓶頸問(wèn)題，之后又可以利用軟件輔助規劃和改建工程的建設，為排水系統提供全方位的功能支持。目前應用較為廣泛的子模型有InfoWorksICM、InfoWorksCS和InfoWorksRS等。
李建勇以ICM模型為平臺，通過(guò)不同的降雨情景對上海市楊浦濱江區排水管網(wǎng)系統進(jìn)行了模擬計算，評估了排水口出水狀況和管道負荷情況，并在此基礎上對瓶頸的管網(wǎng)進(jìn)行優(yōu)化，為區域防洪排澇和管網(wǎng)改造與維護提供了技術(shù)和決策支持。
姚宇等利用InfoWorksCS模型對蚌埠市沫河口工業(yè)園排水管網(wǎng)進(jìn)行模擬，評估了城市核心區排水系統的運行性能，為排水管網(wǎng)的改擴建及應急預案的優(yōu)化提供分析平臺。
Othman等在2013年利用InfoWorksRS進(jìn)行了赤道地區洪澇Infoworks事件的模擬，將自1926年到2012年的洪澇災害進(jìn)行了建模分析，為當地區域繪制了內澇災害風(fēng)險圖，給內澇預防提供了有效措施。
1.2流域+河流+城鎮
MIKE模型是應用在流域+河流+城鎮尺度上較為典型的雨洪模型，其可用于一維或二維上流域、河流、河口、海岸和管網(wǎng)的水文、水質(zhì)、水力模擬。MIKE模型包含水動(dòng)力學(xué)、降雨徑流和水質(zhì)分析等模塊，不僅配置了所有針對雨洪模型、排水管網(wǎng)和供水管網(wǎng)所需的分析工具，而且集成了GIS模塊，與數據采集和監視控制系統(SCADA)、實(shí)時(shí)控制系統(RTC)和決策支持系統(DSS)能達到較好的連接。同時(shí)在進(jìn)行MOUSE和SWMM雙引擎模擬計算的基礎上，具備分析LID/BMPs的能力。MIKE模型的子模型主要有MIKE11、MIKE21和MIKEURBAN等。
Apirumanekul等利用MIKEURBAN對孟加拉國達卡市的排水系統進(jìn)行了模擬分析，建模過(guò)程中不僅考慮了雨水管網(wǎng)系統和污水管網(wǎng)系統，而且對管網(wǎng)系統與城市街道的連接形式也進(jìn)行了設置，將下墊面與管網(wǎng)綜合進(jìn)行考慮，明顯提高了內澇模擬的精度。
朱茂森利用MIKE11模型對遼河上游福德店至通江口段的水質(zhì)變化情況進(jìn)行模擬，結果表明，通過(guò)模擬BOD5、NH3-N和DO的沿程衰減過(guò)程，發(fā)現模型運行穩定，結果與理論相符。
初祁等應用MIKE21構建了北京市天堂河下游地區二維水動(dòng)力學(xué)模型，結果表明：無(wú)論是P=20a、50a，還是P=100a，最大淹沒(méi)深度主要集中在南部和東部的地勢低洼區，最大積水深度可達2m以上，積水時(shí)間大于8h，是洪澇災害的重點(diǎn)防御區域。
1.3流域+城鎮
SWMM模型是應用在流域+城鎮上較為典型的雨洪模型，其是目前世界上研究最深入應用最成熟的城市降雨-徑流-水質(zhì)模型。SWMM模型包含了徑流模塊、輸送模塊、擴展輸送模塊、調蓄/處理四個(gè)核心模塊，目前主要應用于城市防洪排澇的規劃和優(yōu)化。
SWMM5.0版本之后增加了對LID/BMPs技術(shù)的支持，包涵了生物滯留網(wǎng)格、多孔路面、滲渠、雨桶、草洼五種LID設施，設施參數如表1所示。SWMM模型將LID/BMPs單獨劃分成子匯水區，適用于小面積的LID模擬和較大區域的LID技術(shù)集成及雨洪控制效果模擬。SWMM不但可以評估單個(gè)海綿體設施的效果，而且能夠模擬城鎮尺度下低影響開(kāi)發(fā)設施對海綿城市徑流量、徑流峰值及水質(zhì)的影響。
Sun等利用SWMM模型對紐約和錫拉庫扎的匯水區域離散化進(jìn)行了研究，最終確定出了適合于此兩個(gè)區域的匯水區離散程度，在這一離散等級下模型系統與實(shí)際狀況的符合程度最好，且模擬結果的輸出值和穩定性均達到規范標準。
