海綿城市與模型應用

楊周

摘要：城市內澇已成為城市的通病，為解決城市內澇與城市水資源短缺之間的矛盾，提出海綿城市的概念。目前國內海綿城市建設缺乏可借鑒的資料，利用軟件模擬可以控制建設目標的完成情況。本文介紹了三種常用的模型軟件。

關鍵詞：城市內澇；海綿城市；模型應用；

引言

近年來，隨著經濟社會的迅速發展，城鎮化進程的加快，暴雨引發的城市內澇已成為城市的通病。造成城市內澇的主要原因就是城市排水能力和暴雨強度不匹配。目前我國大部分城市排水主要采用地面排水與管道排水相結合的方式，地面多為不透水的硬質地面，城市下墊面不滲透率高，導致城市地表徑流量增加，容易造成城市內澇。同時，我國許多的城市居民用水短缺。為解決城市降雨與城市水資源短缺之間的矛盾，我國提出建設海綿城市。

1 什么是海綿城市？

所謂海綿城市，是指城市能像一塊海綿一樣吸水雨水，并將雨水蓄積、下滲到土壤層下補充地下水，需要時將蓄存的水“釋放”并加以利用，通過滲、滯、蓄、凈、用、排等多種技術，從而使雨水進行循環利用，保證了水生態安全。海綿城市在減少洪澇災害的同時改善現有水資源環境，從而實現生態文明城市建設。

上世紀90年代美國馬里蘭州的一個居住區內建設的雨水花園成為海綿城市最初的雛形為。該雨水花園的目的就是希望用一個生態滯留和吸收雨水的場地來代替傳統的雨水管理系統，這與現在海綿城市建設理念基本一致。后來德國以“高效集水，平衡生態”為原則，鼓勵將雨水進行綜合利用。屋面雨水簡單處理后可以用于家庭企業等非飲用水，道路雨水進行截污后下滲補充地下水，生態小區雨水收集起來用于景觀水景和補充地下水。美國提出了城市雨水資源管理和雨水徑流污染控制的“最佳管理方案”，西北部建有著名的波特蘭雨水花園，運用現代低影響開發技術，不僅成功的解決了雨水排放和初步凈化處理問題，還實現了景觀的美化。日本是一個淡水資源短缺的海島國家，因此極為重視對雨水的收集與利用。早在1980年就開始推行雨水貯留滲透計劃，注重雨水調蓄設施的多功能應用。瑞士、加拿大、新西蘭、澳大利亞、韓國、新加坡等國外城市都有不同形式的雨水管理方案。

2海綿城市的建設

海綿城市的建設是一個系統工程，海綿城市建設包括水系、濕地公園、道路、居民小區等城市各個部分的建設。建設海綿城市要求在有效地緩解城市內澇、削減城市徑流污染負荷的同時，使開發建設后的水文特征與開發前的保持一致，保護和改善城市生態環境。為了實現這一目標低影響開發理念應運而生。低影響開發是通過分散的、小規模的源頭控制機制和設計技術，來實現對暴雨產生的徑流和污染的控制。低影響開發強調開發建設應減小對環境的影響，將自然途徑與人工措施相結合，將城市景觀設計與“雨洪控制”相結合，構建與自然相適應的城市排水系統。海綿城市在確保城市排水防澇安全的前提下，最大限度地實現雨水在城市區域的滯蓄、滲透和凈化，促進雨水資源的利用和生態環境保護。

3海綿城市的模型應用

2015年海綿城市建設的16個試點城市中已經有10個出現了城市內澇，2016年建設的14個試點城市中有9個出現了內澇。海綿城市建設導則中明確規定其徑流削減目標為解決80%～85%的降雨量，在面對目標以外的較大重現期降雨事件時，僅靠低影響措施是沒有能力處理降雨產生的所有地表徑流，所以還需要建設灰色設施共同排洪。只有兩種措施配合使用才能有效解決城市的內澇問題。地上的低影響措施和地下的灰色排洪措施如何搭配，成為海綿城市建設需要考慮的問題。目前國內海綿城市建設缺乏有效的可借鑒的資料，盲目建設必然將付出代價，利用計算機模型模擬不僅可以控制建設目標的完成情況，還能在工程經濟方面設計出最優配置。計算機模型的應用在海綿城市建設中具有不可替代的作用。下面介紹幾種常用模型。

