適用于海綿城市建設(shè)的典型雨洪模型概述

趙昌爽，胡 穎，操家順，薛朝霞，馮 騫

(1.江蘇城鄉(xiāng)建設(shè)職業(yè)學(xué)院公用事業(yè)學(xué)院，江蘇常州 213147；2.河海大學(xué)淺水湖泊綜合治理與資源開發(fā)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京 210098；3.河海大學(xué)環(huán)境學(xué)院，江蘇南京 210098)

隨著我國(guó)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(zāi)害和水體污染等問(wèn)題日益突出[1-3]。在此背景下，國(guó)家提出了建設(shè)海綿城市的新理念，提倡構(gòu)建低影響開發(fā)(low impact development，LID)雨水系統(tǒng)，通過(guò)“滲、滯、蓄、凈、用、排”等最佳流域管理措施(best management practices，簡(jiǎn)稱BMPs)構(gòu)建不同的城市海綿體，以此來(lái)適應(yīng)雨洪變化和應(yīng)對(duì)自然災(zāi)害[4-6]。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(tài)水文環(huán)境的新思路，但我國(guó)在實(shí)際建設(shè)中卻存在眾多困難[7]。主要原因之一是缺乏有效LID設(shè)計(jì)和評(píng)估工具，較難把自然因素、地域條件、人類行為等復(fù)雜關(guān)系轉(zhuǎn)換成程序化的系統(tǒng)或工具，而有效的雨洪模型軟件可為海綿城市的規(guī)劃和建設(shè)提供設(shè)計(jì)指導(dǎo)，從而大大提高海綿城市建設(shè)的科學(xué)性和可靠性。

目前關(guān)于雨洪模型的文獻(xiàn)報(bào)道已屢見不鮮，但大多數(shù)的報(bào)道仍未系統(tǒng)地介紹與海綿城市雨洪管理相關(guān)的模型發(fā)展概況[8-10]。通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外城市雨洪和低影響開發(fā)模型進(jìn)行總結(jié)，對(duì)InfoWorks、MIKE、SWMM、SUSTAIN、Sewer GEMS五個(gè)典型模型進(jìn)行分析，對(duì)這些模型的應(yīng)用特點(diǎn)和發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行探究和剖析，以期為我國(guó)海綿城市建設(shè)過(guò)程中雨洪模型的選取和使用提供科學(xué)依據(jù)。

1 常用模型及分類

根據(jù)海綿城市的層級(jí)結(jié)構(gòu)劃分，從流域、河流、城鎮(zhèn)、單元尺度對(duì)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(tǒng)的湖泊、河流和水庫(kù)等生態(tài)敏感區(qū)；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(zhèn)尺度主要指匯水區(qū)、管道節(jié)點(diǎn)和不透水區(qū)等綠色和灰色城市基礎(chǔ)設(shè)施；單元尺度主要指分布在源頭、過(guò)程和末端的微觀低影響控制措施[11]。

1.1 河流+城鎮(zhèn)

InfoWorks模型是應(yīng)用在河流+城鎮(zhèn)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(tǒng)，從整體上實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)城市雨水系統(tǒng)、污水系統(tǒng)和流域系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)模擬[12-13]。

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(fā)模塊、水質(zhì)分析模塊，可以對(duì)現(xiàn)有排水系統(tǒng)進(jìn)行準(zhǔn)確地建模和現(xiàn)狀分析，更為真實(shí)地模擬地下排水系統(tǒng)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(yù)報(bào)、預(yù)警，繼而可以更為準(zhǔn)確地排查出排水系統(tǒng)存在的弊端和瓶頸問(wèn)題，之后又可以利用軟件輔助規(guī)劃和改建工程的建設(shè)，為排水系統(tǒng)提供全方位的功能支持。目前應(yīng)用較為廣泛的子模型有InfoWorks ICM、InfoWorks CS和InfoWorks RS等。

李建勇[14]以ICM模型為平臺(tái)，通過(guò)不同的降雨情景對(duì)上海市楊浦濱江區(qū)排水管網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行了模擬計(jì)算，評(píng)估了排水口出水狀況和管道負(fù)荷情況，并在此基礎(chǔ)上對(duì)瓶頸的管網(wǎng)進(jìn)行優(yōu)化，為區(qū)域防洪排澇和管網(wǎng)改造與維護(hù)提供了技術(shù)和決策支持。