表1LID技術(shù)參數表
Janet等利用SWMM對巴拉納河流域的適用性進(jìn)行了模擬，并利用實(shí)測降雨資料對模型進(jìn)行率定，通過(guò)敏感性分析得出敏感性最高的參數是匯水區不透水率和不透水區地表洼地蓄水量，最不敏感的參數是曼寧系數。
王雯雯等利用SWMM模型對LID模式的水文效應進(jìn)行了模擬評估，結果表明，城市化后流域的洪峰流量顯著(zhù)增大、洪峰時(shí)間前移、徑流系數變大，透水鋪裝和下凹式綠地兩種LID設施在有效緩解雨水管網(wǎng)泄洪壓力的同時(shí)亦可削減洪峰流量和減小徑流系數。
1.4城鎮+單元
SUSTAIN模型是應用在流域+單元上較為典型的雨洪模型，其是目前國內LID/BMPs技術(shù)應用最多的模型，主要用于LID/BMPs水文水質(zhì)設施的布局和優(yōu)化。
SUSTAIN以ArcGIS模型為基礎平臺，在成本分析和技術(shù)優(yōu)化的基礎上，融合了水文、水力和水質(zhì)分析模型，以實(shí)現城鎮或單元范圍內雨洪整治方案有效性和經(jīng)濟性的評估和分析。SUSTAIN模型包括框架管理、BMPs布局、土地模擬、BMPs模擬、傳輸模擬、優(yōu)化和后處理程序等7個(gè)模塊，不僅可以分析區域內的雨洪情況，同時(shí)也具有優(yōu)化空間布局、輸送設施間水文、模擬低影響開(kāi)發(fā)設施水文效能等綜合功能，BMPs模擬情況如圖1所示。
圖1SUSTAIN模型在BMP中的模擬流程
Lee等利用SUSTAIN模型評估堪薩斯州一處面積約為40.5km2區域的雨洪過(guò)程，最終模擬出徑流量削減曲線(xiàn)和TSS污染負荷削減曲線(xiàn)，得出模擬區域實(shí)施的生物滯留池與透水路面兩種LID設施有效削減了70%的年徑流量，同時(shí)這些LID設施的最低成本為320000美元。
美國EPA為了更好詮釋SUSTAIN模型的使用，選取了美國威斯康星州的UpperNorthBranchOakCreek流域作為研究案例，區域面積為11.4km2，所使用的LID設施為植生滯留池、透水鋪面、干式滯留池，模擬結果表明，TSS削減率為27.3%。
唐穎利用SUSTAIN模型模擬探究了廣東省環(huán)境保護職業(yè)技術(shù)學(xué)院佛山校區內各種LID/BMPs規劃情景，有效設計和評估了LID/BMPs措施類(lèi)型、地點(diǎn)分布和技術(shù)效果，對于在我國利用SUSTAIN模型開(kāi)展LID措施的模型分析與設計評估具有較大的參考價(jià)值。
為研究降雨徑流過(guò)程和污染負荷變化規律，董欣等以屋面為例，基于HSY和MonteCarlo方法對SWMM模型的大量參數進(jìn)行優(yōu)化，確定了不透水區初損填洼量等6個(gè)關(guān)鍵參數，較大幅度提高了SWMM的運行靈敏度和運行速度。
1.5城鎮
SewerGEMS模型是應用在城鎮尺度上較為典型的雨洪模型，其主要用于污水或雨污排放混合系統的模擬，尤其對雨污合流系統具有很強的管道錯接和溢流模擬能力，具體應用方向包括分配和估算雨污水負荷以及分析水力和雨污混合系統溢流等，其同時(shí)具備設計和優(yōu)化LID設施、模擬水質(zhì)變化的能力。
SewerGEMS模型其內置了水力和水文學(xué)基本公式，在多引擎計算的基礎上可以進(jìn)行精確的排水系統動(dòng)態(tài)模擬，同時(shí)可與獨立平臺、AutoCAD、ArcGIS和MicroStation實(shí)現互操作，為工程人員分析、設計和運作污水及雨污混合系統提供簡(jiǎn)潔實(shí)用的操作環(huán)境。
Mallik等在2014年利用SewerGEMS對孟加拉國西部多個(gè)不同地區的排水系統進(jìn)行了水力建模，并進(jìn)行了相關(guān)模型的優(yōu)化和修正使其最大程度地符合實(shí)際運行狀況，隨后利用SewerGEMS對未規劃區域的排水系統進(jìn)行了模擬，制定了3個(gè)經(jīng)濟性較強的排水系統規劃方案。
