基于GI措施的城市雨水管理模型評析

付恒陽，李榜晏，符　錦

(1.陜西理工大學(xué) a.歷史文化與旅游學(xué)院；b.秦嶺與蜀道地理研究所，陜西 漢中　723000；2.西安建筑科技大學(xué) 建筑學(xué)院，西安　710055；3.西安理工大學(xué) 藝術(shù)學(xué)院，西安　710048)

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基于GI措施的城市雨水管理模型評析

付恒陽1a,1b，李榜晏2，符錦3

(1.陜西理工大學(xué) a.歷史文化與旅游學(xué)院；b.秦嶺與蜀道地理研究所，陜西 漢中723000；2.西安建筑科技大學(xué) 建筑學(xué)院，西安710055；3.西安理工大學(xué) 藝術(shù)學(xué)院，西安710048)

鑒于模型應(yīng)用的廣泛性以及軟件升級的可能性，評析了國內(nèi)外近些年較為流行的8個(gè)基于綠色基礎(chǔ)設(shè)施(GI)的城市雨水管理模型。分別從GI雨水水質(zhì)和徑流量控制、GI經(jīng)濟(jì)效益分析、GI雨水管理及經(jīng)濟(jì)分析集成模型3方面對模型進(jìn)行分類；從GI實(shí)踐的典型性、空間尺度、模型的算法、數(shù)據(jù)的輸入和輸出、用戶界面和工具應(yīng)用幾個(gè)方面對模型進(jìn)行詳細(xì)闡釋；從模型支持的GI類型、模擬方法、輸入?yún)?shù)、模擬精度、應(yīng)用范圍幾個(gè)方面比較了模型的不同屬性；總結(jié)了幾個(gè)典型模型在中國的應(yīng)用情況，指出亟待解決的問題。針對目前模型的優(yōu)缺點(diǎn)，提出未來雨水管理模型研發(fā)的方向和趨勢。通過本研究，幫助城市雨水管理者和研究人員了解不同的基于GI措施的雨水管理模型的特征及用途，有助于他們在實(shí)踐中根據(jù)自身需求恰當(dāng)選用模型。

雨水管理模型；綠色基礎(chǔ)設(shè)施(GI)；徑流量；經(jīng)濟(jì)效益分析；SUSTAIN模型

1　研究背景

隨著城市的快速發(fā)展，城區(qū)地表硬化面積在逐步擴(kuò)大，而可用綠地空間在逐步減少。由于下墊面的改變和不透水面積的增加，改變了城市水循環(huán)系統(tǒng)，導(dǎo)致降雨時(shí)地表徑流的增加和城市水體水質(zhì)的污染[1]。因此，為了改進(jìn)地表環(huán)境同時(shí)實(shí)現(xiàn)對雨水的管理，近些年引入了綠色基礎(chǔ)設(shè)施(GI)技術(shù)，并成為控制非點(diǎn)源雨水污染和自然環(huán)境恢復(fù)最有前景的方法[2]。

廣義上說，GI是一個(gè)相互聯(lián)系的綠地網(wǎng)絡(luò)，旨在通過綠色基礎(chǔ)設(shè)施的構(gòu)建來突破傳統(tǒng)生態(tài)保護(hù)的局限性，最終實(shí)現(xiàn)生態(tài)、社會、經(jīng)濟(jì)的協(xié)調(diào)和可持續(xù)發(fā)展[3]?；贕I理念的城市雨水管理是利用城市濕地、生態(tài)蓄留池、生態(tài)廊道、綠色屋頂?shù)染唧w技術(shù)與方法來實(shí)現(xiàn)對雨水徑流的控制、凈化和利用[4]，類似于低影響開發(fā)雨洪管理策略(LID)或城市降雨徑流最佳管理措施(BMPs)。近期研究發(fā)現(xiàn)，利用GI措施進(jìn)行徑流及水質(zhì)控制是雨洪管理的最有效方法之一，不僅可以改善城市水循環(huán)，而且可以提供其他重要的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)，包括節(jié)省能源、凈化空氣、減少城市熱島效應(yīng)、改善居民居住環(huán)境以及美化城市市容等[5]。

有關(guān)雨水管理模型的評價(jià)已有文獻(xiàn)報(bào)道，如王建龍等[6](2010)介紹了基于低影響開發(fā)技術(shù)的雨水管理模型。而目前還沒有針對GI雨水管理性能及GI成本效益分析的模型評價(jià)。鑒于模型應(yīng)用的廣泛性以及軟件升級的可能性，本文選擇了8個(gè)目前較為流行的基于GI的雨水管理模型，分別從GI措施的典型性、空間尺度、模型的算法、數(shù)據(jù)的輸入和輸出、用戶界面和工具應(yīng)用幾個(gè)方面對這些模型進(jìn)行詳細(xì)描述，從模擬方法、數(shù)據(jù)要求、準(zhǔn)確性和區(qū)域限制進(jìn)行對比分析，并提出模型今后的發(fā)展方向。

2　GI雨水水質(zhì)和徑流控制模型

2.1P8模型

P8(Program for Predicting Polluting Particle Passage through Pits,Puddles,and Ponds)是預(yù)測城市積水區(qū)徑流產(chǎn)生和運(yùn)移的一個(gè)模型[7]，主要用于評價(jià)GI措施對清除雨水徑流中總懸浮固體(TSS)的性能。該模型可以模擬的GI措施有雨水花壇、自然滲濾池、下洼式綠地和植被緩沖帶。近些年來，該模型廣泛應(yīng)用于GI的初級設(shè)計(jì)[8]，適用范圍多用于場地GI實(shí)踐，有時(shí)也可以擴(kuò)展到一個(gè)流域。

