适用于“海绵城市”的水文水力模型概述

蔡凌豪CAI Ling-hao

适用于“海绵城市”的水文水力模型概述

蔡凌豪
CAI Ling-hao

当下中国正面临着从城市内涝到水资源水生态乃至整体生境的多重危机，为了应对危机，海绵城市的理论和建设得到了空前的重视。水文水力模型是海绵城市建设的重要技术保障。讨论了海绵城市的内涵和层级结构，以及水文模型对海绵城市建设的重要意义。从流域、河流、城镇和海绵单元4个层级对适用于海绵城市的水文模型进行了分类图解，简要概括了各个模型的基本功能、适用范围和在中国国内的研究实践状况以及局限性，并认为水文水力模型的应用对于提高风景园林学科的科学性有着重要的价值。

海绵城市；雨洪管理；绿色雨水基础设施；水文模型；低影响开发；最佳管理措施

修回日期：2016-02-05

1　海绵城市的内涵与层级结构

1.1中国建设海绵城市的背景概况

当下中国正面临着从城市内涝到水环境水生态乃至整体生境的多重危机。我国所处的地理位置和气候带决定了降雨时空分布的不均匀性，随着快速的城镇化过程，人口增加、产业发展、城市建成区的快速扩张和流域生境的加速破坏，传统的基于地区、功能、部门分割的水资源管理方式和大尺度工程化的“灰色”基础设施已经无法应对这些日益严重的危机。

在全面建设生态文明的背景下，中国提出大力建设“海绵城市”。随着2014年11月《海绵城市建设技术指南》发布，2014年底至2015年初，海绵城市建设试点工作全面铺开，并产生第一批16个试点城市。

1.2国外城市雨洪管理的系统策略

海绵城市建立在国内外雨洪管理及生态学科等方面取得的理论成果及实践经验基础之上，20世纪70年代起，西方先进国家已经提出多种解决城市内涝和水生态危机的策略，并逐渐形成了多个系统解决方案，其中较完善的有3个：（1）美国“最佳管理措施”（BMPs）、“低影响开发”（LID） ；（2）英国“可持续排水系统”（SUDS）；（3）澳大利亚“水敏感城市”（WSUD）。

它们具有一些共同的特征，包括：

（1）强调城市和自然系统的完整性和系统性，综合分散小规模的源头控制机制技术措施、效仿自然排水方式的绿色基础设施和传统雨污管网基础设施相结合，进行城市雨洪从源头到终点的全周期控制和管理，尽量减少城市发展对环境的影响，并恢复和保护自然生态系统的原有状态和功能。

（2）建立在多部门和多学科的研究和协作之上：在国家各级管理机构的协调下，综合了水利学、生态学、城市规划学、交通、给排水、风景园林学、建筑学等多学科的研究，在规划过程中，多学科进行深入协作。

（3）建立完善的基础数据库，研发针对各气候和土壤分区的雨洪模型。如美国国家农业部、美国国家环保署的网站上可以查询美国各地的气候、地质、土壤、植被、水文资料，并研发和免费提供各类从简单的计算工具（如National Stormwater Calculator）到复杂的物理模型的科学分析工具。

1.3海绵城市的内涵和层级结构

水环境与水生态问题是跨尺度、跨地域的系统性问题。要实现雨水资源的高效利用、减少城市的洪涝灾害和城市的可持续发展，必须突破以场地尺度雨水利用工程为主的策略，考虑在区域和流域尺度的宏观层面上，将城市水系统作为一个有机整体进行统筹协调，综合城市自然条件、土地利用、基础设施建设和经济发展水平等因素，建立宏观-中观-微观立体层面的系统解决雨水管理问题。从生态系统服务出发，将传统基础设施、绿色基础设施以及土地自身的自然积存、自然渗透、自然净化功能相结合，构建跨尺度的水生态基础设施（hydro-ecological infrastructure），是“海绵城市”的核心内涵［1］。

海绵城市的层级结构，可概括为从宏观到微观的流域、河流、城镇和单元4个尺度：（1）流域：最大限度地保护原有的河流、湖泊、湿地沼泽、坑塘、沟渠等水生态敏感区，留有足够涵养水源地，根据流域土地覆盖类型的水文特征，围绕流域生态系统构建综合水安全格局，保护和修复水生态系统功能主体，使之成为区域的生态基础设施。（2）河流：河流是城市生境和自然生境的连接通道，是城市雨洪和污染物的排泄通道。对河道本体的保护和恢复，是海绵城市功能延续的基本保障。（3）城镇：维持城市开发前的自然水文特征，保护和恢复城市原有水生态系统如河道、坑塘、湿地，并结合城市建成区功能和发展规划，合理划分集水区、汇水节点，控制城市不透水面积，将绿色基础设施和城市雨污管网设施综合利用，形成“城镇海绵系统”。（4）单元：微观单元指具体实施低影响开发的区域，低影响开发措施并不只局限于源头，而拓展至中途和末端不同尺度的控制措施，使开发后城市的水文功能尽可能的接近开发之前的状况，将低影响开发措施和景观相结合，形成生态和美学兼具的“海绵单元”。

