適用于“海綿城市”的水文水力模型概述

蔡凌豪CAI Ling-hao

適用于“海綿城市”的水文水力模型概述

蔡凌豪
CAI Ling-hao

當(dāng)下中國(guó)正面臨著從城市內(nèi)澇到水資源水生態(tài)乃至整體生境的多重危機(jī)，為了應(yīng)對(duì)危機(jī)，海綿城市的理論和建設(shè)得到了空前的重視。水文水力模型是海綿城市建設(shè)的重要技術(shù)保障。討論了海綿城市的內(nèi)涵和層級(jí)結(jié)構(gòu)，以及水文模型對(duì)海綿城市建設(shè)的重要意義。從流域、河流、城鎮(zhèn)和海綿單元4個(gè)層級(jí)對(duì)適用于海綿城市的水文模型進(jìn)行了分類(lèi)圖解，簡(jiǎn)要概括了各個(gè)模型的基本功能、適用范圍和在中國(guó)國(guó)內(nèi)的研究實(shí)踐狀況以及局限性，并認(rèn)為水文水力模型的應(yīng)用對(duì)于提高風(fēng)景園林學(xué)科的科學(xué)性有著重要的價(jià)值。

海綿城市；雨洪管理；綠色雨水基礎(chǔ)設(shè)施；水文模型；低影響開(kāi)發(fā)；最佳管理措施

修回日期：2016-02-05

1　海綿城市的內(nèi)涵與層級(jí)結(jié)構(gòu)

1.1中國(guó)建設(shè)海綿城市的背景概況

當(dāng)下中國(guó)正面臨著從城市內(nèi)澇到水環(huán)境水生態(tài)乃至整體生境的多重危機(jī)。我國(guó)所處的地理位置和氣候帶決定了降雨時(shí)空分布的不均勻性，隨著快速的城鎮(zhèn)化過(guò)程，人口增加、產(chǎn)業(yè)發(fā)展、城市建成區(qū)的快速擴(kuò)張和流域生境的加速破壞，傳統(tǒng)的基于地區(qū)、功能、部門(mén)分割的水資源管理方式和大尺度工程化的“灰色”基礎(chǔ)設(shè)施已經(jīng)無(wú)法應(yīng)對(duì)這些日益嚴(yán)重的危機(jī)。

在全面建設(shè)生態(tài)文明的背景下，中國(guó)提出大力建設(shè)“海綿城市”。隨著2014年11月《海綿城市建設(shè)技術(shù)指南》發(fā)布，2014年底至2015年初，海綿城市建設(shè)試點(diǎn)工作全面鋪開(kāi)，并產(chǎn)生第一批16個(gè)試點(diǎn)城市。

1.2國(guó)外城市雨洪管理的系統(tǒng)策略

海綿城市建立在國(guó)內(nèi)外雨洪管理及生態(tài)學(xué)科等方面取得的理論成果及實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)之上，20世紀(jì)70年代起，西方先進(jìn)國(guó)家已經(jīng)提出多種解決城市內(nèi)澇和水生態(tài)危機(jī)的策略，并逐漸形成了多個(gè)系統(tǒng)解決方案，其中較完善的有3個(gè)：（1）美國(guó)“最佳管理措施”（BMPs）、“低影響開(kāi)發(fā)”（LID） ；（2）英國(guó)“可持續(xù)排水系統(tǒng)”（SUDS）；（3）澳大利亞“水敏感城市”（WSUD）。

它們具有一些共同的特征，包括：

（1）強(qiáng)調(diào)城市和自然系統(tǒng)的完整性和系統(tǒng)性，綜合分散小規(guī)模的源頭控制機(jī)制技術(shù)措施、效仿自然排水方式的綠色基礎(chǔ)設(shè)施和傳統(tǒng)雨污管網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施相結(jié)合，進(jìn)行城市雨洪從源頭到終點(diǎn)的全周期控制和管理，盡量減少城市發(fā)展對(duì)環(huán)境的影響，并恢復(fù)和保護(hù)自然生態(tài)系統(tǒng)的原有狀態(tài)和功能。

（2）建立在多部門(mén)和多學(xué)科的研究和協(xié)作之上：在國(guó)家各級(jí)管理機(jī)構(gòu)的協(xié)調(diào)下，綜合了水利學(xué)、生態(tài)學(xué)、城市規(guī)劃學(xué)、交通、給排水、風(fēng)景園林學(xué)、建筑學(xué)等多學(xué)科的研究，在規(guī)劃過(guò)程中，多學(xué)科進(jìn)行深入?yún)f(xié)作。

（3）建立完善的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)，研發(fā)針對(duì)各氣候和土壤分區(qū)的雨洪模型。如美國(guó)國(guó)家農(nóng)業(yè)部、美國(guó)國(guó)家環(huán)保署的網(wǎng)站上可以查詢(xún)美國(guó)各地的氣候、地質(zhì)、土壤、植被、水文資料，并研發(fā)和免費(fèi)提供各類(lèi)從簡(jiǎn)單的計(jì)算工具（如National Stormwater Calculator）到復(fù)雜的物理模型的科學(xué)分析工具。

1.3海綿城市的內(nèi)涵和層級(jí)結(jié)構(gòu)

水環(huán)境與水生態(tài)問(wèn)題是跨尺度、跨地域的系統(tǒng)性問(wèn)題。要實(shí)現(xiàn)雨水資源的高效利用、減少城市的洪澇災(zāi)害和城市的可持續(xù)發(fā)展，必須突破以場(chǎng)地尺度雨水利用工程為主的策略，考慮在區(qū)域和流域尺度的宏觀層面上，將城市水系統(tǒng)作為一個(gè)有機(jī)整體進(jìn)行統(tǒng)籌協(xié)調(diào)，綜合城市自然條件、土地利用、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平等因素，建立宏觀-中觀-微觀立體層面的系統(tǒng)解決雨水管理問(wèn)題。從生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)出發(fā)，將傳統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施、綠色基礎(chǔ)設(shè)施以及土地自身的自然積存、自然滲透、自然凈化功能相結(jié)合，構(gòu)建跨尺度的水生態(tài)基礎(chǔ)設(shè)施（hydro-ecological infrastructure），是“海綿城市”的核心內(nèi)涵［1］。

海綿城市的層級(jí)結(jié)構(gòu)，可概括為從宏觀到微觀的流域、河流、城鎮(zhèn)和單元4個(gè)尺度：（1）流域：最大限度地保護(hù)原有的河流、湖泊、濕地沼澤、坑塘、溝渠等水生態(tài)敏感區(qū)，留有足夠涵養(yǎng)水源地，根據(jù)流域土地覆蓋類(lèi)型的水文特征，圍繞流域生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)建綜合水安全格局，保護(hù)和修復(fù)水生態(tài)系統(tǒng)功能主體，使之成為區(qū)域的生態(tài)基礎(chǔ)設(shè)施。（2）河流：河流是城市生境和自然生境的連接通道，是城市雨洪和污染物的排泄通道。對(duì)河道本體的保護(hù)和恢復(fù)，是海綿城市功能延續(xù)的基本保障。（3）城鎮(zhèn)：維持城市開(kāi)發(fā)前的自然水文特征，保護(hù)和恢復(fù)城市原有水生態(tài)系統(tǒng)如河道、坑塘、濕地，并結(jié)合城市建成區(qū)功能和發(fā)展規(guī)劃，合理劃分集水區(qū)、匯水節(jié)點(diǎn)，控制城市不透水面積，將綠色基礎(chǔ)設(shè)施和城市雨污管網(wǎng)設(shè)施綜合利用，形成“城鎮(zhèn)海綿系統(tǒng)”。（4）單元：微觀單元指具體實(shí)施低影響開(kāi)發(fā)的區(qū)域，低影響開(kāi)發(fā)措施并不只局限于源頭，而拓展至中途和末端不同尺度的控制措施，使開(kāi)發(fā)后城市的水文功能盡可能的接近開(kāi)發(fā)之前的狀況，將低影響開(kāi)發(fā)措施和景觀相結(jié)合，形成生態(tài)和美學(xué)兼具的“海綿單元”。