P8的徑流模擬算法源于許多其他流域模型，例如雨水管理模型(SWMM)、STORM模型、水文模擬程序(HSPF)和TR-20等?？蓾B透區(qū)域的徑流計(jì)算源于水土保持部門給出的徑流曲線值方法，在洼地儲水量已知情況下，不透水區(qū)域的徑流量通過計(jì)算區(qū)域降雨量獲得。

模型的主要輸入?yún)?shù)是流域特征和GI設(shè)施、水質(zhì)成分特征、降雨量(每小時(shí)的連續(xù)降雨量)和氣溫。輸出結(jié)果以列表形式呈現(xiàn)，包括懸浮物去除效率、模擬前后徑流量比較、沉積物堆積速率、流入或流出GI措施的各水質(zhì)指標(biāo)濃度平均值、時(shí)間序列圖等。該模型應(yīng)用程序用圖表形式設(shè)計(jì)，方便用戶使用，易于被相關(guān)研究人員進(jìn)行二次開發(fā)。

2.2城市暴雨管理模型(SWMM)

城市暴雨管理模型(EPA Stormwater Management Model，SWMM)是水資源管理研究人員應(yīng)用最廣的徑流模擬工具之一，該模型能夠評價(jià)多種GI措施，如透水鋪裝、雨水花園、屋頂綠化、街道植被滲濾帶、礫石滯留池、下洼式綠地等。該軟件應(yīng)用空間較廣，小到一個(gè)場地，大到一個(gè)流域。在模擬GI措施對降雨徑流的作用時(shí)，該工具采用了子流域?yàn)榛A(chǔ)的方法，其原理是雨水產(chǎn)生的徑流被分流到類似于存儲器或水處理設(shè)備的不同GI措施中[9]。

SWMM主要由4個(gè)模塊組成，分別是徑流模塊( Runoff Block)、輸送模塊(Transport Block)、擴(kuò)展的輸送模塊(Extended Transport Block)、調(diào)蓄/處理模塊(Storage/Treatment Block)，每個(gè)模塊用于模擬GI作用下水文循環(huán)的不同階段[10]。4個(gè)模塊都可以模擬GI對雨水徑流的滯留過程，同時(shí)S/T模塊還可用于模擬多種GI的水質(zhì)改善過程。該模型在模擬GI的雨水水質(zhì)管理中采用了一階衰變，其中運(yùn)移模塊采用沉降速度來模擬懸浮固體的沉降過程。

SWMM要求的輸入?yún)?shù)包括流域面積、流域?qū)挾?、子流域坡度、降雨?shù)據(jù)、不透水面積占匯水區(qū)的百分比、透水區(qū)和不透水區(qū)內(nèi)洼地的儲水量。另外，在模擬GI對雨水徑流管理的有效性時(shí)，還要輸入GI的尺寸大小。導(dǎo)入數(shù)據(jù)后，模型會輸出一個(gè)報(bào)告文件，詳細(xì)描述模擬的狀態(tài)。模型還利用輸出的報(bào)告文件創(chuàng)建時(shí)間序列圖表，并統(tǒng)計(jì)、分析模擬結(jié)果。該模型具有用戶友好型圖形界面，通過導(dǎo)入CAD或GIS，使研究區(qū)更具可視化，不足之處是SWMM軟件應(yīng)用時(shí)需要使用者具備有關(guān)水文建模的基本知識，這限制了該軟件只適用于特定用戶組[11]。

3　GI經(jīng)濟(jì)分析模型

3.1GI評估工具包

GI評估工具包(The Green Infrastructure Valuation Toolkit)是一個(gè)基于Excel的電子表格工具，通過計(jì)算GI覆蓋的土地面積或綠地空間，可以得出不同GI的經(jīng)濟(jì)效益。該工具有助于于在現(xiàn)有的GI措施中挑選最佳方案，同時(shí)也可以比較GI方法相對于傳統(tǒng)雨水管理方法的優(yōu)勢。該模型針對的用戶群體是城市雨水管理者、相關(guān)研究人員和其他對GI投資感興趣的利益相關(guān)者。GI評估工具包和其他模型之間的差別是該模型不僅可以計(jì)算GI帶來的雨水管理經(jīng)濟(jì)效益，而且還可以評估GI產(chǎn)生的其他社會效益，包括緩解氣候變化、提高社區(qū)福祉、提高土地利用價(jià)值、減少投資、提高勞動(dòng)生產(chǎn)率、旅游、休閑和提高生物多樣性等[12]。

計(jì)算GI的不同成本及效益時(shí)采用現(xiàn)行的市場價(jià)值，若無法獲得市場價(jià)值時(shí)，則使用非市場價(jià)值(如在用價(jià)值)替代。對GI的經(jīng)濟(jì)效益評估方法有多種，如價(jià)值評估、享樂定價(jià)、旅游成本法、效益轉(zhuǎn)移法，具體現(xiàn)值法等。

模型所需的主要輸入?yún)?shù)是GI覆蓋的土地面積和模擬場地的植被類型等。將計(jì)算得出的各種經(jīng)濟(jì)利益累加起來作為最終效益。由于該模型設(shè)計(jì)簡單和具有方便使用的電子表格工具，比較適用于GI的成本和效益分析。

3.2WERF模型

WERF(Water Environment Research Foundation BMP and LID Whole Life Cycle Cost Modeling Tools)模型包含一組Excel電子表格，這有利于對GI雨水管理中整個(gè)生命周期的成本評估。該模型可以模擬與GI有關(guān)的資本支出、運(yùn)營及維護(hù)成本，且可以模擬多種GI措施，包括自然排水系統(tǒng)、礫石滯留帶、下洼式綠地、透水路面、屋頂綠化、雨水花園、多功能蓄水池、生態(tài)草溝等。WERF模型主要適合于GI規(guī)劃階段的成本估算[13]，模型的GI成本細(xì)節(jié)源自文獻(xiàn)、訪談和專家評價(jià)。不過，當(dāng)獲得某個(gè)區(qū)域的特定數(shù)據(jù)時(shí)，用戶可以修改成本分析的默認(rèn)值。