4个尺度形成了以城市所在流域为基底，河流水系为骨架，城市道路和管网为网络，海绵单元为节点的海绵城市综合系统。

2　适用于海绵城市的水文水力模型——从宏观到微观

2.1水文水力模型的基本概念和意义

海绵城市的核心是水的循环。水循环是生态环境最复杂的过程之一，受到极多因子的综合影响。从研究对象的不同可分为水文学和水力学两大类型。研究水循环的时空分布的科学称之为水文学（Hydrology），研究水体自身的运动规律及其工程应用的称为水力学（Hydraulics）。在海绵城市的范畴内，水文学的重点研究对象是城市及围绕城市的自然流域的地表径流形成、蒸发和下渗，地下水的变化、陆表沉积物污染物的产生和迁移过程，气候、土壤、植被变化的水文响应等。水力学的重点研究对象包括：水在管道、渠道、坑塘湿地、河流湖泊中的运动及其水域中的沉积物污染物扩散沉积过程，洪涝过程及水对陆地的侵蚀过程，也包括水在土壤中的复杂动态渗透过程。由于水循环的复杂性，必须用数学和物理方法，构建水文和水力模型，进行精确分析和评估，水文水力模型是探索和认识水循环和水文过程的重要手段，也是解决水文预报、水资源规划与管理、水文分析与计算等实际问题的有效工具，是海绵城市建设有效性的基本保障（图 1）。《海绵城市建设技术指南》指出：“有条件的控制性详细规划也可通过水文计算与模型模拟，优化并明确地块的低影响开发控制指标”。美国环保署EPA建议2km2以上的雨洪规划必须经过模型计算。

2.2水文模型的分析机制分类

水文模型是通过采用系统分析的途径，将复杂的水的时空分布现象和过程概化所给出的近似的科学模型。水文模型有多种分类方法，较普遍的是分为集总式水文模型和分布式水文模型以及介于两者之间的半分布式水文模型［2］。

2.2.1集总式水文模型

集总式水文模型不考虑水文现象或要素空间分布，将整个流域简化为一个整体进行模拟。由于参数和变量都取平均值，从机理上不具备模拟降雨和下垫面条件空间分布不均对径流形成的影响的功能，只能模拟水文现象的宏观表现，不能涉及其本质或物理机制。其参数不能实际测量到，必须通过校准才能获得。美国农业部自然资源保护署（NRCS）制定的TR20（适用于流域）和TR55（适用于城市区域）模型，采用SCS runoff curve number下渗曲线来计算径流，属于集总式水文模型。

2.2.2半分布式水文模型和分布式水文模型

集总式水文模型难以满足不同研究领域对水文模型的需求，随着3S技术的发展，半分布式和分布式水文模型已逐步成水文模型的主流。分布式水文模型用严格的数学物理方程表述水循环的各种子过程，参数和变量中充分考虑空间的变异性，根据水流动的偏微分方程、边界条件及初始条件应用数值分析来建立相邻网格单元之间的时空关系，并着重考虑不同单元间的水力联系，其物理参数一般不需要通过实测水文资料率定，解决了参数间的不独立性和不确定性问题。分布式水文模型所揭示的水文物理过程更接近客观世界，目前较为常见的分布式水文模型有英国的TOPMODEL模型，欧洲的SHE模型，美国的SWAT模型、SWMM模型等。国内的新安江模型属于半分布式概念模型。

2.3水力模型的分类

水文模型只能模拟水文的宏观和总体现象，而水力模型则可以模拟水体自身的复杂动力场，模拟水体与其他介质如河床河岸、管壁、以及泥沙、污染物之间的相互作用。宏观的水动力学模型采用简化圣维南方程（一维）、二维浅水方程（二维）或Boltzmann方程等数学方法。多数与水文模型耦合的水力模型均采用这类方法，如EPA的SWMM、丹麦水利研究所（DHI）的MIKE11、MIKE21等模型。

更为精细的水动力模拟基于流体力学（CFD）的方法，可分为有网格和无网格法。网格划分利用有限体积法、有限差分法，有限元法计算，如FLOW Science的FLOW3d。无网格法一般利用拉格朗日粒子法，虽然无网格方法具有许多优点，但计算效率较传统方法低，目前应用的水动力学模型中还是以有网格模型为主。

按照模拟的维度，水动力学模型可以分为一维水动力学模型、二维水动力学模型以及三维水动力学模型。在雨洪模拟中，一维模型具有计算效率高，所需要基础数据少等优点，但应用范围较为局限。二维水动力学模型则主要用来模拟街道交汇处、广场、湖泊、河流、流域地表等具有明显二维流动特性的区域。由于在算法实现上的难度以及模拟计算时的工作量等原因，三维水动力模型在城市雨洪模拟中还比较少用到，但是未来的发展趋势。

2.4适用于海绵城市的水文水力模型

世界发达国家在水环境模型规范化、软件化和商业化方面已取得了丰硕的研究成果，从水文模型、水动力模型、水质模型、水力水质综合模型扩展到流域综合管理模型系统。美国环保局和欧盟环保署还制定了大量有关环境模型开发和使用的技术导则或指南，使得环境模型使用更加规范化和系统化，同时通过与商业公司的合作，形成了一批比免费开放模型功能更加丰富强大的商业软件。