4個(gè)尺度形成了以城市所在流域?yàn)榛?，河流水系為骨架，城市道路和管網(wǎng)為網(wǎng)絡(luò)，海綿單元為節(jié)點(diǎn)的海綿城市綜合系統(tǒng)。

2　適用于海綿城市的水文水力模型——從宏觀到微觀

2.1水文水力模型的基本概念和意義

海綿城市的核心是水的循環(huán)。水循環(huán)是生態(tài)環(huán)境最復(fù)雜的過(guò)程之一，受到極多因子的綜合影響。從研究對(duì)象的不同可分為水文學(xué)和水力學(xué)兩大類(lèi)型。研究水循環(huán)的時(shí)空分布的科學(xué)稱(chēng)之為水文學(xué)（Hydrology），研究水體自身的運(yùn)動(dòng)規(guī)律及其工程應(yīng)用的稱(chēng)為水力學(xué)（Hydraulics）。在海綿城市的范疇內(nèi)，水文學(xué)的重點(diǎn)研究對(duì)象是城市及圍繞城市的自然流域的地表徑流形成、蒸發(fā)和下滲，地下水的變化、陸表沉積物污染物的產(chǎn)生和遷移過(guò)程，氣候、土壤、植被變化的水文響應(yīng)等。水力學(xué)的重點(diǎn)研究對(duì)象包括：水在管道、渠道、坑塘濕地、河流湖泊中的運(yùn)動(dòng)及其水域中的沉積物污染物擴(kuò)散沉積過(guò)程，洪澇過(guò)程及水對(duì)陸地的侵蝕過(guò)程，也包括水在土壤中的復(fù)雜動(dòng)態(tài)滲透過(guò)程。由于水循環(huán)的復(fù)雜性，必須用數(shù)學(xué)和物理方法，構(gòu)建水文和水力模型，進(jìn)行精確分析和評(píng)估，水文水力模型是探索和認(rèn)識(shí)水循環(huán)和水文過(guò)程的重要手段，也是解決水文預(yù)報(bào)、水資源規(guī)劃與管理、水文分析與計(jì)算等實(shí)際問(wèn)題的有效工具，是海綿城市建設(shè)有效性的基本保障（圖 1）?！逗＞d城市建設(shè)技術(shù)指南》指出：“有條件的控制性詳細(xì)規(guī)劃也可通過(guò)水文計(jì)算與模型模擬，優(yōu)化并明確地塊的低影響開(kāi)發(fā)控制指標(biāo)”。美國(guó)環(huán)保署EPA建議2km2以上的雨洪規(guī)劃必須經(jīng)過(guò)模型計(jì)算。

2.2水文模型的分析機(jī)制分類(lèi)

水文模型是通過(guò)采用系統(tǒng)分析的途徑，將復(fù)雜的水的時(shí)空分布現(xiàn)象和過(guò)程概化所給出的近似的科學(xué)模型。水文模型有多種分類(lèi)方法，較普遍的是分為集總式水文模型和分布式水文模型以及介于兩者之間的半分布式水文模型［2］。

2.2.1集總式水文模型

集總式水文模型不考慮水文現(xiàn)象或要素空間分布，將整個(gè)流域簡(jiǎn)化為一個(gè)整體進(jìn)行模擬。由于參數(shù)和變量都取平均值，從機(jī)理上不具備模擬降雨和下墊面條件空間分布不均對(duì)徑流形成的影響的功能，只能模擬水文現(xiàn)象的宏觀表現(xiàn)，不能涉及其本質(zhì)或物理機(jī)制。其參數(shù)不能實(shí)際測(cè)量到，必須通過(guò)校準(zhǔn)才能獲得。美國(guó)農(nóng)業(yè)部自然資源保護(hù)署（NRCS）制定的TR20（適用于流域）和TR55（適用于城市區(qū)域）模型，采用SCS runoff curve number下滲曲線(xiàn)來(lái)計(jì)算徑流，屬于集總式水文模型。

2.2.2半分布式水文模型和分布式水文模型

集總式水文模型難以滿(mǎn)足不同研究領(lǐng)域?qū)λ哪Ｐ偷男枨螅S著3S技術(shù)的發(fā)展，半分布式和分布式水文模型已逐步成水文模型的主流。分布式水文模型用嚴(yán)格的數(shù)學(xué)物理方程表述水循環(huán)的各種子過(guò)程，參數(shù)和變量中充分考慮空間的變異性，根據(jù)水流動(dòng)的偏微分方程、邊界條件及初始條件應(yīng)用數(shù)值分析來(lái)建立相鄰網(wǎng)格單元之間的時(shí)空關(guān)系，并著重考慮不同單元間的水力聯(lián)系，其物理參數(shù)一般不需要通過(guò)實(shí)測(cè)水文資料率定，解決了參數(shù)間的不獨(dú)立性和不確定性問(wèn)題。分布式水文模型所揭示的水文物理過(guò)程更接近客觀世界，目前較為常見(jiàn)的分布式水文模型有英國(guó)的TOPMODEL模型，歐洲的SHE模型，美國(guó)的SWAT模型、SWMM模型等。國(guó)內(nèi)的新安江模型屬于半分布式概念模型。

2.3水力模型的分類(lèi)

水文模型只能模擬水文的宏觀和總體現(xiàn)象，而水力模型則可以模擬水體自身的復(fù)雜動(dòng)力場(chǎng)，模擬水體與其他介質(zhì)如河床河岸、管壁、以及泥沙、污染物之間的相互作用。宏觀的水動(dòng)力學(xué)模型采用簡(jiǎn)化圣維南方程（一維）、二維淺水方程（二維）或Boltzmann方程等數(shù)學(xué)方法。多數(shù)與水文模型耦合的水力模型均采用這類(lèi)方法，如EPA的SWMM、丹麥水利研究所（DHI）的MIKE11、MIKE21等模型。

更為精細(xì)的水動(dòng)力模擬基于流體力學(xué)（CFD）的方法，可分為有網(wǎng)格和無(wú)網(wǎng)格法。網(wǎng)格劃分利用有限體積法、有限差分法，有限元法計(jì)算，如FLOW Science的FLOW3d。無(wú)網(wǎng)格法一般利用拉格朗日粒子法，雖然無(wú)網(wǎng)格方法具有許多優(yōu)點(diǎn)，但計(jì)算效率較傳統(tǒng)方法低，目前應(yīng)用的水動(dòng)力學(xué)模型中還是以有網(wǎng)格模型為主。

按照模擬的維度，水動(dòng)力學(xué)模型可以分為一維水動(dòng)力學(xué)模型、二維水動(dòng)力學(xué)模型以及三維水動(dòng)力學(xué)模型。在雨洪模擬中，一維模型具有計(jì)算效率高，所需要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)少等優(yōu)點(diǎn)，但應(yīng)用范圍較為局限。二維水動(dòng)力學(xué)模型則主要用來(lái)模擬街道交匯處、廣場(chǎng)、湖泊、河流、流域地表等具有明顯二維流動(dòng)特性的區(qū)域。由于在算法實(shí)現(xiàn)上的難度以及模擬計(jì)算時(shí)的工作量等原因，三維水動(dòng)力模型在城市雨洪模擬中還比較少用到，但是未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。