使用該工具時(shí)，要求用戶輸入研究場地的基本信息，如GI的大小、排水區(qū)、GI類型等。通過對GI的建設(shè)、運(yùn)行和維護(hù)整個(gè)生命周期成本評估后，模型會給使用者提供一個(gè)成本總結(jié)。此外，該工具為用戶提供了在規(guī)劃和設(shè)計(jì)階段進(jìn)行GI成本敏感性分析的機(jī)會。WERF模型的另一個(gè)重要特點(diǎn)是模型輸出結(jié)果以現(xiàn)值圖形式呈現(xiàn)，包括：年度費(fèi)用支出的現(xiàn)值、累計(jì)折扣費(fèi)用和隨時(shí)間變化的貼現(xiàn)成本[14]。用于模擬GI的WERF模型配備了數(shù)據(jù)輸入接口，且以Excel電子表格的形式呈現(xiàn)，以便于不同層次的用戶操作。

4　GI雨水管理及經(jīng)濟(jì)分析集成模型

4.1MUSIC模型

MUSIC(Model for Urban Stormwater Improvement Conceptualization)模型是一個(gè)GI規(guī)劃和設(shè)計(jì)工具，該工具用于評價(jià)不同GI在改進(jìn)雨水徑流水質(zhì)方面的性能以及對GI的經(jīng)濟(jì)效益分析。為了實(shí)現(xiàn)利用生命周期成本評價(jià)來選擇最佳GI方案以達(dá)到削減雨水徑流量目標(biāo)，該模型允許用戶設(shè)計(jì)流域的徑流水質(zhì)和不同GI的徑流水質(zhì)改良性能。MUSIC可以在0.01至100 km2之間的應(yīng)用范圍內(nèi)操作[15]，并支持多種GI措施，如生物滯留系統(tǒng)、礫石滲濾系統(tǒng)、雨水花園、植被緩沖帶、下洼式綠地、生態(tài)沉淀池、生態(tài)草溝、人工濕地和自然排水系統(tǒng)等。

MUSIC的模擬算法是對SimHyd模型的修訂，即將后者的日徑流量計(jì)算分解成每日的子時(shí)間徑流量來計(jì)算，不透水區(qū)和透水區(qū)生成的徑流分別在MUSIC中模擬，污染物生成的模擬采用干濕平均濃度的隨機(jī)方法[16]。GI生命周期成本數(shù)據(jù)源于澳大利亞不同城市的雨水管理者，這些數(shù)據(jù)通過回歸和統(tǒng)計(jì)手段作進(jìn)一步分析，進(jìn)而得到不同GI的一系列成本核算數(shù)據(jù)。

MUSIC模型內(nèi)置有澳大利亞50個(gè)地區(qū)的氣象數(shù)據(jù)，用戶在使用該模型時(shí)還必須獲得所研究區(qū)域的氣象數(shù)據(jù)。其輸入?yún)?shù)有流域特征(包括不透水面積和土地利用狀況)、GI設(shè)計(jì)規(guī)范(如GI類型、大小、面積等)。模型的輸出結(jié)果是徑流減少量、污染物的去除效率、不同GI的生命周期成本等。輸出結(jié)果通過時(shí)間序列圖、表格靜力圖和累積頻率曲線圖顯示出來[17]。該工具專門為具備雨水管理技術(shù)知識的專業(yè)人士設(shè)計(jì)，針對的用戶群體包括城市雨水工程師、城市規(guī)劃者、政府工作人員、以及國家和區(qū)域的政府機(jī)構(gòu)。

4.2SUSTAIN模型

SUSTAIN(EPA System for Urban Stormwater Treatment and Analysis Integration)模型是美國環(huán)保局研發(fā)的一個(gè)基于ArcGIS的決策支持系統(tǒng)，該系統(tǒng)用于幫助水資源管理專業(yè)人員進(jìn)行雨水管理規(guī)劃的設(shè)計(jì)和實(shí)施，以保護(hù)水資源和滿足流域水質(zhì)要求。該模型也包括GI的雨水管理模擬，并允許用戶基于環(huán)保和經(jīng)濟(jì)視角進(jìn)行最優(yōu)化設(shè)計(jì)。SUSTAIN模型包括5大功能模塊：用地產(chǎn)流模塊、BMPs模擬模塊、徑流輸送模塊、優(yōu)化模塊和后處理模塊[18]。當(dāng)前SUSTAIN模型支持的GI措施包括生物滯留帶、礫石滯留濾池(地表和非地表)、生態(tài)蓄水池、人工濕地、下洼式綠地、綠色屋頂和透水路面等。

成本估算和成本優(yōu)化模塊是SUSTAIN軟件雨水管理中GI經(jīng)濟(jì)效益分析的2個(gè)主要組成部分[19]。成本估算模塊中的成本數(shù)據(jù)直接從工業(yè)方面獲得，計(jì)算中采用單位成本法以盡量減少由于考慮GI建設(shè)成本所導(dǎo)致的錯(cuò)誤。優(yōu)化模塊采用分層方法分析單個(gè)和綜合GI的成本效益，其中優(yōu)化決策標(biāo)準(zhǔn)是用戶自定義的，為了滿足該標(biāo)準(zhǔn)，模型采用了非支配排序遺傳算法等先進(jìn)的優(yōu)化技術(shù)。為得到預(yù)期的水質(zhì)和水量控制目標(biāo)，該模塊會生成一個(gè)最佳成本效益曲線。

