城市雨洪径流模型研究进展

秦语涵  王红武  张一龙

（同济大学环境科学与工程学院，上海200092）

  摘要：近年来中国城市暴雨引发频繁内涝灾害，降雨径流成为水体污染重要因素。采用数学模型模拟地表径流过程对城市内涝和径流污染物的高效控制具有重要意义。基于城市雨洪径流模型的研究现状和应用实例，选择SWMM、HSPF、Infoworks CS、SLAMM 4个应用较广而侧重不同的国外城市雨洪径流模型进行介绍，归纳模型基本概念和原理，比较主要用途和适用条件，并分析各自的特点及国内外研究进展。同时指出现有城市雨洪径流模型的不足之处，对其发展趋势进行展望。

  关键词：城市雨洪；径流模拟；数学模型；非点源污染

  快速城市化导致日益严峻的城市内涝及雨水径流污染，来自屋顶、街道、停车场、绿化景观区域的雨水不仅造成排水管道溢流，也携带大量非点源污染进入水体。为满足城市防洪排涝及雨水污染控制要求，城市雨洪径流模型应运而生，此类模型耦合了水量模型和水质模型，将地表污染物随雨水径流流动的过程（包括沉淀、内部化学作用等）当作整体模拟。城市雨洪径流模型是水文模型的一个分支，根据城市降雨径流规律及实测数据统计规律，将城市雨洪径流、管渠排水、土壤侵蚀、径流污染等过程用数学语言表示。随着计算机技术的发展，水文、水力学等计算方程大多耦合至软件中，城市雨洪径流模型通常指这些软件模型。

1城市雨洪径流模型的发展

 欧美等发达国家城市化进程较早，自20世纪60年代起开发了许多城市雨洪径流模型。通过模拟城市降雨径流、污染物流入水体过程中迁移转化、评估管网设计及雨水控制方案等，达到防洪排涝、减缓溢流、控制雨水径流污染等目的。目前城市雨洪径流模型可达数十种，包括SWMM、HSPF、InfoWorksCS、SLAMM、MIKE URBAN、Stanford、SCS、WMM、SITEMAP、GWLF、P8 - UCM、Auto - QI、AGNPS、STORM、DR3M-QUAL等。

 我国城市雨洪径流模型起步较晚，目前模型主要包括城市雨水管道计算模型( SSCM)、城市雨水径流模型( CSYM)、城市排水管网系统的非恒定流模型( CSPSM)等。我国现阶段对雨洪径流的研究多集中在径流量模拟计算，缺少降雨径流污染研究。

2典型模型

 选择4个应用广泛的城市雨洪径流模型进行介绍：SWMM、HSPF、Infoworks CS、SLAMM。其他一些城市雨洪径流模型因模拟效果不佳，近年来应用减少，例如STORM和DR3M-QUAL。其中，STORM模型用于模拟城区水文过程及污染物负荷量，但无法模拟污染物的迁移转化过程，不适合连续时间尺度的模拟，多用于20世纪90年代；DR3M-QUAL模型适用于小城区降雨径流水量和水质模拟，但不能模拟污染物间相互作用，且对泥沙运移模拟能力差，20世纪90年代以后鲜有应用成果发表。在论述的4个模型中，SWMM和HSPF是免费的经典模型，功能全面、应用广泛，与前两者不同，后两者需付费使用，它们的研究报道也略少于SWMM和HSPF。Infoworks CS侧重城市排水管网水力模拟；SLAMM主要用途为辅助城市雨水排水规划，尤其是水质控制方面。

2.1 SWMM

  雨水管理模型SWMM( storm water managementmodel)是美国环境保护局(USEPA)于1971年开发的动态降雨一径流水质水量预测和管理模型，最新版为2015年4月发布的SWMM 5.1.009。SWMM模型是城市雨洪资源化研究的有效工具，主要应用包括：进行城市地表径流分布式模拟，定量分析区域水质和排污情况，预报排水系统和受纳水体中各点水流和水质状况，适用于排水系统的规划、分析、设计以及管理措施的评估。

 SWMM主要由4个计算模块和1个服务模块组成，计算模块包括径流模块( Runoff)、输送模块( Transport)、扩充输送模块(Extran)、存储处理模块( Storage/Treatment)；服务模块包括：统计分析和绘图。通过这些模块，模型可以计算并模拟城区产汇流的径流水量和污染物运移全过程，主要包括时变降雨量、地表水蒸发、不透水区地表径流、透水区土壤侵蚀与下渗、管道溢流及受纳水体水质变化。模拟的污染物包括TSS、BOD、COD、TN、TP、大肠杆菌等10种，也可模拟用户自定义的污染物。SWMM模型输入信息包括水文气象、土地利用、累积和冲刷系数、排水管网参数等，输出信息包括模拟区域任何地点的污染负荷、管道溢流以及最佳管理实践( BMPs)效果评价。

