低影響開發的7種城市雨洪管理模型

李玥　俞快　程娘珠　佘美萱

摘要：現代城市降雨徑流量增大、峰值增加和徑流面源污染等問題日益嚴峻，國外以“尊重自然、結合自然”為核心理念的低影響開發（low Impact DeveIopment，LlD）雨洪管理模式已取得一定成效。以國外應用于LID的7種城市雨洪管理模型為研究對象，概述其模擬原理、方法和適用范圍。通過比較分析，表明：7種雨洪管理模型都適用于LlD設施單因素評估模擬，但沒有一種模型可以全面模擬LID設施。

關鍵詞：雨洪管理模型；低影響開發；應用；綜述

傳統雨水管理措施無法解決由于城市開發而導致的雨水徑流量增大、峰值流量增加以及徑流污染等問題，采用低影響開發管理模式（Low Impact Development，LID）可有效緩解以上城市發展問題，實現城市與自然的和諧相處。

1.低影響開發模式

低影響開發是一種新型的雨洪管理模式。始于20世紀90年代初的美國馬里蘭州。LID是在排水最佳規劃模式（Best Management Practices，BMP）基礎上提出的新概念，BMP是指為預防和減少土地開發利用對環境造成的負面影響而采取的一系列措施和方法。為適應城市高速發展和擴張，LID在BMP基礎上應運而生，其核心理念是維持場地前后水文特征不變。包括徑流總量、峰值流量、峰現時間等。相關研究顯示：LID可減少約30%-99%的暴雨徑流，延遲5-20 min的暴雨徑流峰值，有效去除雨水徑流中的磷、油脂、氮、重金屬等污染物。并能中和酸雨。

2012年，我國在LID基礎上形成“海綿城市”理念，旨在應對城市發展過程中出現的水資源缺乏、雨水徑流污染和暴雨洪澇災害等雨水問題。LID與海綿城市對應的根本目的和降雨重現期不同，LID強調雨水徑流的源頭削減，應對日常較小的降雨量。重現期一般小于2年；而海綿城市針對所有重現期的降雨。包含面源污染控制、雨水排放、雨水收集利用、內澇防治和城市防洪5個層面內容。應對不同重現期。海綿城市可采用不同的LID技術設施組合以達到不同的雨水控制效果。

LID的實施包含兩種措施。即非結構性和結構性措施。非結構性措施，包括街道和建筑合理布局等；結構性措施。包含濕地、生物滯留池、綠色屋頂及其他小型輔助設施。根據雨情和設定標準。結合水文/水質，水力模型進行模擬預測。確定實施參數（圖1）。LID已在美國、英國、澳大利亞、日本等國家城市全面開展。

2.LID的7種雨洪管理模型

在現有40多個城市雨洪管理模型中。選擇7種應用于LID的雨洪管理模型進行概述：SWMM、STORM、DR3M-QUAL，MOUSE，InfoWorks，SUSTAIN、SWC。

其中SWMM、STORM、DR3M-QUAL模型發布于20世紀70-80年代；MOUSE、Info Works模型為第二代商用雨洪管理模型，發布于20世紀80-90年代；SUSTAIN、SWC發布于21世紀初。為集成模型。SWMM模型已對原版本更新，應用最為廣泛，但國內對于其在LID設施設計及效果評價中的應用尚處于起步階段。DR3M-QUAL模型現今幾乎已被STORM取代，使用頻率比較低。

2.1 SWMM模型

SW/VlM（Stormwater Mrdnagement Model）是美國環境保護署（USEPA）在1969-1971年開發的城市暴雨管理模型，可以模擬城市降雨徑流和多種污染物的累積、沖刷現象。并通過傳輸系統來實現水文、水力及水質方面的模擬。還能以多種形式輸出結果（圖2），因而應用廣泛。

SWMM5.0中增加了LID模塊。可模擬生物滯留、滲透溝渠、滲透鋪裝、雨水罐、植被淺溝5種常見LID設施，實現對場地徑流量、峰值流量及徑流污染控制效果的模擬。其他LID措施（如過濾帶、下凹式綠地、綠色屋頂等技術）均可經參數變換等相應處理后再進行模擬。最新版本SWMM5.1.8中新增雨落管斷接這種LID設施。