模型所需的輸入?yún)?shù)是土地使用數(shù)據(jù)、流域數(shù)據(jù)、以及不同GI的設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)。輸出結(jié)果為不同GI改善徑流水質(zhì)和減少徑流量的效果。該模型可評估為了達(dá)到水質(zhì)和水量控制目標(biāo)，所采取GI的最佳布局、類型和費(fèi)用，有助于根據(jù)不同GI的成本效益挑選最佳的GI方案。由于SUSTAIN模型集成了GIS數(shù)據(jù)分析，使得模型的輸入?yún)?shù)要求更全面，并且復(fù)雜程度更高，因此，終端用戶需要有足夠的雨水管理知識和GIS應(yīng)用知識[20]。應(yīng)用范圍上，該模型主要適用于在環(huán)境和經(jīng)濟(jì)方面精度要求較高的大型項(xiàng)目。

4.3WinSLAMM

WinSLAMM(Source Loading and Management Model for Windows)最初是用來研究城市雨水徑流污染物與徑流量之間關(guān)系的一種模型。隨著GI作為雨水源頭控制方法的進(jìn)展，該工具添加了GI性能模擬模塊和模擬不同GI的生命周期成本模塊，這些GI措施包括生物過濾池、生態(tài)滯留池、下洼式綠地，生態(tài)草溝和透水路面等[21]。該工具支持不同空間尺度的GI模擬，如場地、流域和區(qū)域范圍。

WinSLAMM可以評價(jià)一系列的城市降雨事件，并綜合考慮了土壤對城市雨水徑流的影響。該模型根據(jù)使用的GI類型和場地特點(diǎn)可以評價(jià)城市受納水體的水質(zhì)，另外，不同GI的成本明細(xì)通過模型操作直接獲得。當(dāng)需要對雨水徑流作詳細(xì)分析時(shí)，WinSLAMM可以集成其它的水文模型。

該模型輸入?yún)?shù)是實(shí)地測量得到的數(shù)據(jù)，如GI面積和流域特點(diǎn)、研究區(qū)域固體污染物等。輸出數(shù)據(jù)是GI實(shí)施前后徑流量和水質(zhì)的差異、總控制成本、土地成本、每年的維護(hù)費(fèi)用、所有費(fèi)用的現(xiàn)值以及年均成本。該模型重要特征之一是輸出的結(jié)果可以被導(dǎo)入到其他模型中，也可以集成到GIS平臺中。在操作該模型時(shí)，要求用戶具有城市水文和雨水管理的基本知識。

4.4LIDRA模型

LIDRA(Low-Impact Development Rapid Assessment)是一種通過水文模型和成本核算方法來評估不同GI成本效益的工具。該模型可以模擬超過30種不同的GI措施，最重要的是，該工具內(nèi)置有生命周期成本數(shù)據(jù)庫，利用分階段的生命周期成本算法實(shí)現(xiàn)對各種GI的成本效益分析[22]。LIDRA是基于Web的在線評估工具，可以實(shí)現(xiàn)流域尺度的GI規(guī)劃[23]。

該模型包含一個(gè)隨機(jī)降雨生成模式，徑流量計(jì)算是基于一個(gè)水量平衡程序，降雨數(shù)據(jù)是通過馬爾可夫鏈從歷史降雨數(shù)據(jù)庫中隨機(jī)生成，再用Thornthwaite-Mather水平衡方法計(jì)算GI實(shí)施前后中雨水徑流量的不同[24]。經(jīng)濟(jì)分析方面，該模型采用了30 a的生命周期成本算法，記錄了GI投入，運(yùn)營和維護(hù)成本[25]。

LIDRA模型的主要輸入?yún)?shù)是每小時(shí)的降水?dāng)?shù)據(jù)、區(qū)域特征、土地利用數(shù)據(jù)、土壤類型，以及GI的具體數(shù)據(jù)。模型輸出結(jié)果是每年雨水徑流的減少量、GI的年度或累積成本、不同GI的成本效益對比。LIDRA是一個(gè)基于Web的在線程序，具有用戶友好型界面，適用于不同層次的用戶。

5　模型對比分析

5.1模型支持的GI類型

不同的模型支持不同的GI類型，對于用戶來說，挑選模型時(shí)要了解每種模型支持的GI類型。上文討論的模型有些可以模擬多種GI措施及其經(jīng)濟(jì)特征，而有些模型卻有一定的局限。比較而言，LIDRA支持的GI類型數(shù)量最多，可以模擬超過30種GI措施。GI評估工具包、SWMM、WERF模型、SUSTAIN模型、MUSIC模型和WinSLAMM可以模擬雨水花園、綠色屋頂、透水鋪裝、生態(tài)滲濾池和滯留池、下洼式綠地等多種GI類型，而P8模型只能模擬生態(tài)滯留池和下洼式綠地等少數(shù)GI措施。

5.2模型的輸入?yún)?shù)

幾乎所有工具都需要輸入氣象數(shù)據(jù)、土壤剖面以及土地利用數(shù)據(jù)。與需要較多輸入?yún)?shù)的SWMM相比，P8模型、LIDRA模型和WinSLAMM要求的輸入?yún)?shù)較少，且這些模型需要的大部分參數(shù)可以從相關(guān)文獻(xiàn)、市政排水規(guī)劃、地方議會資料或土地調(diào)查中獲得，但這些模型適用于GI的初步規(guī)劃而不是詳細(xì)設(shè)計(jì)。

由于MUSIC模型把內(nèi)置的區(qū)域具體參數(shù)，包括氣候數(shù)據(jù)、土壤類型、導(dǎo)水率等作為默認(rèn)值，故它們對雨水徑流模擬時(shí)輸入?yún)?shù)的要求也較低。由于SUSTAIN模型集成了一個(gè)GIS接口，因此使用時(shí)要求輸入一些基于GIS的參數(shù)，如流域信息、土地利用、土地覆蓋、以及數(shù)字高程等。

對于成本參數(shù)，MUSIC，WERF，SUSTAIN，LIDRA和GI評估工具包內(nèi)置有輸入數(shù)據(jù)庫，這使得對GI實(shí)踐的經(jīng)濟(jì)分析更加便捷。不過，當(dāng)需要更具體的評價(jià)時(shí)，用戶自定義的輸入成本參數(shù)也可以供這些模型使用。