姚宇[15]利用InfoWorks CS模型對(duì)蚌埠市沫河口工業(yè)園排水管網(wǎng)進(jìn)行模擬，評(píng)估了城市核心區(qū)排水系統(tǒng)的運(yùn)行性能，為排水管網(wǎng)的改擴(kuò)建及應(yīng)急預(yù)案的優(yōu)化提供分析平臺(tái)。

Othman等[16]在2013年利用 InfoWorks RS進(jìn)行了赤道地區(qū)洪澇Infoworks事件的模擬，將自1926年到2012年的洪澇災(zāi)害進(jìn)行了建模分析，為當(dāng)?shù)貐^(qū)域繪制了內(nèi)澇災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)圖，給內(nèi)澇預(yù)防提供了有效措施。

1.2 流域+河流+城鎮(zhèn)

MIKE模型是應(yīng)用在流域+河流+城鎮(zhèn)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[17]。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(duì)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(shù)據(jù)采集和監(jiān)視控制系統(tǒng)(SCADA)、實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)(RTC)和決策支持系統(tǒng)(DSS)能達(dá)到較好的連接。同時(shí)在進(jìn)行MOUSE和SWMM雙引擎模擬計(jì)算的基礎(chǔ)上，具備分析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對(duì)孟加拉國(guó)達(dá)卡市的排水系統(tǒng)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(tǒng)和污水管網(wǎng)系統(tǒng)，而且對(duì)管網(wǎng)系統(tǒng)與城市街道的連接形式也進(jìn)行了設(shè)置，將下墊面與管網(wǎng)綜合進(jìn)行考慮，明顯提高了內(nèi)澇模擬的精度。

朱茂森[21]利用MIKE 11模型對(duì)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(jié)果表明，通過(guò)模擬BOD5、NH3-N 和DO的沿程衰減過(guò)程，發(fā)現(xiàn)模型運(yùn)行穩(wěn)定，結(jié)果與理論相符。

初祁等[22]應(yīng)用MIKE 21構(gòu)建了北京市天堂河下游地區(qū)二維水動(dòng)力學(xué)模型，結(jié)果表明：無(wú)論是P=20 a、50 a，還是P=100 a，最大淹沒深度主要集中在南部和東部的地勢(shì)低洼區(qū)，最大積水深度可達(dá)2 m以上，積水時(shí)間大于8 h，是洪澇災(zāi)害的重點(diǎn)防御區(qū)域。

1.3 流域+城鎮(zhèn)

SWMM模型是應(yīng)用在流域+城鎮(zhèn)上較為典型的雨洪模型，其是目前世界上研究最深入應(yīng)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(kuò)展輸送模塊、調(diào)蓄/處理四個(gè)核心模塊，目前主要應(yīng)用于城市防洪排澇的規(guī)劃和優(yōu)化[23]。

SWMM 5.0版本之后增加了對(duì)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(shè)施，設(shè)施參數(shù)如表1所示[24]。SWMM模型將LID/BMPs單獨(dú)劃分成子匯水區(qū)，適用于小面積的LID模擬和較大區(qū)域的LID技術(shù)集成及雨洪控制效果模擬[25]。SWMM不但可以評(píng)估單個(gè)海綿體設(shè)施的效果，而且能夠模擬城鎮(zhèn)尺度下低影響開發(fā)設(shè)施對(duì)海綿城市徑流量、徑流峰值及水質(zhì)的影響。

表1 LID技術(shù)參數(shù)表Tab.1 Technical Parameters of LID

注：√表示必選，○表示可選

Sun等[26]利用SWMM模型對(duì)紐約和錫拉庫(kù)扎的匯水區(qū)域離散化進(jìn)行了研究，最終確定出了適合于此兩個(gè)區(qū)域的匯水區(qū)離散程度，在這一離散等級(jí)下模型系統(tǒng)與實(shí)際狀況的符合程度最好，且模擬結(jié)果的輸出值和穩(wěn)定性均達(dá)到規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。

Janet等[27]利用SWMM對(duì)巴拉納河流域的適用性進(jìn)行了模擬，并利用實(shí)測(cè)降雨資料對(duì)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(shù)是匯水區(qū)不透水率和不透水區(qū)地表洼地蓄水量，最不敏感的參數(shù)是曼寧系數(shù)。

王雯雯等[28]利用SWMM模型對(duì)LID模式的水文效應(yīng)進(jìn)行了模擬評(píng)估，結(jié)果表明，城市化后流域的洪峰流量顯著增大、洪峰時(shí)間前移、徑流系數(shù)變大，透水鋪裝和下凹式綠地兩種LID設(shè)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(shù)。