SWMM模型能夠對LID雨洪管理技術的推廣應用提供有效的技術支撐。如在深圳市光明新區國家LID示范區內對已建LID市政道路的模擬結果可說明，相比傳統道路設計方法。LID設計道路能夠有效削減年雨水徑流總量和典型場降雨的峰值流量。

2.2STORM模型

STORM（Storage Treatment Overflow RunoffModel）是1973年由美國陸軍工程兵團工程水文中心（HEC）發布的城市暴雨徑流計算機模型。主要用于LID設施的水量、水質模擬等方面的研究。20世紀90年代。Warwick等人通過STORM模擬分析德克薩斯州達拉斯一個居民區的徑流和水質，但模擬效果并不理想。M.D.哈斯維納等人用STORM模擬摩洛哥穆盧耶（Moulouya）河上游某一近500 km2的鄉村地區的雨水收集過程.分析洪水、泥沙輸移影響.結果表明，雨水收集能明顯減緩洪水強度，減少洪水量以及緩解泥沙淤積。

2.3DR3M-QUAL模型

DR3M-QUAL（Distributed RoutingRainfall-runoff Model）是美國地質勘探局（USGS）于1982年推出的可模擬城區降雨徑流量和水質的物理概念分布式模型。適用于小城市區域。模型功能與STORM類似。目前幾乎被STORM取代。從項目實踐來看。模擬效果一般。在校核預測方面存在較大的誤差。如Thonms將DR3M-QUAL應用于新墨西哥阿爾布開克一個32 hm2的城市區域，進行徑流量和洪峰流量的模擬和驗證。結果表明。徑流量和洪峰流量的模擬值和實測值分別相差29%和37%。

2.4MOUSE模型

MOUSE（Model for Urban Sewers）是丹麥水力學研究所（DHI）在1984年開發的用于模擬城市徑流、管道水流的城市暴雨徑流模型。1994年增加了污染物模擬模塊MOUSETRAP。目前，MOUSE主要用于預測城市管網中水位的變化。為LID設計提供依據。以及對比研究LID不同管理模型對污染物凈化效率。如在北京奧林匹克公園排水設計中，通過應用MOUSE模型為奧林匹克中心防洪、防積水提出了建設性意見。endprint

2.5 Info Works模型

hffo Works是英國Wallingford公司于1997年開發的用于研究城市排水系統的水文水質計算機模型，主要用于城市給排水、污水系統、河流以及海岸工程的規劃設計等領域。目前。國內針對LID設施評估運用廣泛的Into Works模型為Into WorksCS，主要設計單元如圖3所示。該模型應用廣泛。曾用于模擬荷蘭托倫（Tholen）的排水管網，分析溢流現象。國內應用實例包括建立香港島InfoWorksCS模型，對香港島污水管網系統進行總體規劃設計。建立上海市總管水力模型和蘇州河南岸主要的InfoWorks CS模型，對上海市排水體制選擇、面源污染控制規劃的制定提供了技術支持。

2.6SUSTAIN模型

SUSTAIN（System for Urban Stormwater Treatment and Analysis IntegrationModel）是在美國環境保護署（USEPA）資助下。由Tetra Tech自2003年開始研發的暴雨管理決策支持系統。SUSTAIN以ArcGIS為基礎平臺，實現了不同尺度流域中暴雨管理方案經濟性和有效性的評估和分析。SUSTAIN采用模塊結構進行系統設計。系統框架如圖4所示。可應用在區域、流域及社區等不同尺度的評估模擬，如J.G.Lee等應用SUSTAIN模型對堪薩斯州的一個面積約為40.5 km2的城市區域進行敏感性模擬分析；施明言應用SUSTAIN，模擬臺灣地區鳶山堰集水區內設置的LID設施對非點源污染的削減效益等。

2.7SWC模型

SWC（National Stormwater Calculator）是2014年由USEPA發布的城市雨洪管理計算機模型程序。主要用于分析達到控制目標相對應的LID設施類型和面積以及城市降雨徑流比例關系。適用于土壤均勻、場地規模較小的環境中。國內學者用SWC模型模擬浙江省嘉興蔣水港的徑流分析。評價LID技術徑流量潛力罔。由于該軟件的使用需要獲取大量前期基礎性資料。故對不同地區的推廣使用存在一定局限性。

