探討城市暴雨模擬研究

楊毅

（四川大學建筑與環境學院，四川成都610065）

探討城市暴雨模擬研究

楊毅

（四川大學建筑與環境學院，四川成都610065）

快速城市化改變了城市的水循環，加劇了城市暴雨洪澇問題。對城市雨洪地面產匯流計算，城市暴雨集水模擬研究的水文學、水動力學方法現狀進行了闡述，介紹了城市雨洪模型的發展歷程，分析了適用性較好的SWMM、InfoWorks、MIKE等雨洪模型的應用現狀，以此為現階段城市洪水模擬的運用提供參考。

城市雨洪；地表產流；地表匯流；雨洪模型

目前城市暴雨產生的內澇問題已經對城市正常運轉構成了威脅，并引起全世界普遍的關注。城市暴雨積水模擬是一個復雜的時空模擬問題，由于下墊面的復雜性，加大了城市區域的模擬難度。城市防洪減災的有效性很大程度上依賴于模擬的精度、廣度。城市暴雨積水模擬問題，屬于水文水力學的新興研究方向，根據普通積水的模擬方法在城市區域進行適應性改造，主要有水文學、水力學以及耦合的水文水力學三類方法。水文學方法開展時間較早，隨著計算機技術的發展，水力學方法也逐漸被應用到城市雨洪模擬中來，且由于兩種方法各有優缺點，又具有互補性，將兩種方法耦合起來發展成的水文水動力學方法逐漸受到廣泛的關注。

1 城市暴雨模擬計算

（1）地表產流計算。城市暴雨模擬計算分為產流、匯流計算兩方面。城市下墊面種類繁多且分布規律復雜，由此引起產流計算的諸多不便。產流過程考慮雨水落到下墊面之后進行下滲及蒸發后如何形成直接徑流。城市下墊面分為透水和不透水地面，透水地面計算方法有徑流系數、SCS、Green-Ampt和概念性降雨徑流法，不透水地面采用降雨量扣除截留、洼地填洼等損失，但目前產流計算的精度有待提高。陳洋波等開展了東莞市內澇預報模型研究，運用產流計算模塊將地面分為透水和不透水地面，并采用不同方法進行單元網格上的產流計算。

（2）地表匯流計算。地表匯流過程指排水區域所產生的地表徑流匯入集水口的過程，其包含流域、地下、河道和管網匯流，其具有匯流面積不均勻，邊界不明顯，水文水力條件復雜等特點，解決方法分為水文學和水動力學兩類。水動力學法建立在微觀物理定律上，在連續性和動量方程基礎上求解圣維南方程組，模擬坡面的匯流過程；水文學法建立在系統分析的基礎上，將匯水流域當作一個黑箱系統，建立輸入與輸出的關系，模擬坡面匯流過程。

水文模型法依據水量平衡，運用模型結構和參數反映經過流域時下滲，產、徑流的過程。水文學法常用有傳統推理、等流時線、瞬時單位線、線性水庫及非線性水庫法。宋曉猛等對水文學法做了詳細研究，發現推理法只關注洪峰而不關注流量過程變化，等流時線法對于城市地面匯流計算劃分相對較難，瞬時單位線法無法非線性化處理，線性水庫法不考慮過程的非線性特征，非線性水庫法物理概念明確，計算精度相對較高。物理分析途徑著重于研究物質的運動，基于連續、能量和動量方程來建立函數。水動力學模型需要充分的初始資料和邊界條件，且計算過程繁瑣，推廣困難。目前，一維模型主要用來模擬河流的水流運動過程，但需要具有線性特征的流動路線，城市地區的水流運動復雜，還需要考慮人工建筑物，模型存在明顯的局限。二維模型能夠較好地模擬水平漫流過程，但模型應用需要高分辨率的地形數據支持，并且其在表征地表形態方面具有困難。為解決一、二維模型分別使用時遇到的空間分辨率和計算精度問題，水文——水動力耦合模型成了新的發展方向。宋曉猛等認為運動波計算簡單，適應于坡度大、回水影響小的管道，峰值不會衰減，擴散波不適用于各種流態共存的城市管網的水流運動，動力波計算精度較高，適用性廣，考慮峰值在管道中傳播的衰減，但資料要求較高。申紅彬認為坡面流作為一種特殊的淺層水流，沿程不斷有動、質量源匯入，規律十分復雜，且模型不少參數仍需要通過率定才能確定，離大范圍的推廣應用尚有一定距離。