 SWMM应用广泛，是最完善但复杂的模型。由于对各子流域逐一模拟的运行方式，SWMM尤为适合大面积多特征的城市区域径流模拟。此外，该模型活性较好，无特定输入的时间间隔，与其他模型如HPSF模型相比，SWMM的模拟结果与实测值更为接近，且模拟的径流量达到峰值时所需的时间最短。

 SWMM的缺点和局限是对参数要求很高，限制了模型的使用范围。此外，该模型无法模拟污染物的生化反应和相互转化，对与水质密切相关的管道内泥沙运动模拟较差。董欣等以深圳河湾地区的排水系统规划为例，参考典型降雨年的排污状况，用SWMM定量分析区域排污情况，评价了深圳“布局规划方案”在近期和远期的环境影响，结果显示SWMM是区域排水分析计算的有效工具之一。马晓宇等利用SWMM对温州市某典型住宅区构建污染负荷计算模型，结合当地实测数据率定模型参数，分析在4种不同降雨情景下的TSS、COD、TN和TP的污染负荷量及累积变化过程，结果表明SWMM模型对4种污染物模拟的相对误差均小于10%。马俊花等应用SWMM模拟北方某小区合流制排水管网在不同时段的工作状态，对比得出溢流最主要原因是管径过小与地面不透水面积过大，增大下游管径后，模拟节点溢流持续时间将从70 min降到8min，优化效果显著。CamoraIu等通过SWMM模拟分析城市化对不同重现期降雨的影响，结果表明城市化能明显增加高频率、小流量的城市降雨场次，而对重现期较长的降雨影响不显著。

2.2  HSPF

 HSPF (hydrological simulation program-Fortran)由美国环保局在20世纪70年代末用Fortran语言编写，是用于模拟城市、森林、农村等地较大流域内水文水质过程的数学模型。Choi等研究表明HSPF对于长期水文效应分析非常有用，尤其在城市化地区。HSPF模型以Stanford流域模型(Stanford watershed model)为基础，借鉴并集合成了HSP(hydrologic simulation program)、ARM( agricultural  runoff management)、NPS( nonpoint source runoff)等模型。经过多次改进，最新版本为HSPF Version l2.2。

 模型包括PERLND、IMPLND与RCHRES 3个应用模块，分别对透水区、不透水区、河道与混合水库的水文水质进行模拟。在透水区，土壤侵蚀分为雨滴溅蚀、径流冲蚀和径流运移等若干子过程，采用土壤表面降雨侵蚀模型计算；在不透水区，模型采用线性函数累积模型及冲刷模型；径流量采用斯坦福Ⅳ模型计算。

 HSPF是最全面和灵活的一种半分布式水文水质模型，该模型能够应用于大多数流域和不同气候带，包括沙特阿拉伯的干旱地区、美国东部和欧洲的湿润地区、以及加拿大东部的冰雪覆盖区；能够模拟不同时间尺度（每分钟、每小时或每日）的洪峰流量和低流量；结构特点使其容易对程序进行改变和扩展，因此在解决较大范围水质水量问题时非常灵活。HSPF模型需要输入大量空间和属性数据，输入信息包括水文气象、土地利用、高程、累积和冲刷系数、污染物衰减系数和受纳水体特征等；输出信息包括地表径流量时间序列、污染物负荷过程线、流域内某点水量水质的时变过程、污染物对受纳水体的影响等。HSPF可以综合模拟地表径流、土壤流失、管渠河道水流等过程，并实现对泥沙、BOD、DO、氮、磷、农药和大肠杆菌等污染物相互作用和迁移转化过程的连续模拟。该模型广泛应用于防洪规划与管理、点源和非点源污染分析、土壤侵蚀和沉积物运移研究、城市最佳管理实践(BMP)效果评价等。

  HSPF模型存在的主要缺点和局限包括：(1)不能进行排水管内水流的复杂计算，不适合场次暴雨的模拟。(2)在城区应用局限较大，模型校正时参数不唯一。(3)模拟的精度受到空间和属性等数据限制，对数据输入要求较高，须有连续水文水质监测数据来校正模型。(4)模型假设Stanford流域水文模型对所有地区适用，模拟只限于均匀混合的河流、水库和一维水体模拟，因此对于复杂流域或水体的研究，需要与其他模型结合使用。