5.3模擬方法

在上文挑選的8個(gè)模型中，除了WERF和GI評估工具包之外，其他模型都是通過模擬由降雨產(chǎn)生的徑流來評估GI的性能。P8模型和LIDRA模型的時(shí)間步長為1 h，而SWMM，SUSTAIN，MUSIC和WinSLAMM的時(shí)間步長可以是1 h或0.5 h或更短。

在經(jīng)濟(jì)效益模擬方面，GI評估工具包通過復(fù)雜的經(jīng)濟(jì)定價(jià)和評估方法計(jì)算GI累計(jì)成本效益，而MUSIC，LIDRA和WERF可以計(jì)算GI生命周期成本，且這些模型中還內(nèi)置了有關(guān)GI的建設(shè)、維護(hù)和運(yùn)行成本數(shù)據(jù)庫。

5.4模擬精度

不確定性是任何模型都不可避免的一個(gè)屬性，不確定性對模擬結(jié)果的有效性有顯著影響。然而，通過對模型的校準(zhǔn)和驗(yàn)證，可將不確定性減少到一定程度。就模擬精度方面，SWMM和WinSLAMM作為詳細(xì)的設(shè)計(jì)工具，準(zhǔn)確性相對較高。其中WinSALMM內(nèi)置有蒙特卡羅抽樣程序，該程序以概率表示模型輸出，減少了模擬結(jié)果的不確定性。另外，文獻(xiàn)研究表明，當(dāng)對SWMM進(jìn)行校準(zhǔn)和驗(yàn)證后，可以產(chǎn)生相當(dāng)精確的結(jié)果。

P8模型和LIDRA模型對輸入?yún)?shù)要求不高，參數(shù)的變化顯著影響這些工具的模擬結(jié)果，故這些模型精度不高，比較適用于GI的初步規(guī)劃；SUSTAIN模型采用綜合方法來模擬較大規(guī)模的分散式GI措施，雖然這種方法可以減少計(jì)算時(shí)間，但可能會增加模型輸出結(jié)果的不確定性；由于MUSIC模型缺少GI尺寸設(shè)計(jì)的算法工具，故該模型只能是相對精確的方案設(shè)計(jì)工具。

WERF和GI評估工具包內(nèi)置的成本數(shù)據(jù)庫只是一個(gè)供參考的數(shù)據(jù)集，故在不同的應(yīng)用中精度有限，因此，用戶需要做大量調(diào)查以確定所需的成本數(shù)據(jù)，才能獲得更準(zhǔn)確的結(jié)果。GI評估工具包雖具有成本和效益雙重分析的優(yōu)勢，但可能會增加模擬結(jié)果的不確定性。

5.5區(qū)域應(yīng)用局限

雖然上述模型可用于GI的雨水管理模擬，但制約其應(yīng)用的局限之一是大多數(shù)模型只針對一個(gè)特定國家或地區(qū)設(shè)計(jì)，且大多數(shù)模型內(nèi)置的數(shù)據(jù)庫都有區(qū)域性，故很少有工具可以廣泛適用于其他區(qū)域。

P8模型是美國羅得島州流域雨水管理工具。因此，除了本區(qū)域之外，該工具應(yīng)用的范圍有限，僅僅適用于一些特定區(qū)域。MUSIC由于內(nèi)置有美國氣候數(shù)據(jù)，因此是美國GI雨水管理模擬最受歡迎的工具。不過，英國目前已經(jīng)成功研發(fā)出適合于英國背景的MUSIC模型。

WERF，SUSTAIN和LIDRA內(nèi)置有特定背景的數(shù)據(jù)庫，但用戶可以根據(jù)需要，輸入自己的數(shù)據(jù)，靈活使用這3個(gè)模型。GI評估工具包由英國研發(fā)，但也可以在其他區(qū)域使用。WinSLAMM最初在北美研發(fā)，最近應(yīng)用范圍擴(kuò)展至其他國家。在上述模型中，SWMM應(yīng)用范圍最廣，該模型只要輸入必要的數(shù)據(jù)，可以應(yīng)用于任何國家和區(qū)域。

6　基于GI的雨水管理模型在中國的應(yīng)用

我國對城市雨洪徑流模型的研究起步較晚，隨著低影響開發(fā)雨洪管理策略(LID)、水敏感性城市設(shè)計(jì)(WSUD)、城市降雨徑流最佳管理措施(BMPs)等雨洪管理技術(shù)的引進(jìn)和推廣，我國一些學(xué)者在降雨徑流管理規(guī)劃中也開始嘗試借鑒國外先進(jìn)的雨水管理模擬工具，目前已有一些結(jié)合我國實(shí)際的研究成果問世。在上述模型中，我國應(yīng)用最多的是SWMM和SUSTAIN模型。

6.1雨水管理模型(SWMM)在中國的應(yīng)用

SWMM于20世紀(jì)70年代成功研發(fā)，隨后引入我國并被廣泛應(yīng)用。首先是利用該工具作案例研究。如河海大學(xué)和南京水文水資源研究所在天津市雨洪分析中引入SWMM，證明了該模型在雨洪管理方面的的有效性。劉俊等[26](2001)、叢祥宇等[27](2006)、任伯幟等[28](2006)、董欣等[29](2006)、黃卡等[30](2008)分別利用SWMM模擬了天津、北京、長沙、深圳和廣州個(gè)別區(qū)域的降雨徑流過程，分析了下凹綠地、綠色屋頂、植草溝和透水鋪裝等GI措施對暴雨徑流的消減效果。其次是對SWMM的改進(jìn)和二次開發(fā)。清華大學(xué)城市規(guī)劃與設(shè)計(jì)研究院將GIS技術(shù)與SWMM整合，研發(fā)了新一代的城市內(nèi)澇模擬模型——Digital Water Drainage System。趙冬泉等[31](2008)、黃國如等[32](2011)、孟超等[33](2012)、鄭磊等[34](2013)通過SWMM模型與GIS平臺的集成，提取土地利用的空間結(jié)構(gòu)和屬性數(shù)據(jù)，使SWMM具有更好的精度、適用性和可靠性，不僅可以實(shí)現(xiàn)雨水管理的模擬分析，同時(shí)有助于GI的設(shè)計(jì)與評估。袁顯貴[35](2014)利用GIS提取雨水管網(wǎng)設(shè)計(jì)的水文參數(shù)，通過C#編程語言、NET平臺下的SWMM Engine與ArcGIS Engine組件的耦合，構(gòu)建了雨水管網(wǎng)設(shè)計(jì)模型ArcSWMM，從而不依賴取值經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行賦值，使模型更為接近真實(shí)。