我国《室外排水设计规范》（GB50014-2006）采用暴雨公式、降雨时长和径流系数来计算地表产流和管道负荷，《海绵城市建设技术指南》采用的地区多年平均日雨量统计数据来确定年径流总量控制率，根据暴雨公式和概化的地表径流系数推导各低影响开发设施的类型及规模，是一种经验公式。这种计算方法存在着精确性不足、参数和结果很难验证、无法表述水文过程的时空变化等问题，降雨时长的选择、地表径流系数等参数的不确定性，使计算结果十分粗略而不可靠［3］。随着海绵城市建设的深入开展，我国亟需建立起适合于本土的海绵城市水文水力模型，完善基础数据库，率定标准参数以及规范模型应用流程。

国外的水文水力模型以及综合软件平台，数量不下数百种，各种模型的核心机制、模拟对象、适用尺度千差万别，给科研人员和实践人员根据研究对象选择合适的模型造成诸多困难。本文筛选了部分对我国海绵城市研究和建设具有参考价值的典型水文水力模型，其筛选划分原则如下：

（1）根据海绵城市的基本内涵，将适用于海绵城市的水文模型限定为城镇以及与城镇密切相关的流域尺度。根据海绵城市的核心功能：城市雨洪可持续管理和利用、水体和流域的保护、修复和可持续发展，低影响开发设施的建设，将水文水力模型主要功能限定为以流域和城市地表产汇流计算，地下水，雨洪管网计算，有机物及污染物扩散迁移，河道沉积物及侵蚀，水域生态，低影响开发设施分析（BMPs/LID，SUDS，WSUD）等方面来确定适合的水文水力模型。

（2）世界上得到广泛应用并经过反复实证，在中国也有研究和实践的模型。水文模型需要大量的基础资料，经验模型和物理模型只有经过大量本土化论证研究，才能验证其可靠性和适应性。

（3）多类型模型耦合的模型。适应于海绵城市的水文模型通常都是水文模型、水力模型和水质模型的耦合，以应对复杂的水文水力现象。

（4）具备完善的模型族或前后处理端口。水文水力模型有独立机构开发的单一功能水文模型，也有综合功能并形成系统的模型族，后者的功能通常更加完善，经过更多的实践验证，能应对不同类型的分析工作，较适于非水文专业人员如城市规划、风景园林等行业人员使用。

根据前文对海绵城市的层级结构划分，从流域、河流、城镇、单元尺度对水文模型进行分类。形成跨尺度的水文水力模型系统图解（图2），建立起跨尺度模型间的联系，以区别于相关研究文章只注重城市尺度的雨洪水文模型。值得注意的是，很多综合模型和软件包具有多种跨尺度的水文水力模型，因此很难准确界定属于何种层级，本文根据其主要功能来划分。

2.5流域水文水力模型

宏观流域尺度的水文模型注重整体水生态水环境的安全格局，重点是流域划分、区域地表径流及洪涝预测、非点源污染的扩散迁移，水生态系统的影响等①。由于尺度较大，流域模拟一般以水文水质模型为主，较少使用水力模型。

代表性的免费模型有AQUATOX，PLOAD，SWAT，WinHSPF，HEC-HMS，GSSHA，TR-20，TR-55，这些模型多数具有图形化界面，可以独立运行。但免费模型的数据输入模块和后处理模块一般较薄弱，也不能与地理信息系统和数据库直接连接，导致普通用户使用不便，因此软件开发商以这些模型为基础计算引擎开发了功能更全面界面更友好的软件包。比较著名的有EPA的BASINS模型族，Aquaveo的WMS模型族以及在欧洲得到广泛应用的TOPMODEL，澳大利亚CSSE开发的Catchment sim 等。因篇幅所限，本文仅对BASINS模型族、WMS模型族做简要介绍。

2.5.1BASINS（Better Assessment Science Intergrating Point and Nonpoint Sources）

BASINS是由美国环保署（EPA）水利办公室开发的支持流域环境和生态研究具备地理信息系统功能的流域水文模型集和流域管理工具，当前版本为4.1。其组织结构图如图 3。

它包含系统环境数据库、分析评估工具、流域划分工具、数据管理工具、流域特征报告等辅助模块，和7个核心水文模型，其中对海绵城市流域水文生态评估和规划有价值的有：

（1）流域荷载和运输模型HSPF （Hydrologic Simulation Prog ram—FORTRAN）：流域水文，土地和土壤污染物径流，沉积物-化学相互作用的水质综合模型。适用于水文响应单元、子流域、简单的一维流和混合水库/湖泊模型。对输入数据的完整性和用户的专业水准要求较高。本模型在国内水文水质及非点源污染等方面研究应用较多，如张恒等的淡水河流域非点源负荷计算［4］，邢可霞等的滇池流域非点源污染模拟研究［5］等。

（2）水土评估工具SWAT（Soil and Water Assessment Tool）：SWAT由美国农业部农业研究中心（USDA-ARS）开发，用以预测和评估无测站流域内水、泥沙和农业化学品管理所产生的影响。它由8个部分组成:水文、气象、泥沙、土壤温度、作物生长、营养物和农业化学品。 SWAT是农业和森林为主的流域具有连续模拟能力的最有前途的非点源模拟模型。它具有无需要率定、对大流域采用易获得的输入数据、计算效率高、能连续模拟长期管理变化的影响［6］，同时还支持沉淀池、渗透设施、植物过滤等BMPs措施。在国内，SWAT模型在国内得到广泛的研究应用，如张永勇等对海河流域典型区的水质研究［7］，魏冲等对丹江口库区的景观格局变化敏感度分析［8］，郭军庭等对潮河流域土地利用和气候变化对径流影响的研究［9］等。国内一些学者还探讨了对SWAT模型的本土化改进，如宁吉才等对模型降水输入参数的改进［10，11］。