2.4適用于海綿城市的水文水力模型

世界發(fā)達(dá)國(guó)家在水環(huán)境模型規(guī)范化、軟件化和商業(yè)化方面已取得了豐碩的研究成果，從水文模型、水動(dòng)力模型、水質(zhì)模型、水力水質(zhì)綜合模型擴(kuò)展到流域綜合管理模型系統(tǒng)。美國(guó)環(huán)保局和歐盟環(huán)保署還制定了大量有關(guān)環(huán)境模型開(kāi)發(fā)和使用的技術(shù)導(dǎo)則或指南，使得環(huán)境模型使用更加規(guī)范化和系統(tǒng)化，同時(shí)通過(guò)與商業(yè)公司的合作，形成了一批比免費(fèi)開(kāi)放模型功能更加豐富強(qiáng)大的商業(yè)軟件。

我國(guó)《室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50014-2006）采用暴雨公式、降雨時(shí)長(zhǎng)和徑流系數(shù)來(lái)計(jì)算地表產(chǎn)流和管道負(fù)荷，《海綿城市建設(shè)技術(shù)指南》采用的地區(qū)多年平均日雨量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來(lái)確定年徑流總量控制率，根據(jù)暴雨公式和概化的地表徑流系數(shù)推導(dǎo)各低影響開(kāi)發(fā)設(shè)施的類(lèi)型及規(guī)模，是一種經(jīng)驗(yàn)公式。這種計(jì)算方法存在著精確性不足、參數(shù)和結(jié)果很難驗(yàn)證、無(wú)法表述水文過(guò)程的時(shí)空變化等問(wèn)題，降雨時(shí)長(zhǎng)的選擇、地表徑流系數(shù)等參數(shù)的不確定性，使計(jì)算結(jié)果十分粗略而不可靠［3］。隨著海綿城市建設(shè)的深入開(kāi)展，我國(guó)亟需建立起適合于本土的海綿城市水文水力模型，完善基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)，率定標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)以及規(guī)范模型應(yīng)用流程。

國(guó)外的水文水力模型以及綜合軟件平臺(tái)，數(shù)量不下數(shù)百種，各種模型的核心機(jī)制、模擬對(duì)象、適用尺度千差萬(wàn)別，給科研人員和實(shí)踐人員根據(jù)研究對(duì)象選擇合適的模型造成諸多困難。本文篩選了部分對(duì)我國(guó)海綿城市研究和建設(shè)具有參考價(jià)值的典型水文水力模型，其篩選劃分原則如下：

（1）根據(jù)海綿城市的基本內(nèi)涵，將適用于海綿城市的水文模型限定為城鎮(zhèn)以及與城鎮(zhèn)密切相關(guān)的流域尺度。根據(jù)海綿城市的核心功能：城市雨洪可持續(xù)管理和利用、水體和流域的保護(hù)、修復(fù)和可持續(xù)發(fā)展，低影響開(kāi)發(fā)設(shè)施的建設(shè)，將水文水力模型主要功能限定為以流域和城市地表產(chǎn)匯流計(jì)算，地下水，雨洪管網(wǎng)計(jì)算，有機(jī)物及污染物擴(kuò)散遷移，河道沉積物及侵蝕，水域生態(tài)，低影響開(kāi)發(fā)設(shè)施分析（BMPs/LID，SUDS，WSUD）等方面來(lái)確定適合的水文水力模型。

（2）世界上得到廣泛應(yīng)用并經(jīng)過(guò)反復(fù)實(shí)證，在中國(guó)也有研究和實(shí)踐的模型。水文模型需要大量的基礎(chǔ)資料，經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃臀锢砟Ｐ椭挥薪?jīng)過(guò)大量本土化論證研究，才能驗(yàn)證其可靠性和適應(yīng)性。

（3）多類(lèi)型模型耦合的模型。適應(yīng)于海綿城市的水文模型通常都是水文模型、水力模型和水質(zhì)模型的耦合，以應(yīng)對(duì)復(fù)雜的水文水力現(xiàn)象。

（4）具備完善的模型族或前后處理端口。水文水力模型有獨(dú)立機(jī)構(gòu)開(kāi)發(fā)的單一功能水文模型，也有綜合功能并形成系統(tǒng)的模型族，后者的功能通常更加完善，經(jīng)過(guò)更多的實(shí)踐驗(yàn)證，能應(yīng)對(duì)不同類(lèi)型的分析工作，較適于非水文專(zhuān)業(yè)人員如城市規(guī)劃、風(fēng)景園林等行業(yè)人員使用。

根據(jù)前文對(duì)海綿城市的層級(jí)結(jié)構(gòu)劃分，從流域、河流、城鎮(zhèn)、單元尺度對(duì)水文模型進(jìn)行分類(lèi)。形成跨尺度的水文水力模型系統(tǒng)圖解（圖2），建立起跨尺度模型間的聯(lián)系，以區(qū)別于相關(guān)研究文章只注重城市尺度的雨洪水文模型。值得注意的是，很多綜合模型和軟件包具有多種跨尺度的水文水力模型，因此很難準(zhǔn)確界定屬于何種層級(jí)，本文根據(jù)其主要功能來(lái)劃分。

2.5流域水文水力模型

宏觀流域尺度的水文模型注重整體水生態(tài)水環(huán)境的安全格局，重點(diǎn)是流域劃分、區(qū)域地表徑流及洪澇預(yù)測(cè)、非點(diǎn)源污染的擴(kuò)散遷移，水生態(tài)系統(tǒng)的影響等①。由于尺度較大，流域模擬一般以水文水質(zhì)模型為主，較少使用水力模型。

代表性的免費(fèi)模型有AQUATOX，PLOAD，SWAT，WinHSPF，HEC-HMS，GSSHA，TR-20，TR-55，這些模型多數(shù)具有圖形化界面，可以獨(dú)立運(yùn)行。但免費(fèi)模型的數(shù)據(jù)輸入模塊和后處理模塊一般較薄弱，也不能與地理信息系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫(kù)直接連接，導(dǎo)致普通用戶(hù)使用不便，因此軟件開(kāi)發(fā)商以這些模型為基礎(chǔ)計(jì)算引擎開(kāi)發(fā)了功能更全面界面更友好的軟件包。比較著名的有EPA的BASINS模型族，Aquaveo的WMS模型族以及在歐洲得到廣泛應(yīng)用的TOPMODEL，澳大利亞CSSE開(kāi)發(fā)的Catchment sim 等。因篇幅所限，本文僅對(duì)BASINS模型族、WMS模型族做簡(jiǎn)要介紹。

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

BASINS是由美國(guó)環(huán)保署（EPA）水利辦公室開(kāi)發(fā)的支持流域環(huán)境和生態(tài)研究具備地理信息系統(tǒng)功能的流域水文模型集和流域管理工具，當(dāng)前版本為4.1。其組織結(jié)構(gòu)圖如圖 3。

它包含系統(tǒng)環(huán)境數(shù)據(jù)庫(kù)、分析評(píng)估工具、流域劃分工具、數(shù)據(jù)管理工具、流域特征報(bào)告等輔助模塊，和7個(gè)核心水文模型，其中對(duì)海綿城市流域水文生態(tài)評(píng)估和規(guī)劃有價(jià)值的有：

（1）流域荷載和運(yùn)輸模型HSPF （Hydrologic Simulation Prog ram—FORTRAN）：流域水文，土地和土壤污染物徑流，沉積物-化學(xué)相互作用的水質(zhì)綜合模型。適用于水文響應(yīng)單元、子流域、簡(jiǎn)單的一維流和混合水庫(kù)/湖泊模型。對(duì)輸入數(shù)據(jù)的完整性和用戶(hù)的專(zhuān)業(yè)水準(zhǔn)要求較高。本模型在國(guó)內(nèi)水文水質(zhì)及非點(diǎn)源污染等方面研究應(yīng)用較多，如張恒等的淡水河流域非點(diǎn)源負(fù)荷計(jì)算［4］，邢可霞等的滇池流域非點(diǎn)源污染模擬研究［5］等。