6.2SUSTAIN模型在中國的應(yīng)用

唐穎[36](2010)借助SUSTAIN模型，在ArcGIS平臺下進(jìn)行GI的選址和布局，并通過SUSTAIN系統(tǒng)對不同GI方案進(jìn)行經(jīng)濟(jì)分析，即不同GI措施給區(qū)域降雨徑流控制帶來的效益，從而制定最優(yōu)的降雨徑流控制管理規(guī)劃方案。唐穎通過對該模型的結(jié)構(gòu)、模塊功能、模擬算法等進(jìn)行梳理，識別其在城市降雨徑流管理規(guī)劃各個(gè)階段所能起到的輔助作用和前端輸入需求，并對其中的封裝參數(shù)進(jìn)行修改，實(shí)現(xiàn)了模型利用本地化。

陳彥熹[37](2013)利用SUSTAIN模型，在獲得模型基本輸入數(shù)據(jù)要求前提下對研究區(qū)域進(jìn)行下墊面和雨水管網(wǎng)的概化，建立了研究區(qū)域基于SUSTAIN的徑流模擬和GI布局模型。通過模型的情景分析方法對雨水罐、綠色屋頂、植物過濾帶和生物蓄留池等多個(gè)GI布局進(jìn)行模擬分析和功效評價(jià)。

由于基于GI的SUSTAIN模型操作較為復(fù)雜，要求SUSTAIN模型使用者深入理解不同GI的機(jī)理，并熟悉模型率定和驗(yàn)證的操作過程，這無疑阻礙了該模型在我國雨洪管理中的推廣與應(yīng)用。

6.3模型在中國應(yīng)用的現(xiàn)存問題及解決對策

我國對城市雨水徑流模型的研究起步較晚，目前尚處于起始階段，尚未形成系統(tǒng)的城市雨水生態(tài)管理的理論、方法與規(guī)劃體系。整體而言,存在以下主要問題:

(1)基于GI的雨水徑流控制模型在我國的應(yīng)用還僅限于某些城市的局部地區(qū),應(yīng)用范圍小,對國外先進(jìn)技術(shù)支持的GI規(guī)劃和設(shè)計(jì)工具應(yīng)用水平較低或沒有應(yīng)用,造成了工程中模型實(shí)際應(yīng)用的效果并不明顯。

(2)很多雨水徑流模擬工作都是單純地套用國外模型，對研究區(qū)域進(jìn)行概化，脫離了研究區(qū)域土地利用的實(shí)際情況，缺乏實(shí)測監(jiān)測數(shù)據(jù)驗(yàn)證，導(dǎo)致模擬結(jié)果失真[38]。

(3)缺乏適用于我國國情的基于GI的全面的雨水管理設(shè)計(jì)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，雨水管理設(shè)計(jì)和研究人員找不到相關(guān)依據(jù)，給模型的實(shí)際運(yùn)用帶來諸多困難。

因此，在借鑒國外雨水管理先進(jìn)模型基礎(chǔ)上，需要對我國城市降雨徑流控制和管理進(jìn)行深入研究，建立適用于我國城市特征的雨水管理體系，以降低城市降雨徑流的洪澇和雨水污染問題。

具體建議有：

(1)模型研究方面。模擬研究需要結(jié)合我國研究區(qū)域土地利用的實(shí)際規(guī)劃情況，開展相應(yīng)的基于GI實(shí)踐的雨水管理模型研究及模型評估；結(jié)合GI措施研發(fā)易于使用的決策支持工具，研發(fā)雨水徑流控制模型、水質(zhì)預(yù)測模型、經(jīng)濟(jì)分析模型、環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)分析模型、管網(wǎng)模型和各種業(yè)務(wù)管理系統(tǒng)充分集成的城市雨水綜合管理系統(tǒng)。

(2)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)方面。應(yīng)在充分借鑒國外應(yīng)用案例和標(biāo)準(zhǔn)的前提下，結(jié)合國內(nèi)的實(shí)際情況，考慮經(jīng)濟(jì)條件和環(huán)境狀況的差異，加快制定適合我國國情和不同城市特點(diǎn)的GI技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。參照國外雨水徑流管理數(shù)據(jù)庫，建立我國自己的雨水管理實(shí)踐數(shù)據(jù)庫，以便更好地服務(wù)于我國城市雨洪的管理和規(guī)劃。

(3)技術(shù)實(shí)踐方面。因地制宜，根據(jù)地區(qū)條件選擇適宜的GI技術(shù)，科學(xué)、合理地利用國內(nèi)外先進(jìn)模型，并及時(shí)總結(jié)經(jīng)驗(yàn)和不斷調(diào)整，實(shí)現(xiàn)模型的本地化和性能優(yōu)化。