（3）非点源负荷模型PLOAD：集成于BASINS系统，主要分析流域非点源污染的年负荷量并能够计算实施BMPs后的年负荷量变化［12］。PLOAD模型在国内也有所应用。

（4）水生态系统模型AQUATOX：AQUATOX能够模拟多种环境因子（包括营养盐，有机负荷，有机化学物，温度等）及其对藻类，植物，无脊椎动物，鱼类生态系统的影响。因此，AQUATOX能够帮助识别并建立起水质、水生生态系统、水生生物之间的因果关系链。在国内，陈彦熹等使用该模型进行景观水体水生态模拟和生态修复研究［13］。

（5）流域雨洪及水质模型SWMM：SWMM是最重要的径流量动态仿真模型之一。适用于市区和单事件或长期（连续）模拟，也可用于流域模拟（但尺度受到一定限制），国内如刘光东［14］，朱靖［15］等对SWMM模型在流域洪水和水质预测等方面做了一定探讨。SWMM在城镇尺度的应用下文详述。

（6）综上所述，由于众多模型的支持，BASINS是很重要的流域水文软件包，但也有一些缺陷，如只能分析一维水体，且由于数据的缺乏，不适合我国农业耕作模式和城市结构等原因，使BASINS在中国的应用受到了一定限制［16］。

2.5.2WMS（Watershed Modeling System）

WMS是美国 Brigham Young大学环境模型研究实验室 （EMRL）和与美国陆军工程师兵团水方法试验站（USACE）开发的流域水文和水力学分析的图形化模型软件包。由Aquaveo公司发行商业版本。WMS提供水文模拟全过程的工具，嵌入了多种概念性水文和水力模型，可与ARCGIS等地理信息系统软件交互数据，可以使用矢量地图、DEM、TIN等格式的数据，自动提取流域参数进行水文模拟，并能实现模拟结果的可视化。WMS最新版本是V10，增加了对SWMM模型支持。与BASINS相比，WMS不但支持一维水文，还支持1D-2D液压和分布式流域水文模型。缺点是商业版本价格昂贵（图 3）。

WMS集成的模型众多，这些模型多数有免费版本下载，可独立运行。其中可适用于我国海绵城市研究的流域水文模型有：

（1）HEC-1（HMS）：Hydraulic Engineering Center Hydrologic Modeling System美国陆军工程师兵团水文工程中心（HEC）发布，模拟降雨径流的水文建模系统，可以长时间连续水文过程模拟，使用网格单元代表流域的分布径流计算。HEC-HMS在我国洪水模拟研究中得到广泛应用［17］。

（2）GSSHA（Gridded Surface Subsurface Hydrologic Analysis）：该模型是分布式（二维）水文模型，能够模拟地表径流，江河水道水文环境，地表和地下水交汇区水质变化和泥沙输送。

（3）TR-20：计算自然或人工合成暴雨事件产生的地表径流，是由美国农业部自然资源保护局（NRCS）研发。属集总式模型。其参数和下渗曲线在我国的适用性还需验证。

（4）TR-55：NRCS研发的一种简便计算小暴雨产生的径流和城市化的流域的集总式模型。其参数和下渗曲线在我国的适用性还需验证。

WMS在中国的流域规划、径流预测等方面有所应用［18-20］。

2.6河流水文水力模型

从海绵城市角度看，河流是城镇生活工业用水主要来源，是雨污排放和污染扩散的主要通道，是城镇洪水威胁的决定因素。从模拟对象看，河流水文水力模型主要模拟水流的本体运动和水化学水质变化、泥沙运动、河床和地貌演变、河流资源的可持续利用和河流生态系统的健康程度。

适用于海绵城市河流尺度的水文水力模 型 有HEC-RAS，TUFLOW，MIKE11，Autodesk Civil3d（River and Flood Analysis Module）等。宏观层面通常在流域水文模型中用二维地表和一维线性河流模型来耦合流域和河流的水文联系。

2.6.1HEC-RAS（Hydrologic Engineering Center River Analysis System）

美国陆军工程师兵团的水文工程研究中心（HEC）发布，分析一维恒定和非恒定流模拟和输沙/移动边界条件的水力模型。可以执行天然河网和人工渠道一维水力学计算。HEC-RAS模型可独立运行，也集成于WMS软件中。

2.6.2MIKE11

MIKE系列水文软件是丹麦水资源及水环境研究所（DHI）的产品。与HEC-RAS类似，MIKE11是一维河道、河网综合模拟软件，主要用于河口、河流、灌溉系统和其他内陆水域的水文学、水力学、水质和泥沙传输模拟，MIKE11包含水动力学，降雨径流，对流扩散，水质，泥沙输运、富营养化、重金属分析等模块。它可以和MIKE URBAN城市管网模型完全耦合。MIKE11在国内相关研究中得到广泛应用，如周游使用MIKE11来预测和响应上海世博会景观水体的污染突发事件［21］。

