低影響開發(fā)的7種城市雨洪管理模型

李玥　俞快　程娘珠　佘美萱

摘要：現(xiàn)代城市降雨徑流量增大、峰值增加和徑流面源污染等問題日益嚴峻，國外以“尊重自然、結合自然”為核心理念的低影響開發(fā)（low Impact DeveIopment，LlD）雨洪管理模式已取得一定成效。以國外應用于LID的7種城市雨洪管理模型為研究對象，概述其模擬原理、方法和適用范圍。通過比較分析，表明：7種雨洪管理模型都適用于LlD設施單因素評估模擬，但沒有一種模型可以全面模擬LID設施。

關鍵詞：雨洪管理模型；低影響開發(fā)；應用；綜述

傳統(tǒng)雨水管理措施無法解決由于城市開發(fā)而導致的雨水徑流量增大、峰值流量增加以及徑流污染等問題，采用低影響開發(fā)管理模式（Low Impact Development，LID）可有效緩解以上城市發(fā)展問題，實現(xiàn)城市與自然的和諧相處。

1.低影響開發(fā)模式

低影響開發(fā)是一種新型的雨洪管理模式。始于20世紀90年代初的美國馬里蘭州。LID是在排水最佳規(guī)劃模式（Best Management Practices，BMP）基礎上提出的新概念，BMP是指為預防和減少土地開發(fā)利用對環(huán)境造成的負面影響而采取的一系列措施和方法。為適應城市高速發(fā)展和擴張，LID在BMP基礎上應運而生，其核心理念是維持場地前后水文特征不變。包括徑流總量、峰值流量、峰現(xiàn)時間等。相關研究顯示：LID可減少約30%-99%的暴雨徑流，延遲5-20 min的暴雨徑流峰值，有效去除雨水徑流中的磷、油脂、氮、重金屬等污染物。并能中和酸雨。

2012年，我國在LID基礎上形成“海綿城市”理念，旨在應對城市發(fā)展過程中出現(xiàn)的水資源缺乏、雨水徑流污染和暴雨洪澇災害等雨水問題。LID與海綿城市對應的根本目的和降雨重現(xiàn)期不同，LID強調雨水徑流的源頭削減，應對日常較小的降雨量。重現(xiàn)期一般小于2年；而海綿城市針對所有重現(xiàn)期的降雨。包含面源污染控制、雨水排放、雨水收集利用、內澇防治和城市防洪5個層面內容。應對不同重現(xiàn)期。海綿城市可采用不同的LID技術設施組合以達到不同的雨水控制效果。

LID的實施包含兩種措施。即非結構性和結構性措施。非結構性措施，包括街道和建筑合理布局等；結構性措施。包含濕地、生物滯留池、綠色屋頂及其他小型輔助設施。根據(jù)雨情和設定標準。結合水文/水質，水力模型進行模擬預測。確定實施參數(shù)（圖1）。LID已在美國、英國、澳大利亞、日本等國家城市全面開展。

2.LID的7種雨洪管理模型

在現(xiàn)有40多個城市雨洪管理模型中。選擇7種應用于LID的雨洪管理模型進行概述：SWMM、STORM、DR3M-QUAL，MOUSE，InfoWorks，SUSTAIN、SWC。

其中SWMM、STORM、DR3M-QUAL模型發(fā)布于20世紀70-80年代；MOUSE、Info Works模型為第二代商用雨洪管理模型，發(fā)布于20世紀80-90年代；SUSTAIN、SWC發(fā)布于21世紀初。為集成模型。SWMM模型已對原版本更新，應用最為廣泛，但國內對于其在LID設施設計及效果評價中的應用尚處于起步階段。DR3M-QUAL模型現(xiàn)今幾乎已被STORM取代，使用頻率比較低。

2.1 SWMM模型

SW/VlM（Stormwater Mrdnagement Model）是美國環(huán)境保護署（USEPA）在1969-1971年開發(fā)的城市暴雨管理模型，可以模擬城市降雨徑流和多種污染物的累積、沖刷現(xiàn)象。并通過傳輸系統(tǒng)來實現(xiàn)水文、水力及水質方面的模擬。還能以多種形式輸出結果（圖2），因而應用廣泛。

SWMM5.0中增加了LID模塊?？赡M生物滯留、滲透溝渠、滲透鋪裝、雨水罐、植被淺溝5種常見LID設施，實現(xiàn)對場地徑流量、峰值流量及徑流污染控制效果的模擬。其他LID措施（如過濾帶、下凹式綠地、綠色屋頂?shù)燃夹g）均可經(jīng)參數(shù)變換等相應處理后再進行模擬。最新版本SWMM5.1.8中新增雨落管斷接這種LID設施。