7　結(jié)論和展望

本文評析了目前較為流行的8個(gè)基于GI的雨水管理模型，詳細(xì)描述了它們的性能和優(yōu)缺點(diǎn)。P8模型和SWMM多用于雨水水質(zhì)和徑流量控制，GI評估工具包、WERF多用于GI的經(jīng)濟(jì)分析，MUSIC，SUSTAIN，WinSLAMM和LIDRA支持雨水徑流和水質(zhì)控制以及GI的經(jīng)濟(jì)分析。從GI類型方面，LIDRA支持的GI類型最多；從模擬精確性上比較，SWMM在模擬雨水水質(zhì)、水量和GI性能方面更加精確；應(yīng)用范圍上，與其他模擬工具相比，SWMM應(yīng)用范圍較廣，且適合于包括GI詳細(xì)設(shè)計(jì)的較復(fù)雜的大型項(xiàng)目。多數(shù)模型的共同特點(diǎn)是應(yīng)用的區(qū)域局限性。由于模型的局限性和我國城市雨水管理自身的復(fù)雜性，我國在借鑒國外基于GI的雨水管理先進(jìn)模型的應(yīng)用類型和范圍有限。

盡管上述模型都很強(qiáng)大，且多是用戶友好型的，未來研究中仍有許多問題和挑戰(zhàn)需要解決，包括輸入?yún)?shù)的要求、區(qū)域局限性和模擬結(jié)果的不確定性。所以，提高精確性和普適性仍是未來基于GI的雨水管理模型研發(fā)的方向。同時(shí)，在模擬過程中，應(yīng)更多地將其納入考慮范疇：利益相關(guān)者的集體參與、模型驅(qū)動(dòng)的決策支持系統(tǒng)、與3S技術(shù)的充分集成、基于不同目標(biāo)的最優(yōu)化模擬以及增加模型耦合的性能。再者，模擬工具應(yīng)與最新的技術(shù)如信息化平臺、實(shí)時(shí)控制相兼容；應(yīng)集成不同的模型優(yōu)點(diǎn)，提高模型的模擬結(jié)果；應(yīng)建立全球共享的數(shù)據(jù)庫以方便不同區(qū)域的相關(guān)者使用；就我國而言，應(yīng)在借鑒國外先進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上，自主研發(fā)能夠真正滿足我國各地需求并適應(yīng)我國國情的城市雨水管理與評估模型。

[1]肖洋.基于景觀生態(tài)學(xué)的城市雨洪管理措施研究[D].長沙：中南大學(xué)，2013.[2]張偉，車伍，王建龍，等.利用綠色基礎(chǔ)設(shè)施控制城市雨水徑流[J].中國給水排水，2011,27(4)：22-27.

[3]周艷妮，尹海偉.國外綠色基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)劃的理論與實(shí)踐[J].城市發(fā)展研究，2010,17(8):87-93.

[4]姜麗寧.基于綠色基礎(chǔ)設(shè)施理論的城市雨洪管理研究[D].杭州：浙江農(nóng)林大學(xué)，2013.

[5]吳曉敏.國外綠色基礎(chǔ)設(shè)施理論及其應(yīng)用案例[J].風(fēng)景園林管理與工程，2010，16(2)：1034-1038.

[6]王建龍,車伍，易紅星.基于低影響開發(fā)的雨水管理模型研究及進(jìn)展[J].中國給水排水，2010，,26(18):50-54.

[7]WALKER W W J.P8 Urban Catchment Model User’s Guide[R].USA:USEPA,Minnesota PCA & WISCON-SIN DNR,2007.

[8]ELLIOTT A H,TROWSDALE S A.A Review of Models for Low Impact Urban Stormwater Drainage[J].Environmental Modelling & Software,2007,22(3)：394-405.

[9]ROSSMAN L A.Storm Water Management Model User’s Manual(Version 5.0)[M].Washington D.C:US Environmental Protection Agency,2010.

[10]TSIHRINTZIS V A,HAMID R.Runoff Quality Prediction from Small Urban Catchments Using SWMM[J].Hydrological Processes,1998,12：311-329.

[11]ABI A M,SUIDAN M,SHUSTER W.Modelling Techniques of Best Management Practices:Rain Barrels and Rain Gardens Using EPA SWMM-5[J].Journal of Hydrologic Engineering,2010,15：434-443.

[12]EVANS B,CROOKES L,COAFFEE J.Obesity/fatness and the City:Critical Urban Geographies[J].Geography Compass,2012,6：100-110.

[13]Water Environment Research Foundation.User’s Guide to the BMP and LID Whole Life Cycle Cost Modelling Tools(Version 2.0)[M].New York :Water Environment Research Foundation,2009.

[14]HOUDESHEL C,POMEROY C,HAIR L.Cost Estimating Tools for Low-impact Development Best Management Practices:Challenges,Limitations and Implications[J].Journal of Irrigation & Drainage Engineering,2010,137(3):183-189.

[15]WONG T H,FLETCHER T D,DUNCAN H P.A Model for Urban Stormwater Improvement Conceptualisation[J].Global Solutions for Urban Drainage,2002,6：8-13.

[16]DOTTO C,KLEIDORFER M,DELETIC A.Performance and Sensitivity Analysis of Stormwater Models Using a Bayesian Approach and Long-term High Resolution Data[J].Environmental Modelling & Software,2011,26:1225-1239.

[17]WONG T H,FLETCHER T D,DUNCAN H P.Modelling Urban Stormwater Treatment——A Unified Approach[J].Ecological Engineering,2006,27：58-70.

[18]LAI F H,DAI T,ZHEN J.SUSTAIN：An EPA BMP Process and Placement Tool for Urban Watersheds[R].Alessandria:Water Environment Federation,2007.

[19]LAI F H,SHOEMAKER L,ALVI K.Current Capabilities and Planned Enhancements of SUSTAIN,2010[C]∥ World Environmental and Water Resources Congress.Washington D.C:US Environmental Protection Agency，2010：3271-3280.

[20]LEE J G,SELVAKUMAR A,ALVI K.A Watershed-scale Design Optimization Model for Stormwater Best Management Practices[J].Environmental Modelling & Software,2012,37：6-18.

