海綿城市建設的典型雨洪模型大全
隨著我國城市化進程的不斷加快，城市下墊面條件也隨之發生了很大變化，城市發展過程中面臨的洪澇災害和水體污染等問題日益突出。在此背景下，國家提出了建設海綿城市的新理念，提倡構建低影響開發(lowimpactdevelopment，簡稱LID)雨水系統，通過“滲、滯、蓄、凈、用、排”等最佳流域管理措施(bestmanagementpractices，簡稱BMPs)構建不同的城市海綿體，以此來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辟了治理洪澇和改善城市生態水文環境的新思路，但我國在實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、人類行為等復雜關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性和可靠性。
目前關于雨洪模型的文獻報道已屢見不鮮，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的模型發展概況。通過對國內外城市雨洪和低影響開發模型進行總結，對InfoWorks、MIKE、SWMM、SUSTAIN、SewerGEMS五個典型模型進行分析，對這些模型的應用特點和發展趨勢進行探究和剖析，以期為我國海綿城市建設過程中雨洪模型的選取和使用提供科學依據。
1常用模型及分類
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行分析。流域尺度主要指組成城市水生態功能系統的湖泊、河流和水庫等生態敏感區；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、過程和末端的微觀低影響控制措施。
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，從整體上實現對整個城市雨水系統、污水系統和流域系統的動態模擬。
InfoWorks模型包含了降雨處理模塊、地面徑流模塊、入滲蓄積模塊、低沖擊開發模塊、水質分析模塊，可以對現有排水系統進行準確地建模和現狀分析，更為真實地模擬地下排水系統與地表受納水體之間的相互作用，并進行實時洪水預報、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，通過不同的降雨情景對上海市楊浦濱江區排水管網系統進行了模擬計算，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進行優化，為區域防洪排澇和管網改造與維護提供了技術和決策支持。
姚宇等利用InfoWorksCS模型對蚌埠市沫河口工業園排水管網進行模擬，評估了城市核心區排水系統的運行性能，為排水管網的改擴建及應急預案的優化提供分析平臺。
Othman等在2013年利用InfoWorksRS進行了赤道地區洪澇Infoworks事件的模擬，將自1926年到2012年的洪澇災害進行了建模分析，為當地區域繪制了內澇災害風險圖，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、海岸和管網的水文、水質、水力模擬。MIKE模型包含水動力學、降雨徑流和水質分析等模塊，不僅配置了所有針對雨洪模型、排水管網和供水管網所需的分析工具，而且集成了GIS模塊，與數據采集和監視控制系統(SCADA)、實時控制系統(RTC)和決策支持系統(DSS)能達到較好的連接。同時在進行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行了模擬分析，建模過程中不僅考慮了雨水管網系統和污水管網系統，而且對管網系統與城市街道的連接形式也進行了設置，將下墊面與管網綜合進行考慮，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變化情況進行模擬，結果表明，通過模擬BOD5、NH3-N和DO的沿程衰減過程，發現模型運行穩定，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力學模型，結果表明：無論是P=20a、50a，還是P=100a，最大淹沒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，積水時間大于8h，是洪澇災害的重點防御區域。
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/處理四個核心模塊，目前主要應用于城市防洪排澇的規劃和優化。
SWMM5.0版本之后增加了對LID/BMPs技術的支持，包涵了生物滯留網格、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技術集成及雨洪控制效果模擬。SWMM不但可以評估單個海綿體設施的效果，而且能夠模擬城鎮尺度下低影響開發設施對海綿城市徑流量、徑流峰值及水質的影響。
Sun等利用SWMM模型對紐約和錫拉庫扎的匯水區域離散化進行了研究，最終確定出了適合于此兩個區域的匯水區離散程度，在這一離散等級下模型系統與實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技術參數表
Janet等利用SWMM對巴拉納河流域的適用性進行了模擬，并利用實測降雨資料對模型進行率定，通過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模式的水文效應進行了模擬評估，結果表明，城市化后流域的洪峰流量顯著增大、洪峰時間前移、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泄洪壓力的同時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技術應用最多的模型，主要用于LID/BMPs水文水質設施的布局和優化。
SUSTAIN以ArcGIS模型為基礎平臺，在成本分析和技術優化的基礎上，融合了水文、水力和水質分析模型，以實現城鎮或單元范圍內雨洪整治方案有效性和經濟性的評估和分析。SUSTAIN模型包括框架管理、BMPs布局、土地模擬、BMPs模擬、傳輸模擬、優化和后處理程序等7個模塊，不僅可以分析區域內的雨洪情況，同時也具有優化空間布局、輸送設施間水文、模擬低影響開發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區域的雨洪過程，最終模擬出徑流量削減曲線和TSS污染負荷削減曲線，得出模擬區域實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境保護職業技術學院佛山校區內各種LID/BMPs規劃情景，有效設計和評估了LID/BMPs措施類型、地點分布和技術效果，對于在我國利用SUSTAIN模型開展LID措施的模型分析與設計評估具有較大的參考價值。
為研究降雨徑流過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模型的大量參數進行優化，確定了不透水區初損填洼量等6個關鍵參數，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，其同時具備設計和優化LID設施、模擬水質變化的能力。
SewerGEMS模型其內置了水力和水文學基本公式，在多引擎計算的基礎上可以進行精確的排水系統動態模擬，同時可與獨立平臺、AutoCAD、ArcGIS和MicroStation實現互操作，為工程人員分析、設計和運作污水及雨污混合系統提供簡潔實用的操作環境。
Mallik等在2014年利用SewerGEMS對孟加拉國西部多個不同地區的排水系統進行了水力建模，并進行了相關模型的優化和修正使其最大程度地符合實際運行狀況，隨后利用SewerGEMS對未規劃區域的排水系統進行了模擬，制定了3個經濟性較強的排水系統規劃方案。
王榮和等應用SewerGEMS進行了給排水管網模型評估，分析了排水系統模型的應用和發展，提出利用生命周期分析來進行相關評估的理念，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不斷進行完善。
（1）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、經濟和環境風險等參數進行系統整合，具體表現為：1）模型的水文物理過程和污染物去除過程機理分析仍不完善；2）模型缺少可靠性和風險分析；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。
（2）LID設施評價不足
目前多數雨洪模型中的LID設施在用于海綿城市建設時可以取得較好的模擬效果，但評價機制不完整，具體表現為：1）LID設施試驗或模擬多是從小實驗面積或微觀尺度進行，研究范圍尚未擴展到城市區域和流域尺度；2）缺乏與周圍排水管網系統的有機結合；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。
（3）模型參數不準確
我國使用的雨洪模型大多由國外公司開發設計，模型手冊中的數據也多數源于國外，而我國城市下墊面、土地利用類型、土壤類型、河道類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多為從模型手冊中直接選定，經模型率定發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行模型率定時也要加以區別。
（4）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，在此類型中運用雨洪模型進行模擬時需考慮的因素眾多、難度較大。
3展望
（1）進一步加強雨水產匯流過程中各個環節的機理研究，深化水文水力物理過程、水質凈化過程、環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等模型聯用方面的研究，充分發揮各軟件的優勢，不斷完善模擬功能和豐富模擬結果輸出形式。
（2）進行LID設施模擬時，應加入和周邊排水管網的銜接模擬，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等結果的變化情況。
（3）應根據城市實際基礎條件因地制宜地設置SWMM模型的參數，必要時要通過試驗方式確定參數數值，而非僅僅從模型手冊中獲取。同時，對不同城市、不同功能區所涉及的模型參數進行甄別，確保模型參數的準確性。
（4）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、土地類型、土壤類型和河道參數等數據的準確性。
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