（2）水土評(píng)估工具SWAT（Soil and Water Assessment Tool）：SWAT由美國(guó)農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)研究中心（USDA-ARS）開(kāi)發(fā)，用以預(yù)測(cè)和評(píng)估無(wú)測(cè)站流域內(nèi)水、泥沙和農(nóng)業(yè)化學(xué)品管理所產(chǎn)生的影響。它由8個(gè)部分組成:水文、氣象、泥沙、土壤溫度、作物生長(zhǎng)、營(yíng)養(yǎng)物和農(nóng)業(yè)化學(xué)品。 SWAT是農(nóng)業(yè)和森林為主的流域具有連續(xù)模擬能力的最有前途的非點(diǎn)源模擬模型。它具有無(wú)需要率定、對(duì)大流域采用易獲得的輸入數(shù)據(jù)、計(jì)算效率高、能連續(xù)模擬長(zhǎng)期管理變化的影響［6］，同時(shí)還支持沉淀池、滲透設(shè)施、植物過(guò)濾等BMPs措施。在國(guó)內(nèi)，SWAT模型在國(guó)內(nèi)得到廣泛的研究應(yīng)用，如張永勇等對(duì)海河流域典型區(qū)的水質(zhì)研究［7］，魏沖等對(duì)丹江口庫(kù)區(qū)的景觀格局變化敏感度分析［8］，郭軍庭等對(duì)潮河流域土地利用和氣候變化對(duì)徑流影響的研究［9］等。國(guó)內(nèi)一些學(xué)者還探討了對(duì)SWAT模型的本土化改進(jìn)，如寧吉才等對(duì)模型降水輸入?yún)?shù)的改進(jìn)［10，11］。

（3）非點(diǎn)源負(fù)荷模型PLOAD：集成于BASINS系統(tǒng)，主要分析流域非點(diǎn)源污染的年負(fù)荷量并能夠計(jì)算實(shí)施BMPs后的年負(fù)荷量變化［12］。PLOAD模型在國(guó)內(nèi)也有所應(yīng)用。

（4）水生態(tài)系統(tǒng)模型AQUATOX：AQUATOX能夠模擬多種環(huán)境因子（包括營(yíng)養(yǎng)鹽，有機(jī)負(fù)荷，有機(jī)化學(xué)物，溫度等）及其對(duì)藻類(lèi)，植物，無(wú)脊椎動(dòng)物，魚(yú)類(lèi)生態(tài)系統(tǒng)的影響。因此，AQUATOX能夠幫助識(shí)別并建立起水質(zhì)、水生生態(tài)系統(tǒng)、水生生物之間的因果關(guān)系鏈。在國(guó)內(nèi)，陳彥熹等使用該模型進(jìn)行景觀水體水生態(tài)模擬和生態(tài)修復(fù)研究［13］。

（5）流域雨洪及水質(zhì)模型SWMM：SWMM是最重要的徑流量動(dòng)態(tài)仿真模型之一。適用于市區(qū)和單事件或長(zhǎng)期（連續(xù)）模擬，也可用于流域模擬（但尺度受到一定限制），國(guó)內(nèi)如劉光東［14］，朱靖［15］等對(duì)SWMM模型在流域洪水和水質(zhì)預(yù)測(cè)等方面做了一定探討。SWMM在城鎮(zhèn)尺度的應(yīng)用下文詳述。

（6）綜上所述，由于眾多模型的支持，BASINS是很重要的流域水文軟件包，但也有一些缺陷，如只能分析一維水體，且由于數(shù)據(jù)的缺乏，不適合我國(guó)農(nóng)業(yè)耕作模式和城市結(jié)構(gòu)等原因，使BASINS在中國(guó)的應(yīng)用受到了一定限制［16］。

2.5.2WMS（Watershed Modeling System）

WMS是美國(guó) Brigham Young大學(xué)環(huán)境模型研究實(shí)驗(yàn)室 （EMRL）和與美國(guó)陸軍工程師兵團(tuán)水方法試驗(yàn)站（USACE）開(kāi)發(fā)的流域水文和水力學(xué)分析的圖形化模型軟件包。由Aquaveo公司發(fā)行商業(yè)版本。WMS提供水文模擬全過(guò)程的工具，嵌入了多種概念性水文和水力模型，可與ARCGIS等地理信息系統(tǒng)軟件交互數(shù)據(jù)，可以使用矢量地圖、DEM、TIN等格式的數(shù)據(jù)，自動(dòng)提取流域參數(shù)進(jìn)行水文模擬，并能實(shí)現(xiàn)模擬結(jié)果的可視化。WMS最新版本是V10，增加了對(duì)SWMM模型支持。與BASINS相比，WMS不但支持一維水文，還支持1D-2D液壓和分布式流域水文模型。缺點(diǎn)是商業(yè)版本價(jià)格昂貴（圖 3）。

WMS集成的模型眾多，這些模型多數(shù)有免費(fèi)版本下載，可獨(dú)立運(yùn)行。其中可適用于我國(guó)海綿城市研究的流域水文模型有：

（1）HEC-1（HMS）：Hydraulic Engineering Center Hydrologic Modeling System美國(guó)陸軍工程師兵團(tuán)水文工程中心（HEC）發(fā)布，模擬降雨徑流的水文建模系統(tǒng)，可以長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)水文過(guò)程模擬，使用網(wǎng)格單元代表流域的分布徑流計(jì)算。HEC-HMS在我國(guó)洪水模擬研究中得到廣泛應(yīng)用［17］。

（2）GSSHA（Gridded Surface Subsurface Hydrologic Analysis）：該模型是分布式（二維）水文模型，能夠模擬地表徑流，江河水道水文環(huán)境，地表和地下水交匯區(qū)水質(zhì)變化和泥沙輸送。

（3）TR-20：計(jì)算自然或人工合成暴雨事件產(chǎn)生的地表徑流，是由美國(guó)農(nóng)業(yè)部自然資源保護(hù)局（NRCS）研發(fā)。屬集總式模型。其參數(shù)和下滲曲線(xiàn)在我國(guó)的適用性還需驗(yàn)證。

（4）TR-55：NRCS研發(fā)的一種簡(jiǎn)便計(jì)算小暴雨產(chǎn)生的徑流和城市化的流域的集總式模型。其參數(shù)和下滲曲線(xiàn)在我國(guó)的適用性還需驗(yàn)證。

WMS在中國(guó)的流域規(guī)劃、徑流預(yù)測(cè)等方面有所應(yīng)用［18-20］。

2.6河流水文水力模型

從海綿城市角度看，河流是城鎮(zhèn)生活工業(yè)用水主要來(lái)源，是雨污排放和污染擴(kuò)散的主要通道，是城鎮(zhèn)洪水威脅的決定因素。從模擬對(duì)象看，河流水文水力模型主要模擬水流的本體運(yùn)動(dòng)和水化學(xué)水質(zhì)變化、泥沙運(yùn)動(dòng)、河床和地貌演變、河流資源的可持續(xù)利用和河流生態(tài)系統(tǒng)的健康程度。

適用于海綿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。宏觀層面通常在流域水文模型中用二維地表和一維線(xiàn)性河流模型來(lái)耦合流域和河流的水文聯(lián)系。

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

美國(guó)陸軍工程師兵團(tuán)的水文工程研究中心（HEC）發(fā)布，分析一維恒定和非恒定流模擬和輸沙/移動(dòng)邊界條件的水力模型?？梢詧?zhí)行天然河網(wǎng)和人工渠道一維水力學(xué)計(jì)算。HEC-RAS模型可獨(dú)立運(yùn)行，也集成于WMS軟件中。