2.6.3TUFLOW

由澳大利亚WBM公司联合昆士兰大学共同开发， TUFLOW是1D和2D耦合模型，一维求解圣维南方程，二维采用有限差分法求解自由表面水流浅水水动力学方程，适合模拟洪水、潮汐、对流扩散、泥沙输运、河道地形演变、城市排水及其二维内涝淹没。高效快速的二维模拟是该模型的最大优势。TUFLOW模型本身无界面，集成于Mapinfo GIS系统或作为水文软件的计算模型。

Aquaveo公司模拟河流流场及浓度场的软件SMS（Surface-water Modeling System）和XP Software XP-SWMM均采用TUFLOW作为河道水力及二维洪水淹没计算的引擎。

2.7城镇水文水力模型

城市地表覆盖种类多且分布复杂，城市水文的计算比流域水文更为困难，要求精度更高。城镇水文模型通常是地表产流水文模型和管网水力模型的耦合。注重城镇水文系统的时空变化，重点分析汇水区地表产汇流及入渗、城市洪涝区域、有机物和污染物扩散、城市雨洪管网系统负荷规划和系统设计、城市河道的洪涝威胁、低影响开发设施的空间分布、类型和规模等，是海绵城市规划和建设的核心内容。我国一些科研机构也开发了自主知识产权的水文模型，但因种种原因，没有得到广泛推广应用。

欧美发达国家从20世纪60年代起开始研制满足城市排水、防洪、环境治理等方面要求的城市雨洪模型，但多偏重于管网模型。近年来，城镇尺度的水文水力模型逐渐从单一模型向综合模型转变，与河道系统耦合，二维洪涝模拟、三维水动力模拟、智能化管理等正成为未来发展的趋势。随着低影响开发概念的深入影响，各模型均开始支持LID/ BMPs，SUDS，WSUD等不同的低影响开发设施的模拟。

适用于中国海绵城市建设的，并具备有低影响开发设施模拟能力的城镇尺度水文水力模型及软件平台主要包括：

2.7.1SWMM(Storm Water Management Model)

美国环保署（EPA）开发SWMM是目前世界上研究最深入应用最成熟的城市水文模型，经过不断的完善和升级，目前已经发展到SWMM5.1版本。

SWMM是动态的降雨径流模拟模型， 包含了水文、水力、水质模块， 主要用于规划和设计阶段。它具备模拟城市降雨径流运动过程（包括地面径流和排水系统中的水流、雨洪的调蓄处理过程）和BOD、COD、总磷、总氮等8种污染物的迁移扩散过等功能。该模型把每个子流域概化成透水地面、有滞蓄库容的不透水地面和无滞蓄库容的不透水地面3部分， 利用下渗扣损法或SCS法进行产流计算，坡面汇流采用非线性水库法， 管网汇流部分提供了恒定流演算、运动波演算和动力波演算3种方法。SMWW模型的基本结构图如（图5）。

国内研究者对SWMM的计算机制和参数在中国的适用性做了很多深入的研究，并在城市的排洪防涝、雨水利用、面源污染方面进行了实验。如丛宇翔等选取北京市典型小区，计算不同频率设计暴雨下小区排水效果以及积水、道路坡面流等情况［22］，刘俊等对上海市区排水和地面淹水过程的模拟［23］，验证了SWMM模型在精确性和可靠性。

SWMM5.0版本之后增加了对LID/BMPs支持，成为世界上最主要的低影响开发设施计算模型，它将LID/BMPs作为单独划分成子汇水区，适用于小地块的LID模拟，也可以将单个或多个LID设施混合置于同一个子汇水区内作为子汇水区的一部分，取代等量的子汇水区内的非LID面积，在这种方式下，无法明确指定LID设施的服务区域及处置路径，主要适用于较大区域的LID集成技术及雨洪控制效果模拟。LID设施位置和面积确定后，设定具体参数，低影响开发设施被分解为表层、路面层、土壤层、蓄水层、暗渠层5个层次，并以此概化各类LID设施，模拟过程中执行含湿量平衡，跟踪水在每一LID层之间的移动和存储。5.1版本目前支持生物滞留设施、雨水花园、绿色屋顶、渗渠、透水铺装、雨水罐、草沟7种预定义设施，原则上也可以通过改变参数模拟其他类型的设施。计算完成后，SWMM的状态报告包含了LID性能总结，说明了每一子汇水面积内每一LID控制的总体水量平衡，水量平衡的组件包括总进流量、渗入、蒸发、地表径流、暗渠，以及初始和最终蓄水容积。可见，SWMM不仅能模拟城镇尺度下低影响开发设施对海绵城市径流量、径流峰值及水质的影响，也能评估单体LID设施的性能。

近年来，国内出现了许多利用SWMM模拟低影响开发设施的研究，如王雯雯的《基于SWMM的低冲击开发模式水文效应模拟评估》，选择深圳光明新区作为研究对象，构建了研究区的SMWW模型，以测试各类LID单元和组合在不同空间布局下的水文效应和雨洪控制效果，最终得出最优化配置，并评估其经济性［24］。李家科［25］、张胜杰［26］、马箐［27］、李霞［28］等分别对低影响调控措施的效果模拟研究，取得了一定的成果。

