适用于海绵城市的水文水力模型概述

1、Digital Landscape Architecture / Special号：TU986文献标识码：A文章编号：1673-1530（2016）02-0033-11 DOI：10.14085/j.fjyl.2016.02.0033.11收稿日期：2015-11-17 修回日期：2016-02-05适用于“海绵城市”的水力模型概述Introduction of Hydrological and Hydraulic Ms for “Sponge City”CAI Ling-hao摘要：当下中国正着从城市内涝到水水乃至整体生境的多重，为了应对，海绵城市的理论和建设得到了空前的重视。水力模型是海绵

2、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；模型；低影响开发；最佳管理措施Abstract: China now is facing multiple water crises including urban water logging, the water environment and ec

3、ology threat, even the overall ecological systemhazards. In order to treat with the crises, theory and construction of “sponge city” has been brought forward. Hydrologic and hydraulic mis an importanttechnique support to build “sponge city”. In this paper, we will explore the meaning and hierarchy o

4、f “sponge city”, as well as the importance of hydrological msand hydraulic ms. From four levels including watershed, river, urban and “sponge composition”, hydrological ms and hydraulic ms for “sponge city” areand their limitations. Atclassified and diagramed. The paper then briefly summarizes the b

5、asic function of each m, the scope of practice and researchthe last part, we will discuss the value of utilizing hydrological ms and hydraulic ms to improve scientificity of landscape architecture.Key words: Sponge City; Storm Water Management; Green Water Infrastructure; Hydrologic M; Low Impact De

6、velopment; Best Management Practices1 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学科等方面取得的理论成果及实践经验基础当下中国正着从城市内涝到水环境水乃至整体生境的多重。我国所处的地之上，20 世纪 70 年代起，西方先进提出多种解决城市内涝和水已经的策略，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“

7、最佳管理措施”（BMPs）、“低影响开发”（LID） ；（2）英国“可持水管理方式和大尺度工程化的“灰色”基续排”（SUDS）；（3）澳大利亚“水础设施已经无法应对这些日益严重的。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在全面建设文明的背景下，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。统性，综合分散小规模的机制技术措施、效仿自然排水方式的绿色基础设 传统雨污基础设施相结合，进行城市雨作者简介：/1976 年生

8、 / 男 /业大学园林学院教师（北京 100083）学院博士生 / 北京林33专题 / 风景园林数字化洪从到终点的全周期和管理，尽量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1.3 海绵城市的内涵和层级结构减少城市发展对环境的影响，并恢复和保护水环境与水问题是跨尺度、跨地域自然系统的原有状态和功能。的系统性问题。要实现雨水的高效利用、（2）建立在多部门和多学科的研究和协作之上：在各级管理机构的协调下，综减少城市的洪涝灾害和城市的可持续发展，必泊、湿地沼泽、坑塘、沟渠等水敏感区，须以场地尺度雨水利用工程为主的策略，留有足

9、够涵养水源地，根据流域土地覆盖类型合了水利学、学、城市学、交通、考虑在区域和流域尺度的宏观层面上，将城市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、基础设施建设的特征，流域系统构建综合水系统功能主体，给排水、风景园林学、学等多学科的研究，安全格局，保护和修复水在过，多学科进行深入协作。使之成为区域的基础设施。（2）河流：（3）建立完善的基础数据库，研发各气候和土壤分区的雨洪模型。如美国和发展水平等因素，建立宏观 - 中观 - 微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。农美观立体层面的系统解决雨水管理问

10、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，构建跨尺度的水基础设施（hydro-ecological infrastructure），是业部、美国环保署的上可以国各地的气候、地质、土壤、植被、资料，（3）城镇：维持城市开发前的自然特征，并研发和提供各类从简单的计算工具（如保护和恢复城市原有水系统如河道、坑National Stormwater Calculator）到复杂的物理模型的科学分析工具。塘、湿地，并结合城市建成区功能和发展，内涵 1。“海绵城市”的合理划分集水区、汇水节点，城市不透水面积，将绿色基础设城市雨污设施综合利用，