2.6.2MIKE11

MIKE系列水文軟件是丹麥水資源及水環(huán)境研究所（DHI）的產(chǎn)品。與HEC-RAS類(lèi)似，MIKE11是一維河道、河網(wǎng)綜合模擬軟件，主要用于河口、河流、灌溉系統(tǒng)和其他內(nèi)陸水域的水文學(xué)、水力學(xué)、水質(zhì)和泥沙傳輸模擬，MIKE11包含水動(dòng)力學(xué)，降雨徑流，對(duì)流擴(kuò)散，水質(zhì)，泥沙輸運(yùn)、富營(yíng)養(yǎng)化、重金屬分析等模塊。它可以和MIKE URBAN城市管網(wǎng)模型完全耦合。MIKE11在國(guó)內(nèi)相關(guān)研究中得到廣泛應(yīng)用，如周游使用MIKE11來(lái)預(yù)測(cè)和響應(yīng)上海世博會(huì)景觀水體的污染突發(fā)事件［21］。

2.6.3TUFLOW

由澳大利亞WBM公司聯(lián)合昆士蘭大學(xué)共同開(kāi)發(fā)， TUFLOW是1D和2D耦合模型，一維求解圣維南方程，二維采用有限差分法求解自由表面水流淺水水動(dòng)力學(xué)方程，適合模擬洪水、潮汐、對(duì)流擴(kuò)散、泥沙輸運(yùn)、河道地形演變、城市排水及其二維內(nèi)澇淹沒(méi)。高效快速的二維模擬是該模型的最大優(yōu)勢(shì)。TUFLOW模型本身無(wú)界面，集成于Mapinfo GIS系統(tǒng)或作為水文軟件的計(jì)算模型。

Aquaveo公司模擬河流流場(chǎng)及濃度場(chǎng)的軟件SMS（Surface-water Modeling System）和XP Software XP-SWMM均采用TUFLOW作為河道水力及二維洪水淹沒(méi)計(jì)算的引擎。

2.7城鎮(zhèn)水文水力模型

城市地表覆蓋種類(lèi)多且分布復(fù)雜，城市水文的計(jì)算比流域水文更為困難，要求精度更高。城鎮(zhèn)水文模型通常是地表產(chǎn)流水文模型和管網(wǎng)水力模型的耦合。注重城鎮(zhèn)水文系統(tǒng)的時(shí)空變化，重點(diǎn)分析匯水區(qū)地表產(chǎn)匯流及入滲、城市洪澇區(qū)域、有機(jī)物和污染物擴(kuò)散、城市雨洪管網(wǎng)系統(tǒng)負(fù)荷規(guī)劃和系統(tǒng)設(shè)計(jì)、城市河道的洪澇威脅、低影響開(kāi)發(fā)設(shè)施的空間分布、類(lèi)型和規(guī)模等，是海綿城市規(guī)劃和建設(shè)的核心內(nèi)容。我國(guó)一些科研機(jī)構(gòu)也開(kāi)發(fā)了自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的水文模型，但因種種原因，沒(méi)有得到廣泛推廣應(yīng)用。

歐美發(fā)達(dá)國(guó)家從20世紀(jì)60年代起開(kāi)始研制滿(mǎn)足城市排水、防洪、環(huán)境治理等方面要求的城市雨洪模型，但多偏重于管網(wǎng)模型。近年來(lái)，城鎮(zhèn)尺度的水文水力模型逐漸從單一模型向綜合模型轉(zhuǎn)變，與河道系統(tǒng)耦合，二維洪澇模擬、三維水動(dòng)力模擬、智能化管理等正成為未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)。隨著低影響開(kāi)發(fā)概念的深入影響，各模型均開(kāi)始支持LID/ BMPs，SUDS，WSUD等不同的低影響開(kāi)發(fā)設(shè)施的模擬。

適用于中國(guó)海綿城市建設(shè)的，并具備有低影響開(kāi)發(fā)設(shè)施模擬能力的城鎮(zhèn)尺度水文水力模型及軟件平臺(tái)主要包括：

2.7.1SWMM(Storm Water Management Model)

美國(guó)環(huán)保署（EPA）開(kāi)發(fā)SWMM是目前世界上研究最深入應(yīng)用最成熟的城市水文模型，經(jīng)過(guò)不斷的完善和升級(jí)，目前已經(jīng)發(fā)展到SWMM5.1版本。

SWMM是動(dòng)態(tài)的降雨徑流模擬模型， 包含了水文、水力、水質(zhì)模塊， 主要用于規(guī)劃和設(shè)計(jì)階段。它具備模擬城市降雨徑流運(yùn)動(dòng)過(guò)程（包括地面徑流和排水系統(tǒng)中的水流、雨洪的調(diào)蓄處理過(guò)程）和BOD、COD、總磷、總氮等8種污染物的遷移擴(kuò)散過(guò)等功能。該模型把每個(gè)子流域概化成透水地面、有滯蓄庫(kù)容的不透水地面和無(wú)滯蓄庫(kù)容的不透水地面3部分， 利用下滲扣損法或SCS法進(jìn)行產(chǎn)流計(jì)算，坡面匯流采用非線(xiàn)性水庫(kù)法， 管網(wǎng)匯流部分提供了恒定流演算、運(yùn)動(dòng)波演算和動(dòng)力波演算3種方法。SMWW模型的基本結(jié)構(gòu)圖如（圖5）。

國(guó)內(nèi)研究者對(duì)SWMM的計(jì)算機(jī)制和參數(shù)在中國(guó)的適用性做了很多深入的研究，并在城市的排洪防澇、雨水利用、面源污染方面進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。如叢宇翔等選取北京市典型小區(qū)，計(jì)算不同頻率設(shè)計(jì)暴雨下小區(qū)排水效果以及積水、道路坡面流等情況［22］，劉俊等對(duì)上海市區(qū)排水和地面淹水過(guò)程的模擬［23］，驗(yàn)證了SWMM模型在精確性和可靠性。

SWMM5.0版本之后增加了對(duì)LID/BMPs支持，成為世界上最主要的低影響開(kāi)發(fā)設(shè)施計(jì)算模型，它將LID/BMPs作為單獨(dú)劃分成子匯水區(qū)，適用于小地塊的LID模擬，也可以將單個(gè)或多個(gè)LID設(shè)施混合置于同一個(gè)子匯水區(qū)內(nèi)作為子匯水區(qū)的一部分，取代等量的子匯水區(qū)內(nèi)的非LID面積，在這種方式下，無(wú)法明確指定LID設(shè)施的服務(wù)區(qū)域及處置路徑，主要適用于較大區(qū)域的LID集成技術(shù)及雨洪控制效果模擬。LID設(shè)施位置和面積確定后，設(shè)定具體參數(shù)，低影響開(kāi)發(fā)設(shè)施被分解為表層、路面層、土壤層、蓄水層、暗渠層5個(gè)層次，并以此概化各類(lèi)LID設(shè)施，模擬過(guò)程中執(zhí)行含濕量平衡，跟蹤水在每一LID層之間的移動(dòng)和存儲(chǔ)。5.1版本目前支持生物滯留設(shè)施、雨水花園、綠色屋頂、滲渠、透水鋪裝、雨水罐、草溝7種預(yù)定義設(shè)施，原則上也可以通過(guò)改變參數(shù)模擬其他類(lèi)型的設(shè)施。計(jì)算完成后，SWMM的狀態(tài)報(bào)告包含了LID性能總結(jié)，說(shuō)明了每一子匯水面積內(nèi)每一LID控制的總體水量平衡，水量平衡的組件包括總進(jìn)流量、滲入、蒸發(fā)、地表徑流、暗渠，以及初始和最終蓄水容積?？梢?jiàn)，SWMM不僅能模擬城鎮(zhèn)尺度下低影響開(kāi)發(fā)設(shè)施對(duì)海綿城市徑流量、徑流峰值及水質(zhì)的影響，也能評(píng)估單體LID設(shè)施的性能。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)出現(xiàn)了許多利用SWMM模擬低影響開(kāi)發(fā)設(shè)施的研究，如王雯雯的《基于SWMM的低沖擊開(kāi)發(fā)模式水文效應(yīng)模擬評(píng)估》，選擇深圳光明新區(qū)作為研究對(duì)象，構(gòu)建了研究區(qū)的SMWW模型，以測(cè)試各類(lèi)LID單元和組合在不同空間布局下的水文效應(yīng)和雨洪控制效果，最終得出最優(yōu)化配置，并評(píng)估其經(jīng)濟(jì)性［24］。李家科［25］、張勝杰［26］、馬箐［27］、李霞［28］等分別對(duì)低影響調(diào)控措施的效果模擬研究，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，所以部分參數(shù)需要結(jié)合實(shí)測(cè)結(jié)果率定，才能保證計(jì)算結(jié)果的可靠性，需要率定的參數(shù)主要有地表洼蓄深、地表曼寧系數(shù)、排水通道曼寧系數(shù)、子流域漫流寬度、下滲參數(shù)、日蒸發(fā)參數(shù)等。這增加模型的使用難度，限制了模型了模型的使用范圍。董欣［29］、王浩昌［30］、黃金良［31］等分別對(duì)SWMM參數(shù)靈敏度進(jìn)行了識(shí)別、分析和驗(yàn)證，對(duì)SWMM實(shí)踐應(yīng)用中的參數(shù)設(shè)定具有一定參考價(jià)值。