SMWW模型依然存在一些缺陷，由于SWMM模型是概念模型，所以部分参数需要结合实测结果率定，才能保证计算结果的可靠性，需要率定的参数主要有地表洼蓄深、地表曼宁系数、排水通道曼宁系数、子流域漫流宽度、下渗参数、日蒸发参数等。这增加模型的使用难度，限制了模型了模型的使用范围。董欣［29］、王浩昌［30］、黄金良［31］等分别对SWMM参数灵敏度进行了识别、分析和验证，对SWMM实践应用中的参数设定具有一定参考价值。

SMWW模型同其他免费模型一样，缺乏便捷强大的数据输入输出端口，无法直接导入通用cad格式，也无法自动提取地表参数，使前期输入工作十分繁琐且不精确。一些研究试图改进这些缺点，如黄国如等探讨基于GIS 的SWMM模型二次开发方法［32］，赵冬泉等自主开发的数字排水平台（Digital Water DS） 将SWMM 与GIS 紧密集成，实现暴雨管理的模拟分析［33］，并辅助BMP措施的设计与评估。本文作者蔡凌豪使用Rhino及其参数化插件Grasshopper开发了SWMM模型的输入端口及芝加哥雨型生成器生成暴雨数据，可将Rhino中绘制的汇水区cad图形包含部分下垫面数据如坡度、漫流宽度等信息自动写入SWMM的inp格式输入文件中，实现了SWMM模型与cad数据的交互，参数化驱动的绘图与编辑使构建模型更为快捷，适用于场地尺度的水文模拟。

以SWMM模型为核心，衍生出很多商业软件包，形成了庞大的SWMM模型家族，如加拿大水利研究所（CHI）的PCSWMM，XPsolution的XPSWMM，它们整合了地理信息系统引擎，具有完备的数据输入、信息管理和后处理模块，还针对SWMM只能进行一维分析的不足，增加了TUFLOW模型进行一维和二维地表径流和洪涝模拟分析的功能，更加形象直观准确。

2.7.2InfoWorks ICM

英国innovyze公司开发的InfoWorks ICM及系列软件族，以自行开发的水文模型为核心，可以完整模拟城市雨水循环系统，实现了城市排水管网系统模型与河道模型的耦合，更为真实地模拟地下排水管网系统与地表受纳水体之间的相互作用，并支持英国的SUDS标准。Innovyze旗下的infoSWMM软件支持LID/BMPs，并具备二维模块分析地表洪涝。该模型软件在国内水务部门应用较为普遍。

2.7.3MOUSE（MIKE URBAN）

MOUSE是丹麦水力学研究所（DHI）开发的排水管网水文水力耦合模型，最新发布的MIKE URBAN集成了GIS模块，包括MOUSE、SWMM两个引擎。 MILE URBAN具备分析LID/BMPs的能力，在国内拥有众多的用户，并在奥林匹克公园中心区的雨水利用规划中得到应用［34］。

2.7.4MUSIC(Model for Urban Stormwater Improvement Conceptualization)

MUSIC模型由澳大利亚政府水服务机构eWater和Monash University为澳大利亚水敏感城市（WSUD）开发。模型将流域分解成一系列由排水渠道相连的节点。流域包含一系列源节点的子流域，默认的源节点按土地利用分为城市、农业，森林是3种类型可以快速得模拟池塘、植物、下渗缓冲区、沉积区、污染物沉淀池、湿地以及洼地等暴雨控制设施，提供完整的LID/BMPs支持。针对澳大利亚各城市和郡县的不同气候、土壤和建设状况建立专用的基础数据库，提供完善的水敏感城市建设导则，计算低影响开发设施的经济效益。模型界面友好，适合于非研究机构的实践分析和水管理部门进行效益预测核算。由于基础数据不同，MUSIC目前在国内还没有得到应用，但其开发模式值得中国海绵城市的主管部门借鉴。

2.8单元尺度的水文模型

单元层面注重低影响开发设施的具体实施，模拟、分析和评估各类设施的空间分布、规模、效能、环境影响及经济效益，与设计和实践结合最为密切。

单元层面的海绵城市水文模型可分为两大类型：单体模型和综合分析模型。

2.8.1单体模型

专门注重于模拟、分析和评估单一或成组低影响开发设施水文和水质效能的模型。简单的经验模型如美国社区技术中心（The Center for Neighborhood Technology，“CNT”）开发的绿值雨水计算器Green Values Stormwater Calculator，通过SCS下渗法计算LID设施的性能、规模和效益。基于物理模拟方法比较典型的是由威斯康星州（Wisconsin）大学研发的RECARGA， RECARGA对不同设计要素下生物滞留池的水文性能进行分析，从而为生物滞留池的合理设计提供理论依据。RECARGA采用TR-55CN程序分别模拟研究区的透水性区域及不透水性区域的径流量，运用Green-Ampt方程模拟蓄水层至介质层土壤的入渗，并通过van Genuchten非线性方程模拟控制土壤层内（介质层至沙砾层），沙砾层至天然土壤间的水分运动。利用RECARGA可以对生物滞留池的各项要素如面积、根区土壤特性等反复进行设计模拟，从而达到特定的性能目标。国内孙艳伟等利用本模型对生物滞留池在径流消减、地下水入渗补给、积水时间、总处理水量等方面的水文效应进行了模拟，证实了其显著的水文调控功能［35］。