4SWMM模型

SWMM模型是美國環保署為設計和管理城市雨水而研制的一個水文模型。目前是世界上最主要的模擬軟件，廣泛應用于城市非點源污染、城市雨洪的模擬計算。SWMM是動態的降雨徑流模擬模型 ，它可以模擬完整的城市降雨徑流和污染物運動過程，包括城市降雨徑流運動過程和 BOD、COD、總磷、總氮等8種污染物的遷移擴散過等功能。SWMM 強大的排水系統模擬功能可以應用于城市排水系統規劃方案的改進和評估，還可用于海綿城市的規劃和設計。SWMM 5.0版本之后增加了LID模塊，可模擬五種常見的低影響開發措施。近年來，國內出現了許多利用 SWMM 模擬低影響開發設施的研究，先對研究的區域構建SWMM模型，通過對LID措施的不同空間布置和組合方式的模擬，評估其的雨洪控制效果，在考慮其經濟性后，最后獲得最優化的配置結果。

5MIKEURBAN模型

MIKE URBAN是丹麥水力研究所開發的雨水系統模擬軟件包，MIKE URBAN將ESRI的ArcGIS、排水管網系統CS和給水管網WD整合在一起，形成了一套城市管網模型。可用來實現計算雨水徑流、實時監控和SCADA系統的在線分析。MIKE URBAN模型的工程文件采取Geodatabase數據庫作為存儲格式，MIKE URBAN與GIS具有天然的聯系可以為其提供強大的GIS功能。與其他模型相比，MIKE URBAN 具有較高的技術集成度，廣泛的數據接口，建模與運行簡單、精準等優點，許多發達國家已經把該模型應用于城市排水管網的模擬評估。

6InfoworksICM模型

InfoworksICM模型（城市綜合流域排水模型）是由Wallingford軟件公司開發的，世界上第一款城市排水管網及河道的一維水力模型。InfoworksICM模型以自行開發的水文模型為核心，可以完整模擬城市雨水循環系統，實現了城市排水管網系統模型與河道模型的耦合，可以模擬地下排水管網系統與地表受納水體之間相互作用的情況。通過對排水系統中檢查井、管道、泵站以及其他排水構筑物的流量、水位、流速、充滿度以及泵的啟閉等時間序列進行模擬，模擬結果可以顯示當前排水管網系統的工作狀態，分析排水管網是否出現溢流的情況，為排水系統的擴建和海綿城市的建設提供了可靠的依據。

7結語

城市傳統方式的排水方式已經與現在的降雨強度不匹配了，為了解決城市的內澇問題建設海綿城市勢在必行。目前我國缺乏海綿建設的經驗和資料，盲目的建設必然會出現問題，計算機模型模擬成為了海綿城市建設必不可少的工具。模型模擬不僅能夠重現排水管網系統現在運行狀況，找到城市排水管網系統的“瓶頸”所在，還可以模擬出海綿城市改造后的運行情況。能夠模擬不同下墊面條件下的產匯流計算，模擬匯水區域調蓄、滲水、凈水、排水過程，保障海綿城市的實施效果。為城區洪澇預報、監測及風險評估提供參考，進而為城市的雨水管理優化提供科學依據。

參考文獻：

[1]俞孔堅，李迪華，袁弘，等.“海綿城市”理論與實踐[J].城市規劃，2015，（6）：26-36.

[2]張紅旗.排水管網水力模型與地理信息系統（GIS）集成技術研究[D].北京工業大學，2009.endprint