1.4 城鎮(zhèn)+單元

SUSTAIN模型是應(yīng)用在流域+單元上較為典型的雨洪模型，其是目前國(guó)內(nèi)LID/BMPs技術(shù)應(yīng)用最多的模型，主要用于LID/BMPs水文水質(zhì)設(shè)施的布局和優(yōu)化[29]。

SUSTAIN以ArcGIS模型為基礎(chǔ)平臺(tái)，在成本分析和技術(shù)優(yōu)化的基礎(chǔ)上，融合了水文、水力和水質(zhì)分析模型，以實(shí)現(xiàn)城鎮(zhèn)或單元范圍內(nèi)雨洪整治方案有效性和經(jīng)濟(jì)性的評(píng)估和分析[30]。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(qū)域內(nèi)的雨洪情況，同時(shí)也具有優(yōu)化空間布局、輸送設(shè)施間水文、模擬低影響開發(fā)設(shè)施水文效能等綜合功能[31-32]，BMPs模擬情況如圖1所示。

圖1 SUSTAIN模型在BMPs中的模擬流程Fig.1 Simulated Processes of BMPs Applied in SUSTAIN Model

Lee等[33]利用SUSTAIN模型評(píng)估堪薩斯州一處面積約為40.5 km2區(qū)域的雨洪過(guò)程，最終模擬出徑流量削減曲線和TSS污染負(fù)荷削減曲線，得出模擬區(qū)域?qū)嵤┑纳餃舫嘏c透水路面兩種LID設(shè)施有效削減了70%的年徑流量，同時(shí)這些LID設(shè)施的最低成本為320 000美元。

美國(guó)EPA[34]為了更好詮釋SUSTAIN模型的使用，選取了美國(guó)威斯康星州的Upper North Branch Oak Creek流域作為研究案例，區(qū)域面積為11.4 km2，所使用的LID設(shè)施為植生滯留池、透水鋪面、干式滯留池，模擬結(jié)果表明，TSS削減率為27.3%。

唐穎[35]利用SUSTAIN模型模擬探究了廣東省環(huán)境保護(hù)職業(yè)技術(shù)學(xué)院佛山校區(qū)內(nèi)各種LID/BMPs規(guī)劃情景，有效設(shè)計(jì)和評(píng)估了LID/BMPs措施類型、地點(diǎn)分布和技術(shù)效果，對(duì)于在我國(guó)利用SUSTAIN模型開展LID措施的模型分析與設(shè)計(jì)評(píng)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(fù)荷變化規(guī)律，董欣等[36]以屋面為例，基于HSY和Monte Carlo方法對(duì)SWMM模型的大量參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，確定了不透水區(qū)初損填洼量等6個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，較大幅度提高了SWMM的運(yùn)行靈敏度和運(yùn)行速度。

1.5 城鎮(zhèn)

Sewer GEMS模型是應(yīng)用在城鎮(zhèn)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(tǒng)的模擬，尤其對(duì)雨污合流系統(tǒng)具有很強(qiáng)的管道錯(cuò)接和溢流模擬能力，具體應(yīng)用方向包括分配和估算雨污水負(fù)荷以及分析水力和雨污混合系統(tǒng)溢流等，其同時(shí)具備設(shè)計(jì)和優(yōu)化LID設(shè)施、模擬水質(zhì)變化的能力[37]。

Sewer GEMS模型其內(nèi)置了水力和水文學(xué)基本公式，在多引擎計(jì)算的基礎(chǔ)上可以進(jìn)行精確的排水系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模擬，同時(shí)可與獨(dú)立平臺(tái)、Auto CAD、ArcGIS和MicroStation實(shí)現(xiàn)互操作，為工程人員分析、設(shè)計(jì)和運(yùn)作污水及雨污混合系統(tǒng)提供簡(jiǎn)潔實(shí)用的操作環(huán)境[38]。

Mallik[39]在2014年利用Sewer GEMS對(duì)孟加拉國(guó)西部多個(gè)不同地區(qū)的排水系統(tǒng)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(yùn)行狀況，隨后利用 Sewer GEMS對(duì)未規(guī)劃區(qū)域的排水系統(tǒng)進(jìn)行了模擬，制定了3個(gè)經(jīng)濟(jì)性較強(qiáng)的排水系統(tǒng)規(guī)劃方案。