11、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，而拓展至中途和末端不同尺度的措施，使开发后城蒸发蒸发降雨降雪市的功能尽可能的接近开发之前的状况，将低影响开发措景观相结合，形成降雨/融雪产流降雨/融雪产流和美学兼具的“海绵单元”。4 个尺度形成了以城市所在流域为基底，屋生活污水工业废水水力传输林地绿化屋面面产流/汇流河流水系为骨架，城市道路和为网络，水质水力传输/沉积污水海绵单元为节点的海绵城市综合系统。水力雨水储存设施汇流/传输农田流域水文响应单元硬海绵体单元雨水污水处理水力汇流/传输透水地面地产流/汇流2 适用于海绵城市的型从宏观到微观水力模

12、 草地水力传水 产草沟渗透沟水力 传输文 流水 汇下凹绿地质 流2.1水力模型的基本概念和意义扩散露地湖泊河流海绵城市的是水的循环。水循环是生物滞留设施绿地坑塘湿地水质汇流/沉积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学和水力学两大类型。研究水循环的时空分水质 水雨水花园沼泽湿地传输/沉积传输/汇流/沉积城镇汇流水力传输单元水质 下渗/出渗 水质下渗/出渗水质布的科学称之为（Hydrology），研究下渗/出渗/植物蒸发水质水下渗下渗/出渗/植物蒸发水体自身的运动规律及其工程应用的称为水11 海绵城市循环示意图34 水质调蓄设施水力传输水文水质产流汇流侵蚀扩散沉积输

13、力水质 Digital Landscape Architecture / Special力学（Hydraulics）。在海绵城市的范畴内，其参数不能实际测量到，必须通过校准才能获限元法计算，如 FLOW Science 的 FLOW3d。的重点研究对象是城市及城市的得。美国农业部自然保护署（NRCS）制无网格法一般利用日粒子法，虽然无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、植被变化的响应定的 TR20（适用于流域）和 TR55（适用于城市区域）模型，采用 SCS runoff curve number网格方法具有许多优点，但计算效率较传统

14、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、下渗曲线来计算径流，属于集总式模型。模型等。水力学的重点研究对象包括：管道、2.2.2 半分布式模型和分布式、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，洪涝过集总式模型难以满足不同研究领域对模型的需求，随着 3S 技术的发展，半对陆地的侵蚀过程，也包括土壤分布式和分布式的主流。分布式模型

15、已逐步成模型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，构建和水模型用严格的数学物理方程表述水循环的各过程，参数和变量力模型，进行精确分析和评估，水力模中充分考虑空间的变异性，根据水的偏流域地表等具有明显二维特性的区域。型是探索和认识水循环和过程的重要手与管理、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，并由于在算法实现上的难度以及模拟计算时的段，也是解决预报、水工作量等，三维水动力模型在城市雨洪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：“有条件的控着重考虑不同单元间的水力，其物理参模拟

16、中还比较少用到，但是未来的发展趋势。数一般不需要通过实测资料率定，解决了参数间的不性和不确定性问题。分布2.4 适用于海绵城市的水力模型制性详细也可通过计算与模型模拟，世界发达在水环境模型规范化、软式模型所揭示的物理过程更接近客件化和商业化方面已取得了丰硕的研究成果，优化并明确地块的低影响开发指标”。观世界，目前较为常见的分布式模型有美国环保署 EPA 建议 2km2 以上的雨洪须经过模型计算。必从模型、水动力模型、水质模型、水力英国的TOPM模型，欧洲的 SHE 模型，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

17、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。2.2模型的分析机制分类模型是通过采用系统分析的途径，2.3 水力模型的分类模型只能模拟将复杂的水的时空分布现象和过程概化所给的宏观和总体现出的近似的科学模型。模型有多种分类象，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

18、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 方程等数方法，较普遍的是分为集总式模型和分布式模型以及介于两者之间的半分布式模型 2。2.2.1 集总式集总式模型模型不考虑现象或要素学方法。多数与模型耦合的水力模型均来确定年径流总量率，根据暴雨公式和概空间分布，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采用这类方法，如 EPA 的 SWMM、丹麦水利（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

19、和无网格法。网格划分利用有限体积法、有限差分法，有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、对径流形成的影响的功能，只能模拟现无法表述过程的时空变化等问题，降雨时象的宏观表现，不能涉及其本质或物理机制。长的选择、地表径流系数等参数的不确定性，35专题 / 风景园林数字化水 系统1D河流/湖泊/池塘AQUATOX1D 2D雨洪与河流水动力支持LID/WSUDs/BMPs非点源污染复合模型单一流域/BMPsPLOADXPSTORM流域流域、水质响应单元1D河流/湖泊BASINS流域 、水质1D河流 BMPs支持SWATXPS