王榮和等應用SewerGEMS進(jìn)行了給排水管網(wǎng)模型評估，分析了排水系統模型的應用和發(fā)展，提出利用生命周期分析來(lái)進(jìn)行相關(guān)評估的理念，從基礎數據導入、模型系統建立、模型校核、模型現狀分析以及模型輔助規劃等方面開(kāi)展了工作，最終制定出了給排水模型系統的維護與管理措施。
2雨洪模型不足之處
城市雨洪管理模型近幾年發(fā)展較為迅速，但需要清楚認識的是任何雨洪模型都有其特定的前提條件和適用范圍，亦即任何雨洪模型均存在一定的限制性，故當前適用于海綿城市的雨洪模型還存在一些不足，今后需要圍繞以下幾點(diǎn)不斷進(jìn)行完善。
?。?）模擬功能不完善
多數雨洪模型未能根據不同城市的不同基礎條件對水文、水力、水質(zhì)、經(jīng)濟和環(huán)境風(fēng)險等參數進(jìn)行系統整合，具體表現為：1）模型的水文物理過(guò)程和污染物去除過(guò)程機理分析仍不完善；2）模型缺少可靠性和風(fēng)險分析；3）模型多數用于規劃設計，用于暴雨災害預測和預報的較少；4）多數模型參數復雜，分析計算速度較慢。
?。?）LID設施評價(jià)不足
目前多數雨洪模型中的LID設施在用于海綿城市建設時(shí)可以取得較好的模擬效果，但評價(jià)機制不完整，具體表現為：1）LID設施試驗或模擬多是從小實(shí)驗面積或微觀(guān)尺度進(jìn)行，研究范圍尚未擴展到城市區域和流域尺度；2）缺乏與周?chē)潘芫W(wǎng)系統的有機結合；3）未充分考慮單項LID設施和其他LID設施組合情況下的變化情況。
?。?）模型參數不準確
我國使用的雨洪模型大多由國外公司開(kāi)發(fā)設計，模型手冊中的數據也多數源于國外，而我國城市下墊面、土地利用類(lèi)型、土壤類(lèi)型、河道類(lèi)型等基礎條件所涉及的模型參數與國外不盡相同。使用人員在選取模型參數時(shí)多為從模型手冊中直接選定，經(jīng)模型率定發(fā)現部分模型參數誤差較大，在一定程度上降低了模型的準確性和科學(xué)性。另外不同城市、不同功能區的基礎條件也不盡相同，在選取模型參數及進(jìn)行模型率定時(shí)也要加以區別。
?。?）山地城市雨洪模擬缺乏
目前多數雨洪模型在海綿城市建設中的應用限于平原或地勢平坦地區，在山地或地勢崎嶇地區中的研究還相對較少。山地或地勢崎嶇地區的下墊面情況較為復雜多變，在此類(lèi)型中運用雨洪模型進(jìn)行模擬時(shí)需考慮的因素眾多、難度較大。
3展望
?。?）進(jìn)一步加強雨水產(chǎn)匯流過(guò)程中各個(gè)環(huán)節的機理研究，深化水文水力物理過(guò)程、水質(zhì)凈化過(guò)程、環(huán)境因子等因素之間的耦合作用，加強雨洪模型與ArcGIS、RS、WASP和HEC-HMS等模型聯(lián)用方面的研究，充分發(fā)揮各軟件的優(yōu)勢，不斷完善模擬功能和豐富模擬結果輸出形式。
?。?）進(jìn)行LID設施模擬時(shí)，應加入和周邊排水管網(wǎng)的銜接模擬，并充分考慮單項LID設施和其他LID設施組合情況下徑流和水質(zhì)等結果的變化情況。
?。?）應根據城市實(shí)際基礎條件因地制宜地設置SWMM模型的參數，必要時(shí)要通過(guò)試驗方式確定參數數值，而非僅僅從模型手冊中獲取。同時(shí)，對不同城市、不同功能區所涉及的模型參數進(jìn)行甄別，確保模型參數的準確性。
?。?）加強雨洪模型在山地或地勢崎嶇地區中的模擬研究，此方面的研究應確保坡度、土地類(lèi)型、土壤類(lèi)型和河道參數等數據的準確性。
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