SWMM模型能夠對LID雨洪管理技術的推廣應用提供有效的技術支撐。如在深圳市光明新區(qū)國家LID示范區(qū)內對已建LID市政道路的模擬結果可說明，相比傳統(tǒng)道路設計方法。LID設計道路能夠有效削減年雨水徑流總量和典型場降雨的峰值流量。

2.2STORM模型

STORM（Storage Treatment Overflow RunoffModel）是1973年由美國陸軍工程兵團工程水文中心（HEC）發(fā)布的城市暴雨徑流計算機模型。主要用于LID設施的水量、水質模擬等方面的研究。20世紀90年代。Warwick等人通過STORM模擬分析德克薩斯州達拉斯一個居民區(qū)的徑流和水質，但模擬效果并不理想。M.D.哈斯維納等人用STORM模擬摩洛哥穆盧耶（Moulouya）河上游某一近500 km2的鄉(xiāng)村地區(qū)的雨水收集過程.分析洪水、泥沙輸移影響.結果表明，雨水收集能明顯減緩洪水強度，減少洪水量以及緩解泥沙淤積。

2.3DR3M-QUAL模型

DR3M-QUAL（Distributed RoutingRainfall-runoff Model）是美國地質勘探局（USGS）于1982年推出的可模擬城區(qū)降雨徑流量和水質的物理概念分布式模型。適用于小城市區(qū)域。模型功能與STORM類似。目前幾乎被STORM取代。從項目實踐來看。模擬效果一般。在校核預測方面存在較大的誤差。如Thonms將DR3M-QUAL應用于新墨西哥阿爾布開克一個32 hm2的城市區(qū)域，進行徑流量和洪峰流量的模擬和驗證。結果表明。徑流量和洪峰流量的模擬值和實測值分別相差29%和37%。

2.4MOUSE模型

MOUSE（Model for Urban Sewers）是丹麥水力學研究所（DHI）在1984年開發(fā)的用于模擬城市徑流、管道水流的城市暴雨徑流模型。1994年增加了污染物模擬模塊MOUSETRAP。目前，MOUSE主要用于預測城市管網(wǎng)中水位的變化。為LID設計提供依據(jù)。以及對比研究LID不同管理模型對污染物凈化效率。如在北京奧林匹克公園排水設計中，通過應用MOUSE模型為奧林匹克中心防洪、防積水提出了建設性意見。endprint

2.5 Info Works模型

hffo Works是英國Wallingford公司于1997年開發(fā)的用于研究城市排水系統(tǒng)的水文水質計算機模型，主要用于城市給排水、污水系統(tǒng)、河流以及海岸工程的規(guī)劃設計等領域。目前。國內針對LID設施評估運用廣泛的Into Works模型為Into WorksCS，主要設計單元如圖3所示。該模型應用廣泛。曾用于模擬荷蘭托倫（Tholen）的排水管網(wǎng)，分析溢流現(xiàn)象。國內應用實例包括建立香港島InfoWorksCS模型，對香港島污水管網(wǎng)系統(tǒng)進行總體規(guī)劃設計。建立上海市總管水力模型和蘇州河南岸主要的InfoWorks CS模型，對上海市排水體制選擇、面源污染控制規(guī)劃的制定提供了技術支持。

2.6SUSTAIN模型

SUSTAIN（System for Urban Stormwater Treatment and Analysis IntegrationModel）是在美國環(huán)境保護署（USEPA）資助下。由Tetra Tech自2003年開始研發(fā)的暴雨管理決策支持系統(tǒng)。SUSTAIN以ArcGIS為基礎平臺，實現(xiàn)了不同尺度流域中暴雨管理方案經(jīng)濟性和有效性的評估和分析。SUSTAIN采用模塊結構進行系統(tǒng)設計。系統(tǒng)框架如圖4所示?？蓱迷趨^(qū)域、流域及社區(qū)等不同尺度的評估模擬，如J.G.Lee等應用SUSTAIN模型對堪薩斯州的一個面積約為40.5 km2的城市區(qū)域進行敏感性模擬分析；施明言應用SUSTAIN，模擬臺灣地區(qū)鳶山堰集水區(qū)內設置的LID設施對非點源污染的削減效益等。

2.7SWC模型

SWC（National Stormwater Calculator）是2014年由USEPA發(fā)布的城市雨洪管理計算機模型程序。主要用于分析達到控制目標相對應的LID設施類型和面積以及城市降雨徑流比例關系。適用于土壤均勻、場地規(guī)模較小的環(huán)境中。國內學者用SWC模型模擬浙江省嘉興蔣水港的徑流分析。評價LID技術徑流量潛力罔。由于該軟件的使用需要獲取大量前期基礎性資料。故對不同地區(qū)的推廣使用存在一定局限性。