20、WMMPCSWMMHSPFXPDrainage流域/1D水体/ /水质小尺度水质 水力SWMM流域 、水质LID/BMPs/WSUDs精确评估及管理WinHSPF流域 响应单元1D河流/湖泊1D 2D城市雨洪1D城市雨洪管理、水质、LID / BMPs、水质、LID/BMPs 1D流域地表HEC-HMSSUSTAINBMP Siting tool1D、2D城市雨洪 水质LID / BMPs 流域沉积物BMPs水质 布局 优化GSSHABMPs布局infoSWMM1D河道/2D地表1D河道、水渠水力HEC-RASInfoWorksICM1D 、1D河道、2D城市/流域洪涝流域径流基于经验公式TR

21、-20BMPsWMS流域/1D、2D支持SUDS / BMPs/水质/水力 小流域及城市地表径流TR-55基于经验公式SMS2D河流水力水质城市洪涝TUFLOW水力水质综合软件包SRH-2d2D河流水力水质，沉积物1D 2D流域 水质水力 洪涝MIKE FLOOD1D河流 、水质、水动力MIKE 11MIKE URBAN商业软件包MIKE ZERO流域-城市综合 水力水质1D 2D城市雨污管理、水质、 水动力2D河流、河口、海岸水动力软件包MIKE 21C商业模型1D小流域、城市 水质Wsud/BMPs/LID支持Catchment SimMUSIC模型流域/1D 2D /水质/水力Storm

22、 and Sa nita ryAnalysis1D城市雨污 、 水力模拟城镇River and FloodAnalysis ModuleCivil 3D流域雨洪模拟单一BMPs/LID模型水动力1D2D河流及雨洪模拟河流流域单元22 海绵城市模型图解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和流域的保护、修复和可持续发展，低影响水力现象。（4）具备完善的模型族或前后处理端口。开发设施的建设，将水力模型主要功能本土的海绵城市水力模型，完善基础数限定为以流域和城市地表产汇流计算，水力模型有机构开发的单能水据库，率定标准参数以及规范模型应用流程。水，雨洪计算，有

23、机物及污染物扩散迁移，文模型，也有综合功能并形成系统的模型族，国外的水力模型以及综合软件平台，河道沉积物及侵蚀，水域，低影响开发后者的功能通常更加完善，经过的实践数量不下数百种，各种模型的机制、模拟设施分析（BMPs/LID，SUDS，WSUD）等方验证，能应对不同类型的分析工作，较适于对象、适用尺度千差万别，给科研和实面来确定适合的水力模型。非业专业使用。如城市、风景园林等行践多根据研究对象选择合适的模型造成诸。本文筛选了部分对我国海绵城市研（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。模根据前文对海绵城市的层级结构划分，究和建设具有参考价值的典型其筛选划分原则如下：水

24、力模型，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。适应于海从流域、河流、城镇、单元尺度对模型进行分类。形成跨尺度的水力模型系统（1）根据海绵城市的基本内涵，将适用图解（图 2），建立起跨尺度模型间的，于海绵城市的模型限定为城镇以及与城以区别于相关研究文章只注重城市尺度的雨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、水体绵城市的模型通常都是模型、水力洪模型。值得注意的是，很多综合模型模型和水质模型的耦合，以应对复杂的和软件包具有多种跨尺度的水力模型，36RECARGADigital Lan

25、dscape Architecture / Special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。径流，沉积物 - 化学相互作用的水质综合模型。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适用于响应单元、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。本模型在国内水质及非点源污染等方面研究应用较多， 如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 WaterAssessment Tool）：SWAT 由美国农业部农业

26、模型在国内得到广泛的研究应用，如对海河流域典型区的水质研究 7，等等对丹2.5 流域水力模型宏观流域尺度的模型注重整体水生江口库区的景观格局变化敏感度分析 8，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、非点源污染的扩散。由于尺度较大，水质模型为主，较少使迁移，水系统的SWAT 模型的本土化改进，如降水输入参数的改进 10,11。才等对模型流域模拟一般以用水力模型。代 表 性 的 研究中心（USDA-ARS）开发，用以和评（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

27、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。模 型 有 AQUATOX，估无测站流域内水、泥沙和农业化学品管理PLOAD，SWAT，WinHSPF，HEC-HMS，GSSHA，TR-20，TR-55，这些模型多数具有所产生的影响。它由8 个部分组成:、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、能连续模拟长期管图形化界面，可以运行。但模型的数（4） 水 系 统 模 型 AQUATOX：据输入模块和后处

