探讨城市暴雨模拟研究

杨毅

（四川大学建筑与环境学院，四川成都610065）

探讨城市暴雨模拟研究

杨毅

（四川大学建筑与环境学院，四川成都610065）

快速城市化改变了城市的水循环，加剧了城市暴雨洪涝问题。对城市雨洪地面产汇流计算，城市暴雨集水模拟研究的水文学、水动力学方法现状进行了阐述，介绍了城市雨洪模型的发展历程，分析了适用性较好的SWMM、InfoWorks、MIKE等雨洪模型的应用现状，以此为现阶段城市洪水模拟的运用提供参考。

城市雨洪；地表产流；地表汇流；雨洪模型

目前城市暴雨产生的内涝问题已经对城市正常运转构成了威胁，并引起全世界普遍的关注。城市暴雨积水模拟是一个复杂的时空模拟问题，由于下垫面的复杂性，加大了城市区域的模拟难度。城市防洪减灾的有效性很大程度上依赖于模拟的精度、广度。城市暴雨积水模拟问题，属于水文水力学的新兴研究方向，根据普通积水的模拟方法在城市区域进行适应性改造，主要有水文学、水力学以及耦合的水文水力学三类方法。水文学方法开展时间较早，随着计算机技术的发展，水力学方法也逐渐被应用到城市雨洪模拟中来，且由于两种方法各有优缺点，又具有互补性，将两种方法耦合起来发展成的水文水动力学方法逐渐受到广泛的关注。

1 城市暴雨模拟计算

（1）地表产流计算。城市暴雨模拟计算分为产流、汇流计算两方面。城市下垫面种类繁多且分布规律复杂，由此引起产流计算的诸多不便。产流过程考虑雨水落到下垫面之后进行下渗及蒸发后如何形成直接径流。城市下垫面分为透水和不透水地面，透水地面计算方法有径流系数、SCS、Green-Ampt和概念性降雨径流法，不透水地面采用降雨量扣除截留、洼地填洼等损失，但目前产流计算的精度有待提高。陈洋波等开展了东莞市内涝预报模型研究，运用产流计算模块将地面分为透水和不透水地面，并采用不同方法进行单元网格上的产流计算。

（2）地表汇流计算。地表汇流过程指排水区域所产生的地表径流汇入集水口的过程，其包含流域、地下、河道和管网汇流，其具有汇流面积不均匀，边界不明显，水文水力条件复杂等特点，解决方法分为水文学和水动力学两类。水动力学法建立在微观物理定律上，在连续性和动量方程基础上求解圣维南方程组，模拟坡面的汇流过程；水文学法建立在系统分析的基础上，将汇水流域当作一个黑箱系统，建立输入与输出的关系，模拟坡面汇流过程。

水文模型法依据水量平衡，运用模型结构和参数反映经过流域时下渗，产、径流的过程。水文学法常用有传统推理、等流时线、瞬时单位线、线性水库及非线性水库法。宋晓猛等对水文学法做了详细研究，发现推理法只关注洪峰而不关注流量过程变化，等流时线法对于城市地面汇流计算划分相对较难，瞬时单位线法无法非线性化处理，线性水库法不考虑过程的非线性特征，非线性水库法物理概念明确，计算精度相对较高。物理分析途径着重于研究物质的运动，基于连续、能量和动量方程来建立函数。水动力学模型需要充分的初始资料和边界条件，且计算过程繁琐，推广困难。目前，一维模型主要用来模拟河流的水流运动过程，但需要具有线性特征的流动路线，城市地区的水流运动复杂，还需要考虑人工建筑物，模型存在明显的局限。二维模型能够较好地模拟水平漫流过程，但模型应用需要高分辨率的地形数据支持，并且其在表征地表形态方面具有困难。为解决一、二维模型分别使用时遇到的空间分辨率和计算精度问题，水文——水动力耦合模型成了新的发展方向。宋晓猛等认为运动波计算简单，适应于坡度大、回水影响小的管道，峰值不会衰减，扩散波不适用于各种流态共存的城市管网的水流运动，动力波计算精度较高，适用性广，考虑峰值在管道中传播的衰减，但资料要求较高。申红彬认为坡面流作为一种特殊的浅层水流，沿程不断有动、质量源汇入，规律十分复杂，且模型不少参数仍需要通过率定才能确定，离大范围的推广应用尚有一定距离。

2 城市雨洪模型

欧美国家较早开始城市雨洪管理模型的研制，并用于处理大流域水资源规划，然后逐渐从基于监测数据的黑箱模型发展到基本的城市雨洪管理模型，这些模型有：暴雨雨水管理模型（SWMM）、处理与溢流模型（STORM）、美国陆军工程兵团的蓄水沃林福特模型（WALLINGFORD）、公路研究所法（TRRL）和水文计算模型（HSPF）等。随理论研究的深入，SWMM、InfoWorks等模型在处理大流域问题时，可以将其分成小的汇水区，达到解决下垫面属性及降雨资料随空间分布不均匀的问题，称为半分布式模型。随着计算机科学技术的发展，全分布式水文模型的概念逐渐被重视，其将整个计算流域分为一个个栅格，每格赋予具有严格物理意义的参数，比较精准地描述下垫面属性信息。文章对应用较广的典型模拟软件进行分析介绍。

SWMM是美国环保署研制的模拟城市雨洪过程的综合性数学模型，是一个动态的分布式水文模型，由4个计算和1个服务模块组成。计算模块分别为径流、输送、扩充输送和储存/处理模块，通过计算模块的运行，SWMM可以对地面径流，排水管网以及污水处理单元进行动态模拟，服务模块的主要功能是进行一些计算后的处理，主要分透水地面、有滞蓄和无滞蓄的不透水地面三个部分。胡莎等基于山前平原城市的自然地理及水系条件，运用SWMM在规划土地利用条件下进行水系排涝演算，模拟结果满足10年一遇河道排涝要求，可以为水系排涝规划提供相应依据。

InfoWorks是Wallingford软件公司开发的雨洪模型，能用于城市流域环境影响评价、积水分析，开展二维地表洪水验算，可以与GIS实现对接，提高前处理的效率、后处理的计算速度，具有采用分布式模型模拟降雨径流过程，基于子集水区划分不同产流特性的表面组成进行径流计算的特点。宋翠萍等利用InfoWorks对几乎无排水管网的香山地区进行二维模型构建，模型验证结果与实地调研情况相符，对区域防洪风险分析具有借鉴意义。

3 结语

城市暴雨模拟是城市水文学研究的热点，模拟技术经过发展已取得了丰硕的成果，具备了较为完善的模拟框架，但在水文过程机理的认识和数据管理能力方面还比较欠缺，在后续的工作中需要收集更多的基础资料对所构建的模型进行验证，且需要跟紧计算机的技术发展，研究出能够进一步满足细部流水运动规律城市暴雨模拟结果。

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［5］邹霞，刘佳明，张艳军，等.城市地表雨水汇流运动波计算方法研究［J］.水文，2015，（2）：12-16.

［6］任伯帜，邓仁建.城市地表雨水汇流特性及计算方法分析［J］.中国给水排水，2006，（14）：39-42.

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［8］边易达.基于HEC-HMS和SWMM的城市雨洪模拟［D］.济南：山东大学，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

杨毅（1993-），男，硕士研究生，主要从事雨水处理和脱氮除磷研究工作。