2 城市雨洪模型

歐美國家較早開始城市雨洪管理模型的研制，并用于處理大流域水資源規劃，然后逐漸從基于監測數據的黑箱模型發展到基本的城市雨洪管理模型，這些模型有：暴雨雨水管理模型（SWMM）、處理與溢流模型（STORM）、美國陸軍工程兵團的蓄水沃林福特模型（WALLINGFORD）、公路研究所法（TRRL）和水文計算模型（HSPF）等。隨理論研究的深入，SWMM、InfoWorks等模型在處理大流域問題時，可以將其分成小的匯水區，達到解決下墊面屬性及降雨資料隨空間分布不均勻的問題，稱為半分布式模型。隨著計算機科學技術的發展，全分布式水文模型的概念逐漸被重視，其將整個計算流域分為一個個柵格，每格賦予具有嚴格物理意義的參數，比較精準地描述下墊面屬性信息。文章對應用較廣的典型模擬軟件進行分析介紹。

SWMM是美國環保署研制的模擬城市雨洪過程的綜合性數學模型，是一個動態的分布式水文模型，由4個計算和1個服務模塊組成。計算模塊分別為徑流、輸送、擴充輸送和儲存/處理模塊，通過計算模塊的運行，SWMM可以對地面徑流，排水管網以及污水處理單元進行動態模擬，服務模塊的主要功能是進行一些計算后的處理，主要分透水地面、有滯蓄和無滯蓄的不透水地面三個部分。胡莎等基于山前平原城市的自然地理及水系條件，運用SWMM在規劃土地利用條件下進行水系排澇演算，模擬結果滿足10年一遇河道排澇要求，可以為水系排澇規劃提供相應依據。

InfoWorks是Wallingford軟件公司開發的雨洪模型，能用于城市流域環境影響評價、積水分析，開展二維地表洪水驗算，可以與GIS實現對接，提高前處理的效率、后處理的計算速度，具有采用分布式模型模擬降雨徑流過程，基于子集水區劃分不同產流特性的表面組成進行徑流計算的特點。宋翠萍等利用InfoWorks對幾乎無排水管網的香山地區進行二維模型構建，模型驗證結果與實地調研情況相符，對區域防洪風險分析具有借鑒意義。

3 結語

城市暴雨模擬是城市水文學研究的熱點，模擬技術經過發展已取得了豐碩的成果，具備了較為完善的模擬框架，但在水文過程機理的認識和數據管理能力方面還比較欠缺，在后續的工作中需要收集更多的基礎資料對所構建的模型進行驗證，且需要跟緊計算機的技術發展，研究出能夠進一步滿足細部流水運動規律城市暴雨模擬結果。

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［8］邊易達.基于HEC-HMS和SWMM的城市雨洪模擬［D］.濟南：山東大學，2014.

Study on the Simulation of Urban Rainstorm

YANG yi
（School of Architecture and Environment，Sichuan University，Chengdu，Sichuan 610065，China）

Rapid urbanization has changed the water cycle of the city，which has aggravated the problem of urban flood and flood.This paper introduces the present situation of hydrological and hydrodynamic methods in the study of urban flood and floods the development history of urban rainwater flooding model，and analyzes the applicability of SWMM，InfoWorks，MIKE and so on，so as to provide reference for the application of urban flood simulation at this stage.

urban rainwater；surface runoff；surface confluence；rainwater model

TV124

A

2095-980X（2017）03-0090-01

2017-03-08

楊毅（1993-），男，碩士研究生，主要從事雨水處理和脫氮除磷研究工作。