28、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，鱼类系统到广泛应用的 TOPM，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 Intergra

29、ting 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研究具备地理信息系统功能的流域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 个绵城市流域模型，其中对海有价值的有：模 型 HSPF评估和（1） 流 域 荷 载 和 （ Hy drolog ic Sim u lat ion P rog ram FORTRAN）：流域，土地和土壤污染物33 BASINS 系统结构37专题 / 风景园林数字化4 WMS 运行界

30、面产生的地表径流，是由美国农业部自然保护局（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 在中国的流域面有所应用 18-20。、径流等方2.6 河流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。从的影响。因此，AQUATOX 能够帮助识别并建和水力模型，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

31、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。立起水质、水生系统、水生生物之间的模拟对象看，河流水力模型主要模拟水因果关系链。在国内，等使用该模型修复研究13。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、河流的可持续利用和进行景观水体水模拟和（5） 流域雨洪及水质模型 SWMM：河流系统的健康程度。SWMM 是最重要的径流量动态模型之一。与 BASINS 相比，WMS 不但支持一维，适用于海绵城市河流尺度的水力适用于市区和单或长期（连续）模拟，还支持 1D-2D和分布式流域模型。模 型 有 HEC-RAS，TUFLOW，MIKE11，Aut

32、odesk Civil3d(River and Flood Analysis也可用于流域模拟（但尺度受到一定限制），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14，15 等对 SWMM 模型等方面做了一定探讨。国内如Module) 等。宏观层面通常在流域模型中在流域洪水和水质版本，可运行。其中可适用于用二维地表和一维线性河流模型来耦合流域SWMM尺度的应用下文详述。我国海绵城市研究的流域模型有：和河流的。（6）综上所述，由于众多模型的支持，（ 1 ） H E C -1 （ H M S ）： H y dr a ulic Engineering Center Hydr

33、ologic Ming SystemBASINS 是很重要的流域软件包，但也有2.6.1HEC-RAS（Hydrologic EngineeringCenter River Analysis System）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美国工程师工心（HEC）美国工程师的工程研究中发布，模拟降雨径流的建模系统，可以心（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。可结构等，使 BASINS 在中国的应用受到了长时间连续过程模拟，使用网格单元代一定限制 16。2.5.2WMS（Watershed M表流域的分布径流计算。

34、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）模型，能够模拟地表径流，江河水道水以执行天然河网和人工一维水力学计算。ing System）HEC-RAS 模型可软件中。2.6.2MIKE11MIKE 系列运行，也集成于 WMSWMS 是美国 Brigham Young 大学环境模型研究（EMRL）和与美国工程师水方法试验站（USACE）开发的流域和水力学分析的图形化模型软件包。由软件是丹麦水及水文环境，地表和沙输送。水交汇区水质变化和泥环境DHI）的

35、。与HEC-RAS 类似，Aquaveo 公司商业版本。WMS 提供MIKE11 是一维河道、河网综合模拟软件，主模拟全过程的工具，嵌入了多种概念性（3）TR-20：计算自然或人工暴雨38Digital Landscape Architecture / Special要用于河口、河流、灌溉系统和其他内陆水生物滞留设施渗渠透水铺装域的、水力学、水质和泥沙传输模拟，LID雨水花园雨水罐设施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、重金属分析等绿色屋顶草沟模块。它可以和 MIKE URBAN 城市模型降雨汇水区挥发/填洼地完全耦合。MIKE11 在国内相关研究中得到广

36、表融雪SWMM计算引擎泛应用，如周游使用 MIKE11 来上海世博会景观水体的污染突发2.6.3TUFLOW和响应21。径流坡面漫流渗透含水层结果报告文件径流积累冲刷街道清扫由澳大利亚 WBM 公司昆士兰大学共污染同开发， 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。检查井管道/水渠/输送检查井管网传输污水处理设施/出水口5TUFLOW 模型本身GIS 系统或作为面，集成于 Mapinfo软件的计算模型。

37、欧美发达从 20 世纪 60 年代起开始研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Aquaveo 公司模拟河流流场及浓度场的软制满足城市排水、防洪、环境治理等方面要件 SMS（Surface-water Ming System）和 XP求的城市雨洪模型，但多偏重于模型。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。近年来，城镇尺度的水力模型逐渐从单低影响开发设施模拟能力的城镇尺度力模型及软件平台主要包括：水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