2.8.2综合分析模型

LID/BMPs技术众多，其技术特征、经济和社会特征各不相同，需要在建设前从系统的角度结合城市布局、土地利用、景观建设以及区域排水体系，筛选适用的技术，并对其规模和数量进行布局优化。综合分析模型一般不但可以分析低影响开发设施的水文效能，也具备空间布局规模分析优化、设施间水文输送、小尺度区域雨洪分析等综合功能。在国内应用最多的是EPA的城市降雨径流控制的模拟与分析集成系统SUSTAIN（System for Urban Storm water Treatment and Analysis Integration），用于城市开发区内LID/BMPs选址、布局、模拟和优化的决策支持系统。

SUSTAIN采用ArcGIS9.3作为基础平台，综合应用了水文、水力和水质分析模型，同时考虑了成本管理和优化分析技术，以实现不同尺度流域中暴雨管理方案经济性和有效性的评估和分析。因此，SUSTAIN并不仅仅适用于微观层面，也适用于中观层面的综合LID/ BMPs分析和优化。

SUSTAIN 采用了模块结构进行系统设计，共包括框架管理、BMP布局、土地模拟、BMP 模拟、传输模拟、优化和后处理程序7个模块。用地产流模块采用SWMM模型；LID/BMPs模拟模块包含了10余种LID/ BMPs措施单体和集成式LID/BMPs组件，可对不同LID/BMPs措施对降雨径流和径流污染物的控制进行模拟；径流输送模块采用HSPF 模型对不同地块之间、不同LID/BMPs措施之间径流和污染物传输进行模拟。优化模块则基于给定的可变量和优化目标，通过分散搜索算法、遗传算法等优化算法对不同的情景方案进行比较分析，给出满足目标要求的最优方案；最后，通过后处理模块将优化的结果以降雨径流控制评价、LID/BMPs控制功效总结、优化方案成本-效益曲线等可视化的方式表现出来。

SUSTAIN 系统将BMP 措施划分为点状、线状和面状3种类型。点状BMP 措施包括渗透池、干塘、人工湿地、砂滤池、蓄水池等；线状BMP 措施主要包括植草沟、渗透沟和植被缓冲带等；面状BMP 措施包括透水铺装和绿色屋顶等。BMP 模块综合考虑这些BMP 措施的孔堰控制结构，以及渗透、蒸发和植物生长等过程，进行径流演算和污染物损失、降解和传输过程的模拟［36］。

SUSTAIN内置了一个可独立在ArcGIS 10.1中运行的BMP 布局工具（BMP Siting Tool），可由用户设置BMP 措施的布局规则（如排水区域面积、场地坡度、土地类型、地下水位深度、道路缓冲区、河流缓冲带和建筑缓冲区要求距离等），BMP 布局工具可自动搜寻符合设置条件的BMP 措施布置区域。

清华大学贾海峰、唐颖等较全面得介绍了SUSTAIN系统，以广东省环境保护职业技术学院佛山校区作为研究区域，模拟了各种LID/BMPs规划情景，论述了SUSTAIN的应用流程［37，38］（图 7）。

除了免费的SUSTAIN系统外，XPsolution公司商业软件XPdrainge可以对低影响开发设施和小区域雨洪水文水质进行更精细的模拟和设计。它支持数字DEM模型快速建立地表2D模型，决定降雨径流的主要路径、积水区域以及设置排水设施的最佳位置。支持容积计算、水质计算、动态分析组合了设计降雨以及时间序列数据用于水文分析。动态分析主要展现：污染物的去除；降雨径流滞蓄效果；排水及连接设施、控制的详细流量和深度过程模拟。

3　海绵城市水文水力模型的局限和发展

本文根据海绵城市的功能要求按模拟尺度层级选择了部分较为成熟的水文水力模型，简要概括其基本功能和在国内的研究和实践应用，以期能够让非水文专业的海绵城市管理者、研究者和建设者能够大致了解当前世界上相关水文模型的发展，认识到水文模型对海绵城市建设的重要价值。

需要清醒得认识到，水文模型并非万能，而将真正应用在我国海绵城市的规划、建设和管理之中，依然任重道远。当前，海绵城市水文模型还存在如下问题：

（1）针对性不足：海绵城市是新的城市雨洪和水生态的规划、建设和管理策略，在国外相关理论研究和实践策略上基础上，拓展了广度和深度，其内涵、结构和具体技术仍在深化讨论之中。多数水文模型，并非专门针对海绵城市设计，而是被设计出来分别应对流域水文和城市水文的问题，在这两类水文模型之间，还存在着难以愈合的罅隙，如两类模型的框架不同，分析机制差异很大，导致分析模拟数据难以交互。海绵城市要求将流域和城市系统性得整合，才能最大发挥海绵城市的生态效益。因此，未来海绵城市水文模型应整合这两大类型的水文模型，并使其与中国本土的气候、水文、土地利用模式和城市结构相适应。虽然SWMM、MUSIC等模型已支持LID/BMPs之类的低影响开发设施的模拟，但其分析机理、支持类型、精细化程度仍然不足，其在中国的适应性还需不断验证。