SMWW模型同其他免費(fèi)模型一樣，缺乏便捷強(qiáng)大的數(shù)據(jù)輸入輸出端口，無(wú)法直接導(dǎo)入通用cad格式，也無(wú)法自動(dòng)提取地表參數(shù)，使前期輸入工作十分繁瑣且不精確。一些研究試圖改進(jìn)這些缺點(diǎn)，如黃國(guó)如等探討基于GIS 的SWMM模型二次開(kāi)發(fā)方法［32］，趙冬泉等自主開(kāi)發(fā)的數(shù)字排水平臺(tái)（Digital Water DS） 將SWMM 與GIS 緊密集成，實(shí)現(xiàn)暴雨管理的模擬分析［33］，并輔助BMP措施的設(shè)計(jì)與評(píng)估。本文作者蔡凌豪使用Rhino及其參數(shù)化插件Grasshopper開(kāi)發(fā)了SWMM模型的輸入端口及芝加哥雨型生成器生成暴雨數(shù)據(jù)，可將Rhino中繪制的匯水區(qū)cad圖形包含部分下墊面數(shù)據(jù)如坡度、漫流寬度等信息自動(dòng)寫(xiě)入SWMM的inp格式輸入文件中，實(shí)現(xiàn)了SWMM模型與cad數(shù)據(jù)的交互，參數(shù)化驅(qū)動(dòng)的繪圖與編輯使構(gòu)建模型更為快捷，適用于場(chǎng)地尺度的水文模擬。

以SWMM模型為核心，衍生出很多商業(yè)軟件包，形成了龐大的SWMM模型家族，如加拿大水利研究所（CHI）的PCSWMM，XPsolution的XPSWMM，它們整合了地理信息系統(tǒng)引擎，具有完備的數(shù)據(jù)輸入、信息管理和后處理模塊，還針對(duì)SWMM只能進(jìn)行一維分析的不足，增加了TUFLOW模型進(jìn)行一維和二維地表徑流和洪澇模擬分析的功能，更加形象直觀準(zhǔn)確。

2.7.2InfoWorks ICM

英國(guó)innovyze公司開(kāi)發(fā)的InfoWorks ICM及系列軟件族，以自行開(kāi)發(fā)的水文模型為核心，可以完整模擬城市雨水循環(huán)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了城市排水管網(wǎng)系統(tǒng)模型與河道模型的耦合，更為真實(shí)地模擬地下排水管網(wǎng)系統(tǒng)與地表受納水體之間的相互作用，并支持英國(guó)的SUDS標(biāo)準(zhǔn)。Innovyze旗下的infoSWMM軟件支持LID/BMPs，并具備二維模塊分析地表洪澇。該模型軟件在國(guó)內(nèi)水務(wù)部門(mén)應(yīng)用較為普遍。

2.7.3MOUSE（MIKE URBAN）

MOUSE是丹麥水力學(xué)研究所（DHI）開(kāi)發(fā)的排水管網(wǎng)水文水力耦合模型，最新發(fā)布的MIKE URBAN集成了GIS模塊，包括MOUSE、SWMM兩個(gè)引擎。 MILE URBAN具備分析LID/BMPs的能力，在國(guó)內(nèi)擁有眾多的用戶(hù)，并在奧林匹克公園中心區(qū)的雨水利用規(guī)劃中得到應(yīng)用［34］。

2.7.4MUSIC(Model for Urban Stormwater Improvement Conceptualization)

MUSIC模型由澳大利亞政府水服務(wù)機(jī)構(gòu)eWater和Monash University為澳大利亞水敏感城市（WSUD）開(kāi)發(fā)。模型將流域分解成一系列由排水渠道相連的節(jié)點(diǎn)。流域包含一系列源節(jié)點(diǎn)的子流域，默認(rèn)的源節(jié)點(diǎn)按土地利用分為城市、農(nóng)業(yè)，森林是3種類(lèi)型可以快速得模擬池塘、植物、下滲緩沖區(qū)、沉積區(qū)、污染物沉淀池、濕地以及洼地等暴雨控制設(shè)施，提供完整的LID/BMPs支持。針對(duì)澳大利亞各城市和郡縣的不同氣候、土壤和建設(shè)狀況建立專(zhuān)用的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)，提供完善的水敏感城市建設(shè)導(dǎo)則，計(jì)算低影響開(kāi)發(fā)設(shè)施的經(jīng)濟(jì)效益。模型界面友好，適合于非研究機(jī)構(gòu)的實(shí)踐分析和水管理部門(mén)進(jìn)行效益預(yù)測(cè)核算。由于基礎(chǔ)數(shù)據(jù)不同，MUSIC目前在國(guó)內(nèi)還沒(méi)有得到應(yīng)用，但其開(kāi)發(fā)模式值得中國(guó)海綿城市的主管部門(mén)借鑒。

2.8單元尺度的水文模型

單元層面注重低影響開(kāi)發(fā)設(shè)施的具體實(shí)施，模擬、分析和評(píng)估各類(lèi)設(shè)施的空間分布、規(guī)模、效能、環(huán)境影響及經(jīng)濟(jì)效益，與設(shè)計(jì)和實(shí)踐結(jié)合最為密切。

單元層面的海綿城市水文模型可分為兩大類(lèi)型：?jiǎn)误w模型和綜合分析模型。

2.8.1單體模型

專(zhuān)門(mén)注重于模擬、分析和評(píng)估單一或成組低影響開(kāi)發(fā)設(shè)施水文和水質(zhì)效能的模型。簡(jiǎn)單的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ腿缑绹?guó)社區(qū)技術(shù)中心（The Center for Neighborhood Technology，“CNT”）開(kāi)發(fā)的綠值雨水計(jì)算器Green Values Stormwater Calculator，通過(guò)SCS下滲法計(jì)算LID設(shè)施的性能、規(guī)模和效益?；谖锢砟M方法比較典型的是由威斯康星州（Wisconsin）大學(xué)研發(fā)的RECARGA， RECARGA對(duì)不同設(shè)計(jì)要素下生物滯留池的水文性能進(jìn)行分析，從而為生物滯留池的合理設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。RECARGA采用TR-55CN程序分別模擬研究區(qū)的透水性區(qū)域及不透水性區(qū)域的徑流量，運(yùn)用Green-Ampt方程模擬蓄水層至介質(zhì)層土壤的入滲，并通過(guò)van Genuchten非線(xiàn)性方程模擬控制土壤層內(nèi)（介質(zhì)層至沙礫層），沙礫層至天然土壤間的水分運(yùn)動(dòng)。利用RECARGA可以對(duì)生物滯留池的各項(xiàng)要素如面積、根區(qū)土壤特性等反復(fù)進(jìn)行設(shè)計(jì)模擬，從而達(dá)到特定的性能目標(biāo)。國(guó)內(nèi)孫艷偉等利用本模型對(duì)生物滯留池在徑流消減、地下水入滲補(bǔ)給、積水時(shí)間、總處理水量等方面的水文效應(yīng)進(jìn)行了模擬，證實(shí)了其顯著的水文調(diào)控功能［35］。