38、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/2.7.1SWMM(Storm Water Management)美国环保署（EPA）开发 SWMM 是目前2.7 城镇水力模型M城市地表覆盖种类多且分布复杂，城市的计算比流域更为，要求精度更高。城镇模型通常是地表产流模系型和水力模型的耦合。注重城镇统的时空变化，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、城市雨洪系统负荷和系统设计、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，是海绵城市和建设的内容。我国一些科研机构也开发了知识产权的模型，但因种种，没有得到广泛推广应用。65 SWMM

39、 模型基本结构图6 Grasshopper 开发的 Rhino to SWMM 数据接口39降雨入渗生活污水专题 / 风景园林数字化世界上研究最深入应用最成城市模执行含湿量平衡，跟踪 LID 层通用 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 , 包之间的移动和。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，S

40、WMM 的状态报告包含了LID 性能总结，的 SWMM 模型二次开发方法 32，泉等自含了、水力、水质模块 , 主要用于和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。设计阶段。它具备模拟城市降雨径流运动过程（包括地面径流和排中的水流、雨说明了每一子汇水面积内每一 LID的总洪的调蓄处理过程）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

41、,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，如王雯雯的基本文作者使用 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

42、的绘图与编辑使构建模型更为快捷，适用于场地尺度的模拟。坡面汇流采用非线性水库法 ,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、面源污染方面进于 SWMM 的低冲击开发模式效应模拟评以 SWMM 模型为，衍生出很多商估，选择光明新区作为研究对象，构业软件包，形成了庞大的 SWMM 模型，建了研究区的 SMWW 模型，以测试各类 LID行了实验。如等选取北京市典型小区，如水利（CHI）的 PCSWMM，单元和组合在不同空间布局下的效应和计

43、算不同频率设计暴雨下小区排水效果以及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、信息管雨洪估其效果，最终得出最优化配置，并评积水、道路坡面流等情况 22，性24。25、杰26、27、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

44、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、理和后处理模块，还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地表系数、排水通道系数、子流域及系

45、列软件族，以自行开发的模型为核漫流宽度、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心，可以完整模拟城市雨水循环系统，实现了城市排水系统模型与河道模型的耦合，29、昌 30、31 等分用范围。更为真实地模拟排水系统与地表受别对 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。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）雨洪效果模拟。LID

46、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SMWW 模型同其他模型一样，缺乏便捷强大的数据输入输出端口，无法直接导入40Digital Landscape Architecture / SpecialMOUSE 是丹麦水力学（DHI）低影响开发设施和水质效能的模型。简单SUSTAIN 采用 ArcGIS9.3 作为基础平台，开发的排水水力耦合模型，最新发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

47、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综合应用了、水力和水质分析模型，同时布的 MIKE URBAN 集成了 GIS 模块，包括考虑了成本管理和优化分析技术，以实现不同MOUSE、SWMM 两个引擎。尺度流域中暴雨管理方案性和有效性的URBAN具备分析 LID/BMPs 的能力，在国内拥有众评估和分析。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/ B

48、MPs 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 模多的用户，并在利用中得到应用34。公园中心区的雨水2.7.4MUSIC(Mfor Urban Stormwater物滞留池的性能进行分析，从而为生物Improvement Conceptualization)MUSIC 模型由澳大利亚水服务机构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

49、质层土壤的入渗，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型；LID/BMPs 模拟模块包含了 10LID/列由排水相连的节点。流域包含一系列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、污并通过 van Genuchten 非线性方程模拟土壤层内（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

50、土壤特性等反复进行设计模拟，从而达到特定的性污染物的进行模拟；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染物沉淀池、湿地以及暴雨设施，提供完整的 LID/BMPs 支持。澳大利亚各城市和郡县的不同气候、土壤和建设状况建能目标。国内等利用本模型对生物滞水入渗补给、积水时间、立的基础数据库，提供完善的水敏感城市留径流消减、建设导则，计算低影响开发设施的效益。总处理水量等方面的效应进行了模拟，调控功能35。模型界面友好，适合于非研究机构的实践分证实了其显著的化的结果以降雨径流评价、LID/BMPs 控析和水管理部门进行效益核算。由于基制功效总结、优化方案成本 - 效益曲线等可视2.8.2 综合分析模型LID/BMPs 技术众多，其技术特征、特征各不相同