（2）功能局限：水文模型发展至今已形成了较为完善的理论基础和模型框架， 但对水文物理过程机理的认识和数据计算能力已成为限制模拟精度和应用范围的主要瓶颈。随着水文学、水动力学理论、计算技术、计算机硬件及测量技术的发展，可进一步满足细部水流运动规律研究的需要， 开发更加完善和精度更高的水动力学模型， 提供更可靠的城市雨洪模拟结果。

（3）缺乏基础数据：这是制约水文模型在我国深入应用的最大瓶颈，由于我国许多城市地区尤其是中小偏远城市，缺乏长系列水文气象资料， 中国的土壤类型、土地利用和城市雨洪管理模式也与国外常用水文模型要求不符，这严重影响了影响雨洪模拟精度及应用范围。美国、澳大利亚等先进国家的政府管理部门的数据透明公开，和学术机构的合作成果能快速得转换为实践工具，而中国管理部门的条块分割，导致数据搜集十分困难，免费数据极少，而数据的时效性和信息化程度也相当落后，使研究和实践工作的开展面临重重难关。因此，海绵城市的水文模型有效使用，依赖于政府管理部门和研究机构的高效协作以及信息数据的规范化、公开化和免费化。

（4） 使用不便：由于水文模型一般是由水文专业人员开发和使用，因此目前多数水文模型，使用者需要一定的专业知识，数据输入复杂，参数多需反复率定，模拟结果和通用规划设计软件之间缺乏直接联系。这在一定程度上阻碍了多学科协作的开展。

4　水文水力模型对风景园林行业意义及展望

在深入研究和建设海绵城市的进程中，风景园林行业起到重要的不可替代的作用。海绵城市系统的基本内容，均是风景园林的主要研究对象。绿地是城市最重要的透水下垫面，是海绵城市单元体的承载基础，是城市生态系统的重要组成部分，应当承担起调节城市水文循环、缓解水危机的重担。基于风景园林产生的绿色基础设施、生态基础设施、景观都市主义等理论，也大大丰富了海绵城市的内涵。风景园林的技术手段，是海绵城市低影响开发措施的建设保障。在发达国家，风景园林与城市规划、水利、建筑、交通等相关研究机构和管理部门紧密合作，成为城市雨洪管理、水生态恢复、流域生态保护的重要力量。

但是目前国内风景园林在海绵城市以及水和流域生态等方面发挥的作用，尚与其应有的地位并不相称。究其原因，除去因行业和部门的条块分割和利益自保等因素，风景园林学科和行业自身所存在的问题也不容忽视。风景园林长期以来被视为感性超过理性的学科，其核心理论中，“美学”的充实和“科学”的薄弱，恰恰形成两个极端。由于缺乏数据积累和定量研究导致的科学性的缺乏，使风景园林很难在学科和行业协作中掌握足够的话语权。

水文水力模型是海绵城市建设的重要技术保障。由于学科差异、原理艰深、使用不便等等原因，风景园林行业极少使用水文水力模型进行相关定量研究，只能被动得使用其他行业提供的数据和方案，却不能深入理解其背后的机制，使数据和规划貌合神离纸上谈兵，使风景园林建设不能真正适应环境的动态变化，从而成为涂脂抹粉式的锦上添花，却对真实的生态环境和水危机无能为力。因此，风景园林的研究者和从业者，掌握一定程度的水文水力知识，学习使用水文水力模型来负责规划建设，并将其作为行业协作的科学平台，有着重要的意义。

随着未来RS、GIS等空间信息技术、大数据采集、智慧城市必将成为海绵城市水文模型和模拟技术发展的趋势，数据采集、提取和整理将更为便利，类似MUSIC，XPdrainage之类界面友好，流程便捷、智能模拟的水文水力模型陆续出现，将使风景园林从业人员能够相对容易得掌握水文水力模型的使用，从而更加深入得了解城市和自然水文运行的规律、研究雨洪利用的生态策略，探究城市和自然的可持续发展的未来之路。

注释：

①加州理工学院davis分校整理了一份较完整的流域水文模型列表可供参：ucdavis.Watershed Modeling［EB/OL］. ［2016-01-17］.http：//cwam.ucdavis.edu/models.htm.

②图片来源：图3引自BASINS软件手册，图7作者改绘参考文献［24］，其余为作者自绘。

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Introduction of Hydrological and Hydraulic Models for “Sponge City”

China now is facing multiple water crises including urban water logging， the water environment and ecology threat， even the overall ecological system hazards. In order to treat with the crises， theory and construction of “sponge city” has been brought forward. Hydrologic and hydraulic model is an important technique support to build “sponge city”. In this paper， we will explore the meaning and hierarchy of “sponge city”， as well as the importance of hydrological models and hydraulic models. From four levels including watershed， river， urban and “sponge composition”， hydrological models and hydraulic models for “sponge city” are classified and diagramed. The paper then briefly summarizes the basic function of each model， the scope of practice and research in China and their limitations. At the last part， we will discuss the value of utilizing hydrological models and hydraulic models to improve scientificity of landscape architecture.

Sponge City； Storm Water Management； Green Water Infrastructure； Hydrologic Model； Low Impact Development； Best Management Practices

TU986

A

1673-1530（2016）02-0033-11

10.14085/j.fjyl.2016.02.0033.11

2015-11-17

蔡凌豪/1976年生/男/清华大学建筑学院博士生/北京林业大学园林学院教师（北京100083）