2.8.2綜合分析模型

LID/BMPs技術(shù)眾多，其技術(shù)特征、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)特征各不相同，需要在建設(shè)前從系統(tǒng)的角度結(jié)合城市布局、土地利用、景觀建設(shè)以及區(qū)域排水體系，篩選適用的技術(shù)，并對(duì)其規(guī)模和數(shù)量進(jìn)行布局優(yōu)化。綜合分析模型一般不但可以分析低影響開(kāi)發(fā)設(shè)施的水文效能，也具備空間布局規(guī)模分析優(yōu)化、設(shè)施間水文輸送、小尺度區(qū)域雨洪分析等綜合功能。在國(guó)內(nèi)應(yīng)用最多的是EPA的城市降雨徑流控制的模擬與分析集成系統(tǒng)SUSTAIN（System for Urban Storm water Treatment and Analysis Integration），用于城市開(kāi)發(fā)區(qū)內(nèi)LID/BMPs選址、布局、模擬和優(yōu)化的決策支持系統(tǒng)。

SUSTAIN采用ArcGIS9.3作為基礎(chǔ)平臺(tái)，綜合應(yīng)用了水文、水力和水質(zhì)分析模型，同時(shí)考慮了成本管理和優(yōu)化分析技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)不同尺度流域中暴雨管理方案經(jīng)濟(jì)性和有效性的評(píng)估和分析。因此，SUSTAIN并不僅僅適用于微觀層面，也適用于中觀層面的綜合LID/ BMPs分析和優(yōu)化。

SUSTAIN 采用了模塊結(jié)構(gòu)進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，共包括框架管理、BMP布局、土地模擬、BMP 模擬、傳輸模擬、優(yōu)化和后處理程序7個(gè)模塊。用地產(chǎn)流模塊采用SWMM模型；LID/BMPs模擬模塊包含了10余種LID/ BMPs措施單體和集成式LID/BMPs組件，可對(duì)不同LID/BMPs措施對(duì)降雨徑流和徑流污染物的控制進(jìn)行模擬；徑流輸送模塊采用HSPF 模型對(duì)不同地塊之間、不同LID/BMPs措施之間徑流和污染物傳輸進(jìn)行模擬。優(yōu)化模塊則基于給定的可變量和優(yōu)化目標(biāo)，通過(guò)分散搜索算法、遺傳算法等優(yōu)化算法對(duì)不同的情景方案進(jìn)行比較分析，給出滿(mǎn)足目標(biāo)要求的最優(yōu)方案；最后，通過(guò)后處理模塊將優(yōu)化的結(jié)果以降雨徑流控制評(píng)價(jià)、LID/BMPs控制功效總結(jié)、優(yōu)化方案成本-效益曲線(xiàn)等可視化的方式表現(xiàn)出來(lái)。

SUSTAIN 系統(tǒng)將BMP 措施劃分為點(diǎn)狀、線(xiàn)狀和面狀3種類(lèi)型。點(diǎn)狀BMP 措施包括滲透池、干塘、人工濕地、砂濾池、蓄水池等；線(xiàn)狀BMP 措施主要包括植草溝、滲透溝和植被緩沖帶等；面狀BMP 措施包括透水鋪裝和綠色屋頂?shù)取MP 模塊綜合考慮這些BMP 措施的孔堰控制結(jié)構(gòu)，以及滲透、蒸發(fā)和植物生長(zhǎng)等過(guò)程，進(jìn)行徑流演算和污染物損失、降解和傳輸過(guò)程的模擬［36］。

SUSTAIN內(nèi)置了一個(gè)可獨(dú)立在ArcGIS 10.1中運(yùn)行的BMP 布局工具（BMP Siting Tool），可由用戶(hù)設(shè)置BMP 措施的布局規(guī)則（如排水區(qū)域面積、場(chǎng)地坡度、土地類(lèi)型、地下水位深度、道路緩沖區(qū)、河流緩沖帶和建筑緩沖區(qū)要求距離等），BMP 布局工具可自動(dòng)搜尋符合設(shè)置條件的BMP 措施布置區(qū)域。

清華大學(xué)賈海峰、唐穎等較全面得介紹了SUSTAIN系統(tǒng)，以廣東省環(huán)境保護(hù)職業(yè)技術(shù)學(xué)院佛山校區(qū)作為研究區(qū)域，模擬了各種LID/BMPs規(guī)劃情景，論述了SUSTAIN的應(yīng)用流程［37，38］（圖 7）。

除了免費(fèi)的SUSTAIN系統(tǒng)外，XPsolution公司商業(yè)軟件XPdrainge可以對(duì)低影響開(kāi)發(fā)設(shè)施和小區(qū)域雨洪水文水質(zhì)進(jìn)行更精細(xì)的模擬和設(shè)計(jì)。它支持?jǐn)?shù)字DEM模型快速建立地表2D模型，決定降雨徑流的主要路徑、積水區(qū)域以及設(shè)置排水設(shè)施的最佳位置。支持容積計(jì)算、水質(zhì)計(jì)算、動(dòng)態(tài)分析組合了設(shè)計(jì)降雨以及時(shí)間序列數(shù)據(jù)用于水文分析。動(dòng)態(tài)分析主要展現(xiàn)：污染物的去除；降雨徑流滯蓄效果；排水及連接設(shè)施、控制的詳細(xì)流量和深度過(guò)程模擬。

3　海綿城市水文水力模型的局限和發(fā)展

本文根據(jù)海綿城市的功能要求按模擬尺度層級(jí)選擇了部分較為成熟的水文水力模型，簡(jiǎn)要概括其基本功能和在國(guó)內(nèi)的研究和實(shí)踐應(yīng)用，以期能夠讓非水文專(zhuān)業(yè)的海綿城市管理者、研究者和建設(shè)者能夠大致了解當(dāng)前世界上相關(guān)水文模型的發(fā)展，認(rèn)識(shí)到水文模型對(duì)海綿城市建設(shè)的重要價(jià)值。

需要清醒得認(rèn)識(shí)到，水文模型并非萬(wàn)能，而將真正應(yīng)用在我國(guó)海綿城市的規(guī)劃、建設(shè)和管理之中，依然任重道遠(yuǎn)。當(dāng)前，海綿城市水文模型還存在如下問(wèn)題：

（1）針對(duì)性不足：海綿城市是新的城市雨洪和水生態(tài)的規(guī)劃、建設(shè)和管理策略，在國(guó)外相關(guān)理論研究和實(shí)踐策略上基礎(chǔ)上，拓展了廣度和深度，其內(nèi)涵、結(jié)構(gòu)和具體技術(shù)仍在深化討論之中。多數(shù)水文模型，并非專(zhuān)門(mén)針對(duì)海綿城市設(shè)計(jì)，而是被設(shè)計(jì)出來(lái)分別應(yīng)對(duì)流域水文和城市水文的問(wèn)題，在這兩類(lèi)水文模型之間，還存在著難以愈合的罅隙，如兩類(lèi)模型的框架不同，分析機(jī)制差異很大，導(dǎo)致分析模擬數(shù)據(jù)難以交互。海綿城市要求將流域和城市系統(tǒng)性得整合，才能最大發(fā)揮海綿城市的生態(tài)效益。因此，未來(lái)海綿城市水文模型應(yīng)整合這兩大類(lèi)型的水文模型，并使其與中國(guó)本土的氣候、水文、土地利用模式和城市結(jié)構(gòu)相適應(yīng)。雖然SWMM、MUSIC等模型已支持LID/BMPs之類(lèi)的低影響開(kāi)發(fā)設(shè)施的模擬，但其分析機(jī)理、支持類(lèi)型、精細(xì)化程度仍然不足，其在中國(guó)的適應(yīng)性還需不斷驗(yàn)證。