  Im等应用HSPF模拟城市化对水环境的影响，结果表明城市化将导致径流量、洪峰流量和泥沙量增大，TKN和TP负荷反而下降。Ackerman等应用HSPF对佛罗里达南部一个干旱的城市化地区建模，发现模型在汛期模拟效果好于干旱期。Brun等利用BASINS系统中HSPF子模型模拟城市化过程中不透水面积的增加对径流量的影响，发现当不透水面积低于20%时影响不明显，但是超过20%后，径流量随不透水面积的增加明显变大。Choi等将分布式土地利用变化模型与HSPF模型相结合，定量预测城市化对流域尺度河道径流的影响。目前，HSPF在我国城市降雨径流计算方面应用极少，在部分地区有针对流域水文的研究。

2.3  InfoWorks CS

 InfoWorks CS模型以沃林福特程序(Wallingford)为基础，适用于建立城市排水管网水力模型。通过模拟回流水影响、污水管渠、复杂管道连接和辅助控制设施，可实时监控污水管网，找出排水能力不足和易堵塞的部位。针对模拟结果，市政设计人员可充分利用现有管网容量来储存雨水，或通过增大管径、设置调蓄池等措施减少溢流发生。此外，Infoworks CS的功能还包括模拟排水管网中泥沙与污染物的输移过程，预测城市内涝及污染情况等。

 InfoWorks CS的突出特点是能够模拟多达100 000个节点，可提供不同节点管渠流量、水位、流速等信息，且精确度与模拟范围更小的模型一样好。InfoWorksCS现已实现与GIS对接功能，用户界面友好，采用带有图形分析功能的关联数据库。在规划排水管网方面，该模型的另一优点在于对各种方案实际效果的预测与对比，例如为减缓溢流现象，可模拟各处各尺寸调蓄池的溢流控制效果，对比得出最经济适合的排水方案。

 InfoWorks CS目前已被新西兰、美国、欧洲及亚洲等国家和地区应用于管网优化方案评估和城市水资源管理。荷兰Tholen市的市政部门选择InfoWorksCS作为水力模型软件，建立城市排水管网模型，分析溢流现象并提出改造方案，意在减少溢流对城市周围受纳水体所带来的危害。近年来InfoWorks CS在中国也有应用，周建华等利用InfoWorks CS建立广州沙河涌截污主管水力模型，找出截污主管高水位运行及局部旱天溢流的原因，提出改造倒虹U型过涌管和接通主干管等优化方案，并利用模型校核此方案。毛云峰等通过InfoWorks CS建立上海市某排水系统雨洪模型，模拟值与实测值的相对误差均在+10%以内，软件可反映系统实际径流情况；针对该排水系统的积水和溢流污染问题，模拟发现该系统地面溢漫现象较明显，雨水调蓄能力较弱。

2.4 SLAMM

 SLAMM( source loading and management model)于20世纪70年代由Rober Pitt等为EPA研发，最新版本是PV＆Associates公司2015年1月发布的WinSLAMM 10.1.6。最初开发SLAMM是为了探讨城市径流污染源与径流水质关系，目前主要用途为辅助城市雨水排水规划（尤其是水质控制方面）。许多城市雨洪径流模型侧重于排水水量设计，为防止罕见大型暴雨造成洪涝灾害，其内置水文学机理适用于大型暴雨。而雨水造成的水质问题多与普通中小型降雨有关，因此不同于一般城市雨洪径流模型，SLAMM基于小雨量水文学原理，适用于模拟城市中小型降雨导致的降雨径流和污染负荷。SLAMM利用降雨量减去截留量和人渗量得出径流量，采用指数型模型计算污染物的累积和冲刷。模型输入信息包括降雨量、土地利用类型、排水系统特征和雨量控制措施等；输出信息包括径流量及TP、TN、DO。

 SLAMM是唯一分别对每场降雨、每种土地利用方式、每个径流来源区域，评估其径流量及污染负荷的城市雨水质量模型。它不会把全部不透水地面合并为一体，也不会把同种土地类型合并在一起模拟。SLAMM通过测量所有径流来源区域，可求得各区域、各种土地利用方式对径流量与污染负荷的贡献率。辅助规划时，重点减少负荷贡献率最高区域的径流量及污染，并根据成本一效益曲线提出最佳管理措施(BMP)，SLAMM可为排水规划方案提供依据。

 SLAMM也是有效评估低影响开发实践(LID)和绿色基础设施效果的领先模型。SLAMM的优点之一，在于能够同时模拟多种雨水控制装置和措施（无论它们作用于径流来源区域、排水管道还是出水口），包括渗滤、生物过滤、街道清扫、湿式滞留池、草洼地、过滤带、多孔路面、集水池、水回用等，并评估它们组合应用时对污染物的截留和去除效果。另一个突出优点是SLAMM引入了随机分析，内置的蒙特卡罗抽样程序可进行输入参数的不确定性分析，模型输出结果以概率方式表示。此外，SLAMM强调实地观测，不依赖于没有吻合实地测量数据的理论公式，因此不需要大量参数它就能详细准确地描述排水区域的水质。20世纪90年代起，许多WinSLAMM用户将该模型与地理信息系统(GIS)结合使用。另一个耦合的例子是SLAMM/SWMM  Interface  Progra( SSIP)，是SLAMM与SWMM耦合模型，用以研究城市地表径流对受纳水体的影响。SLAMM的局限是不能在管渠中进行雨水与污染物模拟计算，因而无法输出径流和污染物浓度变化过程。