3.雨洪管理模型比較

SWMM，STORM，MOUSE，Info Works、SUSTAIN、SWC等雨洪管理模型現廣泛應用于LID管理實踐中（DR3M-QUAL模型現幾乎已被STORM模型取代。不在此討論）。在全國大力建設“海綿城市”的背景下，相關從業人員需深入認識目選擇合適的模型來評估其實施效果。表1從模型類型、輸入輸出數據、適用范圍等角度，對上述雨洪管理模型進行對比，使用者可根據實際情況進行選擇。

由表1可知。各模型操作難易程度不一，適用于不同領域。

1）SWMM主要用于場地規劃和設計、雨水設備或構筑物的設計及科學研究。模型對污染物的生化反應模擬能力較差，更加適用于多種土地利用下墊面情況。用戶可以免費使用并獲得源代碼對模型進行定制。其開發時間較早。對InfoWorks、MOUSE的開發具有一定借鑒意義。

2）STROM主要用于土地利用規劃和初步設計。模型結構簡單，可分析雨水中總固體懸浮物（TSS）、生化需氧量（BOD）、總氮（TN）、總磷、沉淀物質和大腸桿菌等6類污染物的分布情況，但不能對污染物進行轉化分析，不能用于模擬連續時間尺度場景，與ArcGIS的耦合松散。

3）MOUSE主要用于場地規劃和設計、雨水設備或構筑物的設計以及管道水位、水質、水體污染的研究。并且可以模擬BMP。應用于LID非結構設施中凈化污染物效率之間的對比。相對于其他模型。只有MOUSE可以進一步檢測LID對水體凈化的效果。但模型操作起來相對復雜。需要支付一定費用。

4）Info works主要用于場地規劃或初步設計。模型具有強大的可視化界面。與ArcGIS、Auto CAD等軟件耦合性高。可實現多領域間的高效合作，但模型結構復雜，基礎數據獲取繁復，與SWMM模型比較。對操作人員的專業要求更高。

5）SUSTAIN主要用于場地規劃或初步設計。模型可評估LID，BMP設施在不同雨型下對地表徑流的影響。從中找出最佳管理方案。不足之處是模型受原始模擬組件的局限性影響。且使用者需熟練掌握模型的主要模擬組件（AreGIS、雨洪模型、LID/BMP技術）。目前雖然在1.2版本上開發了非ArcGIS版本，一定程度上簡化了模型運行的復雜性。但其基礎資料需求量大、數據精度要求高、參數眾多且操作過程復雜。模型運行穩定性也有待改進。

6）SWC主要用于場地規劃或初步設計，是建立在強大數據庫下的簡化模型。操作簡便，易于推廣。但由于模型內嵌美國城市氣象數據。在使用過程中，需選擇與研究地氣候相近的城市，計算數據精確性不高。此外。由于模型本身為內嵌多模型的簡易計算模型，具有一定的誤差，影響模擬結果精確性。

4.討論與展望

以上7種雨洪管理模型都適用于LID開發的單因素評估模擬，但沒有任何一個模型可以實現全面模擬LID。近兩年來，隨著“海綿城市”的大力推廣與建設。更一步凸顯了基于LID開發的雨洪管理模型的應用價值。但模型在應用范圍、過程描述、模型的可靠性和準確性、預測污染物的種類、軟件的簡化和集成能力等方面還存在一定的局限性。同時。這7種模型均由歐美國家開發，參數單位采用英制單位，內嵌數據也基于各國國情。建議以上文7種模型為模板。對其進行本地化和性能優化。以適應我國不同地區的具體情況。擴大在國內的應用范圍。如2008年我國學者趙東泉等自主創新開發暴雨管理與評估系統數字排水平臺（Digtal Water DS）。通過將SWMM與GIS緊密集成，實現暴雨管理的模擬分析，輔助BMP措施的設計與評估，并將其應用在澳門半島和北京市的非點源污染的評估和管理中。又如深圳光明示范區的SWMM模型，能夠有效模擬并預期華南地區暴雨來臨時研究區的雨洪情況。這些實踐均為將上述模型與我國不同地區實際情況相結合的積極探索。endprint