（2）功能局限：水文模型發(fā)展至今已形成了較為完善的理論基礎(chǔ)和模型框架， 但對(duì)水文物理過(guò)程機(jī)理的認(rèn)識(shí)和數(shù)據(jù)計(jì)算能力已成為限制模擬精度和應(yīng)用范圍的主要瓶頸。隨著水文學(xué)、水動(dòng)力學(xué)理論、計(jì)算技術(shù)、計(jì)算機(jī)硬件及測(cè)量技術(shù)的發(fā)展，可進(jìn)一步滿(mǎn)足細(xì)部水流運(yùn)動(dòng)規(guī)律研究的需要， 開(kāi)發(fā)更加完善和精度更高的水動(dòng)力學(xué)模型， 提供更可靠的城市雨洪模擬結(jié)果。

（3）缺乏基礎(chǔ)數(shù)據(jù)：這是制約水文模型在我國(guó)深入應(yīng)用的最大瓶頸，由于我國(guó)許多城市地區(qū)尤其是中小偏遠(yuǎn)城市，缺乏長(zhǎng)系列水文氣象資料， 中國(guó)的土壤類(lèi)型、土地利用和城市雨洪管理模式也與國(guó)外常用水文模型要求不符，這嚴(yán)重影響了影響雨洪模擬精度及應(yīng)用范圍。美國(guó)、澳大利亞等先進(jìn)國(guó)家的政府管理部門(mén)的數(shù)據(jù)透明公開(kāi)，和學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)的合作成果能快速得轉(zhuǎn)換為實(shí)踐工具，而中國(guó)管理部門(mén)的條塊分割，導(dǎo)致數(shù)據(jù)搜集十分困難，免費(fèi)數(shù)據(jù)極少，而數(shù)據(jù)的時(shí)效性和信息化程度也相當(dāng)落后，使研究和實(shí)踐工作的開(kāi)展面臨重重難關(guān)。因此，海綿城市的水文模型有效使用，依賴(lài)于政府管理部門(mén)和研究機(jī)構(gòu)的高效協(xié)作以及信息數(shù)據(jù)的規(guī)范化、公開(kāi)化和免費(fèi)化。

（4） 使用不便：由于水文模型一般是由水文專(zhuān)業(yè)人員開(kāi)發(fā)和使用，因此目前多數(shù)水文模型，使用者需要一定的專(zhuān)業(yè)知識(shí)，數(shù)據(jù)輸入復(fù)雜，參數(shù)多需反復(fù)率定，模擬結(jié)果和通用規(guī)劃設(shè)計(jì)軟件之間缺乏直接聯(lián)系。這在一定程度上阻礙了多學(xué)科協(xié)作的開(kāi)展。

4　水文水力模型對(duì)風(fēng)景園林行業(yè)意義及展望

在深入研究和建設(shè)海綿城市的進(jìn)程中，風(fēng)景園林行業(yè)起到重要的不可替代的作用。海綿城市系統(tǒng)的基本內(nèi)容，均是風(fēng)景園林的主要研究對(duì)象。綠地是城市最重要的透水下墊面，是海綿城市單元體的承載基礎(chǔ)，是城市生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，應(yīng)當(dāng)承擔(dān)起調(diào)節(jié)城市水文循環(huán)、緩解水危機(jī)的重?fù)?dān)?；陲L(fēng)景園林產(chǎn)生的綠色基礎(chǔ)設(shè)施、生態(tài)基礎(chǔ)設(shè)施、景觀都市主義等理論，也大大豐富了海綿城市的內(nèi)涵。風(fēng)景園林的技術(shù)手段，是海綿城市低影響開(kāi)發(fā)措施的建設(shè)保障。在發(fā)達(dá)國(guó)家，風(fēng)景園林與城市規(guī)劃、水利、建筑、交通等相關(guān)研究機(jī)構(gòu)和管理部門(mén)緊密合作，成為城市雨洪管理、水生態(tài)恢復(fù)、流域生態(tài)保護(hù)的重要力量。

但是目前國(guó)內(nèi)風(fēng)景園林在海綿城市以及水和流域生態(tài)等方面發(fā)揮的作用，尚與其應(yīng)有的地位并不相稱(chēng)。究其原因，除去因行業(yè)和部門(mén)的條塊分割和利益自保等因素，風(fēng)景園林學(xué)科和行業(yè)自身所存在的問(wèn)題也不容忽視。風(fēng)景園林長(zhǎng)期以來(lái)被視為感性超過(guò)理性的學(xué)科，其核心理論中，“美學(xué)”的充實(shí)和“科學(xué)”的薄弱，恰恰形成兩個(gè)極端。由于缺乏數(shù)據(jù)積累和定量研究導(dǎo)致的科學(xué)性的缺乏，使風(fēng)景園林很難在學(xué)科和行業(yè)協(xié)作中掌握足夠的話(huà)語(yǔ)權(quán)。

水文水力模型是海綿城市建設(shè)的重要技術(shù)保障。由于學(xué)科差異、原理艱深、使用不便等等原因，風(fēng)景園林行業(yè)極少使用水文水力模型進(jìn)行相關(guān)定量研究，只能被動(dòng)得使用其他行業(yè)提供的數(shù)據(jù)和方案，卻不能深入理解其背后的機(jī)制，使數(shù)據(jù)和規(guī)劃貌合神離紙上談兵，使風(fēng)景園林建設(shè)不能真正適應(yīng)環(huán)境的動(dòng)態(tài)變化，從而成為涂脂抹粉式的錦上添花，卻對(duì)真實(shí)的生態(tài)環(huán)境和水危機(jī)無(wú)能為力。因此，風(fēng)景園林的研究者和從業(yè)者，掌握一定程度的水文水力知識(shí)，學(xué)習(xí)使用水文水力模型來(lái)負(fù)責(zé)規(guī)劃建設(shè)，并將其作為行業(yè)協(xié)作的科學(xué)平臺(tái)，有著重要的意義。

隨著未來(lái)RS、GIS等空間信息技術(shù)、大數(shù)據(jù)采集、智慧城市必將成為海綿城市水文模型和模擬技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)，數(shù)據(jù)采集、提取和整理將更為便利，類(lèi)似MUSIC，XPdrainage之類(lèi)界面友好，流程便捷、智能模擬的水文水力模型陸續(xù)出現(xiàn)，將使風(fēng)景園林從業(yè)人員能夠相對(duì)容易得掌握水文水力模型的使用，從而更加深入得了解城市和自然水文運(yùn)行的規(guī)律、研究雨洪利用的生態(tài)策略，探究城市和自然的可持續(xù)發(fā)展的未來(lái)之路。

注釋?zhuān)?/p>

①加州理工學(xué)院davis分校整理了一份較完整的流域水文模型列表可供參：ucdavis.Watershed Modeling［EB/OL］. ［2016-01-17］.http：//cwam.ucdavis.edu/models.htm.

②圖片來(lái)源：圖3引自BASINS軟件手冊(cè)，圖7作者改繪參考文獻(xiàn)［24］，其余為作者自繪。

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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/清華大學(xué)建筑學(xué)院博士生/北京林業(yè)大學(xué)園林學(xué)院教師（北京100083）