 SLAMM现已应用于北美地区并扩展到了海外。Pitt等应用WinSLAMM模型研究评价了低影响开发(low impact development，LID)对城市暴雨径流引起的非点源污染的控制效果。Kabbes等应用WinSLAMM模型对芝加哥附近伊利诺河流域进行污染物负荷预测，并评估各种最佳管理措施(BMP)组合对磷及颗粒污染物的去除效果，找出最具成本效益的最佳管理措施。

3常用雨洪径流模型表达式及比较

将SWMM、HSPF、Infowork CS和SLAMM 4种软件应用的地表径流水量和水质计算方法进行分类。水量模型部分包括入渗模型、产流模型和汇流模型，水质模型部分分为污染物累积模型和污染物冲刷模型。4种城市雨洪径流模型涉及的数学模型和表达式如表1所示。

 4种软件涉及到的人渗模型有Horton、Green-Ampt、SCS曲线数、Philip模型，以及固定渗透和NRCS曲线数模型。Horton下渗方程可用于计算精度要求不高的城市地表产流下渗损失计算，常与Desbordes和SWMM非线性水库模型联用，Phillip下渗方程可用于精确的城市地表产流下渗损失计算，而SCS模型主要应用在农村。Horton公式和SCS曲线法是经验公式，Green-Ampt模型具有明确的物理意义，可建立起特征参数与土壤物理特性间的关系，Philip下渗公式是半经验半理论公式，能较好描述均值土壤一维垂直下渗过程。

 产流模型中，径流系数模型简单易行，Wallingford径流模型和新英国径流模型（又名可变径流模型）适用于城市流域的产流模拟。Wallingford径流模型是Wallingford公司出品软件的默认选项，新英国径流模型仅适用于可渗透地表，该模型的参数“前30 d降雨指数API”，在模拟过程中不断更新，反应了径流量随着土壤湿度不同而变化的特性。

 地表汇流模型中最为常用的是SWMM非线性水库模型，它采用运动波方程计算坡面流，通过联立连续方程和曼宁公式求解。在Infoworks CS中还可选用其他地表汇流模型来模拟地表汇流过程，例如双线性水库模型、Desbordes径流模型、SPRINT径流模型和大型汇水面积径流模型。

 城市地表污染物的晴天累积过程可用降雨前干期天数的线性、指数、幂函数和饱和函数等形式表示，其中指数函数累积模型发展相对成熟并得到广泛应用，它假设污染物的累积速率随时间增加而减小，累积量最后趋近于极大值。4种软件涉及到的污染物冲刷模型包括指数冲刷模型、流量特性冲刷曲线、次降雨平均浓度模型和径流比例模型。一些污染物冲刷模型假设颗粒物的冲刷率与地表污染物累积量直接相关，SWMM和HSPF等软件就基于此理论模拟冲刷过程。

4城市雨洪模型发展趋势

4.1  加强资料缺乏时城市雨洪径流的模拟预测

 城市雨洪模型往往需要大量实测参数，然而我国许多城市基础数据匮乏，探索无资料或不完全信息下径流及非点源负荷的模拟预测，是未来城市雨洪模型的热点之一。

4.2多技术融合

 解决模型对大量实测参数需求问题的另一方向是多技术融合，依靠遥感技术和卫星技术提供的基础数据，可以实时掌握地表类型、降雨分布等情况；而数据库技术和地理信息系统(GIS)技术的引入赋予模型对空间数据的存储和处理能力，模型能自动提取所需的地形地貌、土地利用、土壤植被与河流等数据进行模拟。目前许多模型已经与ArcView或ArcGIS耦合应用，只是还比较松散。多技术融合增强了模型的输入功能、空间分析和可视化功能，从而大大提高城市雨洪模型的建模效率和模拟精度。

4.3集成化模型系统

 不同城市雨洪模型侧重点不同，具有各自的优势、限制以及适用条件，将多模型耦合应用，可最大限度地发挥各模型的优势，有效解决复杂城市雨洪问题，提高模型的使用效率和模拟精度。例如上文提及的LAMM/SWMM Interface Program( SSIP)，将SLAMM与SWMM模型耦合，实现城市地表径流从源头到受纳水体的全过程模拟。随着城市雨洪管理要求的提高，构建以集成化模型系统成为必然。