[21]PITT R，VOORHEES J.WinSLAMM and Low Impact Development.Putting the LID on Stormwater Management[M].Maryland :University of Maryland College Park Press,2004.

[22]SPATARI S,YU Z,MONTALTO F.A.Life Cycle Implications of Urban Green Infrastructure[J].Environmental Pollution,2011,159：2174-2179.

[23]MONTALTO F A,BEHR C T,YU Z.Accounting for Uncertainty in Determining Green Infrastructure Costeffectiveness.Economic Incentives for Stormwater Control[M].Boca Raton：CRC Press,2012：71-100.

[24]AGUAYO,M.Development of a Database and Website for Low Impact Development Rapid Assessment Tool(Version 2.0)[D].Philadelphia:Drexel University,2010.

[25]YU Z,AGUAYO M,PIASECKI M.Developments in LIDRA 2.0:A Planning Level Assessment of the Cost-effectiveness of Low Impact Development[C]∥ Proceedings of the ASCE Environment and Water Resources Institute Conference.Providence,Rhode Island,May 16-20,2010:355-368.

[26]劉俊，徐向陽.城市雨洪模型在天津市區(qū)排水分析計(jì)算中的應(yīng)用[J].海河水利，2001,(1):9-11.

[27]叢翔宇，倪廣恒，惠士博，等.基于SWMM的北京市典型城區(qū)暴雨洪水模擬分析[J].水利水電技術(shù)，2006，37(4):64-67.

[28]任伯幟,鄧仁健,李文健.SWMM模型原理及其在霞凝港區(qū)的應(yīng)用[J].水運(yùn)工程,2006,(4):41-44.

[29]董欣,杜鵬飛,李志一,等.SWMM模型在城市不透水區(qū)地表徑流模擬中的參數(shù)識別與驗(yàn)證[J].環(huán)境科學(xué),2008,29(6):1495-1501.

[30]黃卡 ,張翔 ,李鵬.SWMM模型在城市設(shè)計(jì)洪水中的應(yīng)用研究[J].企業(yè)科技與發(fā)展,2008,(10):214-216.

[31]趙冬泉，陳吉寧，佟慶元 ,等.基于GIS構(gòu)建 SWMM 城市排水管網(wǎng)模型[J].中國給水排水,2008,24(7):88-91.

[32]黃國如,黃晶,喻海軍,等.基于GIS的城市雨洪模型SWMM二次開發(fā)研究[J].水電能源科學(xué),2011,29(4):43-45.

[33]孟超,楊昆.SWMM模型與GIS集成技術(shù)研究[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué),2012,40(10):6286-6298.

[34]鄭磊,楊雪婷,葛銀杰.SWMM模型及GIS的系統(tǒng)整合實(shí)現(xiàn)[J].中國科技信息,2013,32(3):76-77.

[35]袁顯貴.基于GIS的SWMM模型在新城區(qū)雨水管網(wǎng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究[D].江西贛州:江西理工大學(xué)，2014.

[36]唐穎.SUSTAIN 支持下的城市降雨徑流最佳管理 BMP 規(guī)劃研究[D].北京：清華大學(xué)，2010.

[37]陳彥熹.基于 LID 的城市化區(qū)域雨水排水系統(tǒng)規(guī)劃方法研究[D].天津：天津大學(xué)，2013.

[38]劉文，陳衛(wèi)平.城市雨洪管理低影響開發(fā)技術(shù)研究與利用進(jìn)展[J] .應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，2015，26( 6):1901-1912.

(編輯：黃玲)

runoff water quality control,GI economic benefit analysis,integrated model of GI stormwater management and economic analysis,respectively.Secondly,the eight models are described in detail with regard to five major criteria including representative GI measures,spatial scales,algorithms used for modeling,data inputs and outputs,and user interface and handling of the tool.Thirdly,the eight models are compared in terms of the number of GI measures they can represent,modeling approaches,data requirements,modeling accuracy,and regional limitations.Fourthly,the application of several models in China are analyzed,and the problems urgent to be solved are also pointed out.Finally,in view of the advantages and disadvantages of the current models,we proposed the direction and trend of the development of urban stormwater management models in future.This study is designed to help urban stormwater managers and researchers to understand the fundamental knowledge of different GI stormwater management models,and help them to select appropriate model in practice according to their needs.

Review of Urban Stormwater Management ModelsBased on GI Measures

FU Heng-yang1,2，LI Bang-yan3，F(xiàn)U Jin4

(1.School of History and Tourism,Shaanxi Sci-Tech University,Hanzhong723000，China; 2.Qinling and Intones Geography Research Institute,Shaanxi Sci-Tech University,Hanzhong723000，China; 3.School of Architecture,Xi’an University of Architecture and Technology,Xi’an710055，China；4.School of Art,Xi’an University of Technology,Xi’an710048，China)

In consideration of the application universality of models and the upgrading possibility of softwares,we make a review on eight urban stormwater management models based on green infrastructure (GI)measures.Thesemodels have been applied widely in recent years.Firstly,the eight models are classified in terms of the rain and

stormwater management model; green infrastructure; runoff volume; economic benefit analysis; SUSTAIN model

2015-06-29；

2015-07-23

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51378423)；陜西理工學(xué)院人才啟動(dòng)項(xiàng)目(SLGKYQD2-30)

付恒陽(1975-)，男，河南平輿人，講師，博士，主要從事水資源管理方面的研究，(電話)15809165586(電子信箱)1051592191@qq.com。

李榜晏(1973-)，男，陜西西安人，副教授，博士，主要從事園林規(guī)劃及雨水管理方面的研究，(電話)18691614939(電子信箱)2045004123@qq.com。

10.11988/ckyyb.201505432016,33(08):11-17，27

X321

A

1001-5485(2016)08-0011-07