王榮和等[40]應(yīng)用 Sewer GEMS 進(jìn)行了給排水管網(wǎng)模型評(píng)估，分析了排水系統(tǒng)模型的應(yīng)用和發(fā)展，提出利用生命周期分析來(lái)進(jìn)行相關(guān)評(píng)估的理念，從基礎(chǔ)數(shù)據(jù)導(dǎo)入、模型系統(tǒng)建立、模型校核、模型現(xiàn)狀分析以及模型輔助規(guī)劃等方面開展了工作，最終制定出了給排水模型系統(tǒng)的維護(hù)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(rèn)識(shí)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(dāng)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。

(1)模擬功能不完善

多數(shù)雨洪模型未能根據(jù)不同城市的不同基礎(chǔ)條件對(duì)水文、水力、水質(zhì)、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)等參數(shù)進(jìn)行系統(tǒng)整合，具體表現(xiàn)為：1)模型的水文物理過(guò)程和污染物去除過(guò)程機(jī)理分析仍不完善；2)模型缺少可靠性和風(fēng)險(xiǎn)分析；3)模型多數(shù)用于規(guī)劃設(shè)計(jì)，用于暴雨災(zāi)害預(yù)測(cè)和預(yù)報(bào)的較少；4)多數(shù)模型參數(shù)復(fù)雜，分析計(jì)算速度較慢。

(2)LID設(shè)施評(píng)價(jià)不足

目前多數(shù)雨洪模型中的LID設(shè)施在用于海綿城市建設(shè)時(shí)可以取得較好的模擬效果，但評(píng)價(jià)機(jī)制不完整，具體表現(xiàn)為：1)LID設(shè)施試驗(yàn)或模擬多是從小實(shí)驗(yàn)面積或微觀尺度進(jìn)行，研究范圍尚未擴(kuò)展到城市區(qū)域和流域尺度；2)缺乏與周圍排水管網(wǎng)系統(tǒng)的有機(jī)結(jié)合；3)未充分考慮單項(xiàng)LID設(shè)施和其他LID設(shè)施組合情況下的變化情況。

(3)模型參數(shù)不準(zhǔn)確

我國(guó)使用的雨洪模型大多由國(guó)外公司開發(fā)設(shè)計(jì)，模型手冊(cè)中的數(shù)據(jù)也多數(shù)源于國(guó)外，而我國(guó)城市下墊面、土地利用類型、土壤類型、河道類型等基礎(chǔ)條件所涉及的模型參數(shù)與國(guó)外不盡相同。使用人員在選取模型參數(shù)時(shí)多為從模型手冊(cè)中直接選定，經(jīng)模型率定發(fā)現(xiàn)部分模型參數(shù)誤差較大，在一定程度上降低了模型的準(zhǔn)確性和科學(xué)性。另外不同城市、不同功能區(qū)的基礎(chǔ)條件也不盡相同，在選取模型參數(shù)及進(jìn)行模型率定時(shí)也要加以區(qū)別。

(4)山地城市雨洪模擬缺乏

目前多數(shù)雨洪模型在海綿城市建設(shè)中的應(yīng)用限于平原或地勢(shì)平坦地區(qū)，在山地或地勢(shì)崎嶇地區(qū)中的研究還相對(duì)較少。山地或地勢(shì)崎嶇地區(qū)的下墊面情況較為復(fù)雜多變，在此類型中運(yùn)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

(1)進(jìn)一步加強(qiáng)雨水產(chǎn)匯流過(guò)程中各個(gè)環(huán)節(jié)的機(jī)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(qiáng)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(shì)，不斷完善模擬功能和豐富模擬結(jié)果輸出形式。

(2)進(jìn)行LID設(shè)施模擬時(shí)，應(yīng)加入和周邊排水管網(wǎng)的銜接模擬，并充分考慮單項(xiàng)LID設(shè)施和其他LID設(shè)施組合情況下徑流和水質(zhì)等結(jié)果的變化情況。

(3)應(yīng)根據(jù)城市實(shí)際基礎(chǔ)條件因地制宜地設(shè)置SWMM模型的參數(shù)，必要時(shí)要通過(guò)試驗(yàn)方式確定參數(shù)數(shù)值，而非僅僅從模型手冊(cè)中獲取。同時(shí)，對(duì)不同城市、不同功能區(qū)所涉及的模型參數(shù)進(jìn)行甄別，確保模型參數(shù)的準(zhǔn)確性。

(4)加強(qiáng)雨洪模型在山地或地勢(shì)崎嶇地區(qū)中的模擬研究，此方面的研究應(yīng)確保坡度、土地類型、土壤類型和河道參數(shù)等數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。