3.雨洪管理模型比較

SWMM，STORM，MOUSE，Info Works、SUSTAIN、SWC等雨洪管理模型現(xiàn)廣泛應用于LID管理實踐中（DR3M-QUAL模型現(xiàn)幾乎已被STORM模型取代。不在此討論）。在全國大力建設“海綿城市”的背景下，相關從業(yè)人員需深入認識目選擇合適的模型來評估其實施效果。表1從模型類型、輸入輸出數(shù)據(jù)、適用范圍等角度，對上述雨洪管理模型進行對比，使用者可根據(jù)實際情況進行選擇。

由表1可知。各模型操作難易程度不一，適用于不同領域。

1）SWMM主要用于場地規(guī)劃和設計、雨水設備或構筑物的設計及科學研究。模型對污染物的生化反應模擬能力較差，更加適用于多種土地利用下墊面情況。用戶可以免費使用并獲得源代碼對模型進行定制。其開發(fā)時間較早。對InfoWorks、MOUSE的開發(fā)具有一定借鑒意義。

2）STROM主要用于土地利用規(guī)劃和初步設計。模型結構簡單，可分析雨水中總固體懸浮物（TSS）、生化需氧量（BOD）、總氮（TN）、總磷、沉淀物質和大腸桿菌等6類污染物的分布情況，但不能對污染物進行轉化分析，不能用于模擬連續(xù)時間尺度場景，與ArcGIS的耦合松散。

3）MOUSE主要用于場地規(guī)劃和設計、雨水設備或構筑物的設計以及管道水位、水質、水體污染的研究。并且可以模擬BMP。應用于LID非結構設施中凈化污染物效率之間的對比。相對于其他模型。只有MOUSE可以進一步檢測LID對水體凈化的效果。但模型操作起來相對復雜。需要支付一定費用。

4）Info works主要用于場地規(guī)劃或初步設計。模型具有強大的可視化界面。與ArcGIS、Auto CAD等軟件耦合性高?？蓪崿F(xiàn)多領域間的高效合作，但模型結構復雜，基礎數(shù)據(jù)獲取繁復，與SWMM模型比較。對操作人員的專業(yè)要求更高。

5）SUSTAIN主要用于場地規(guī)劃或初步設計。模型可評估LID，BMP設施在不同雨型下對地表徑流的影響。從中找出最佳管理方案。不足之處是模型受原始模擬組件的局限性影響。且使用者需熟練掌握模型的主要模擬組件（AreGIS、雨洪模型、LID/BMP技術）。目前雖然在1.2版本上開發(fā)了非ArcGIS版本，一定程度上簡化了模型運行的復雜性。但其基礎資料需求量大、數(shù)據(jù)精度要求高、參數(shù)眾多且操作過程復雜。模型運行穩(wěn)定性也有待改進。

6）SWC主要用于場地規(guī)劃或初步設計，是建立在強大數(shù)據(jù)庫下的簡化模型。操作簡便，易于推廣。但由于模型內嵌美國城市氣象數(shù)據(jù)。在使用過程中，需選擇與研究地氣候相近的城市，計算數(shù)據(jù)精確性不高。此外。由于模型本身為內嵌多模型的簡易計算模型，具有一定的誤差，影響模擬結果精確性。

4.討論與展望

以上7種雨洪管理模型都適用于LID開發(fā)的單因素評估模擬，但沒有任何一個模型可以實現(xiàn)全面模擬LID。近兩年來，隨著“海綿城市”的大力推廣與建設。更一步凸顯了基于LID開發(fā)的雨洪管理模型的應用價值。但模型在應用范圍、過程描述、模型的可靠性和準確性、預測污染物的種類、軟件的簡化和集成能力等方面還存在一定的局限性。同時。這7種模型均由歐美國家開發(fā)，參數(shù)單位采用英制單位，內嵌數(shù)據(jù)也基于各國國情。建議以上文7種模型為模板。對其進行本地化和性能優(yōu)化。以適應我國不同地區(qū)的具體情況。擴大在國內的應用范圍。如2008年我國學者趙東泉等自主創(chuàng)新開發(fā)暴雨管理與評估系統(tǒng)數(shù)字排水平臺（Digtal Water DS）。通過將SWMM與GIS緊密集成，實現(xiàn)暴雨管理的模擬分析，輔助BMP措施的設計與評估，并將其應用在澳門半島和北京市的非點源污染的評估和管理中。又如深圳光明示范區(qū)的SWMM模型，能夠有效模擬并預期華南地區(qū)暴雨來臨時研究區(qū)的雨洪情況。這些實踐均為將上述模型與我國不同地區(qū)實際情況相結合的積極探索。endprint