发布时间 : 星期三 文章相关城市防洪模型更新完毕开始阅读
针对城市化进程对城市降雨径流所产生的影响在国内外有广泛的研究，以满足城市排水、防洪等多方面的要求。这些研究主要集中在城市化对城市降雨特性（均值、雨强等）的影响及其产生原因，城市化对径流特性的影响及其产生的原因等方面。针对城区产汇流机制的研究，美、英、法、德等发达国家从六十年代起开始研制城市雨洪模型，并且取得了较大的进展。他们在七十年代初提出了几种通用的雨洪模型，并在其后的实际应用与深入研究中得到完善。这些模型包括雨洪管理模型(SWMM)，美国辛辛那提大学CURM模型，伊里诺排水模型(ILLUDAS)，水文计算模型(HSP)，蓄水、处理与溢流模型(STORM)，沃林福特模型(WALLINFORD)等，其基本组成见图1。这些模型可以根据使用者的要求，更为确切的模拟水文和水质变化的过程。其中几个常用模型的特点如下：
气象资料 输入 程序 土地性质 输送/滞蓄 其它 模型 程序
输入/输出控制；算法；资料处理；作图；统计 输出 程序
水文/水力要素： 洪峰、洪量、水位、流量过程线、淹没情况等 水质要素： 最大浓度；累计输送量、污染过程线等 其它要素： 年平均洪灾损失、年平均费用、益本比等
图1 城市雨洪模型的基本组成
(1)雨洪管理模型(SWMM)
此模型于1971年由美国环保局提出。EPA的SWMM是一个内容相当广泛的城市暴雨径流水量和水质预报模拟模型。在后来的一个SWMM修改本中，包括了水力学设计模块。对于在SWMM汇流部分所考虑的管道流动演算，采用了修正非线性运动波近似。使用连续方程和曼宁公式，其中假设用阻力坡度今代替
S，并假设水流在每一时间段内恒定。SWMM可以用于模拟城市雨水管网和合流制管网系统的水量与水质。模型由五个子程序组成。每一部分都有其专门的功能，其计算结果都存入数据存储空间，以便其他程序块需要时可以调入。模型的主程序称为执行程序块，在开始运行和计算结束时要运行这一部分，它还可以完成全部的与其他程序块之间的连接工作。径流程序块用曼宁公式对均匀降水演算地表漫流过程，通过边沟和支管汇入到排水干管，再从出水口排到受纳水体。这个程序块还能给出与时间有关的污染过程线。传输程序块可以确定早流水质和水量，确定计算系统的入渗损失和水质。通过演算合流制旱流流量和入渗流量，可以计算两个对比方案的蓄水池占地，投资，运行和管理费用。确定水质的程序块包括在蓄水程序块当中。蓄水程序块允许用户定义或选择一定截流倍数的污水处理设施。根据需要，它还可以模拟污水通过被选择处理流程的水文过程线和污染过程线的变化。受纳水体程序块中模拟排水系统排出的雨，污水对受纳水体水力学和水质的影响。它把受纳水体作为由渠道连接的接点网络。管网水流的水力学由受纳水体程序块模拟。
(2) 芝加哥流量过程线法（CHM）
芝加哥流量过程线法采用的基本方程和计算过程如下：
当采用合成暴雨作为设计暴雨时，那么对于任何所希望的暴雨频率，根据暴雨强度公式都能生成合成暴雨，当时采用了如下形式的方程式：
为了计算合成暴雨，使用了暴雨雨峰系数。这个系数是常数，并定义为任何假设暴雨历时，从降雨开始到雨峰的时间间隔与总降雨历时的比值，并给出了无量纲的典型合成暴雨分布图，根据芝加哥的暴雨分析，雨峰系数r为3/8。
为了计算渗水地表面积上的净雨，要从降雨中减去土壤的渗水能力。渗水区域的渗水能力由霍顿公式中初始的和最终的渗水能力和衰减系数关系计算。
计算地表漫流的方法对于渗水和不渗水面积是相同的。假设当净雨达到所给的平均蓄水深度200%的深度时，所有的洼地蓄水被充满，地表漫流用正弦曲线关系近似。地表漫流流量过程线由在坡地上演算地表漫流来计算。
雨水流量过程线由从透水和不透水面积的地表漫流流量过程先通过道路边够汇流来计算。应注意地表漫流流量过程线被表示成单位径流率，因此在计算时应乘以排水面积。在边沟中有效蓄水量有限，因此应以不大于15min的时间间隔
进行计算，以使边沟演算计算稳定。
所给定管段的设计流量过程线可由本段雨水口流量过程线和与该管段连接的所有上游管段的流量过程线相加来计算。用设计流量过程线的峰值乘以该管段汇水面积的降雨强度衰减系数，以获得设计流量。根据设计流量和所选定的水力坡度进行水力计算，以便确定排水管道的市售管径尺寸。
下游端流量过程线由演算该管段上游端的设计流量过程线来计算。 (3)英国沃林福特模型（WALLINGFORD）
该模型由水力学研究站，水文学会和气象局于1974-1981年在英国推行。该方法将每个子流域分为：确切表面、屋顶及透水区三部分。在计算各种表面产流时，必须先计算流域总的出流百分率，以确定各地表的处理率。它由四种方法组成：1）沃林福特合理化方法：适用于草拟设计或用于150公顷以下面积情况。它可以手算和计算机计算两种形式，后一种形式包含有模拟雨水溢流设备。2）沃林福特过程线方法：这是以计算机为基础，分开模拟地面和地面以下阶段径流状态的方法。它可以用于设计和模拟两种类型情况，并且可以考虑到雨水溢流以及在管线上和不在管线上的滞洪水池及泵站作用。3）沃林福特优化方法：它以计算机为基础，采用离散型动态规划技术获得与最小工程造价有关的管径、埋深及坡度。4）沃林福特模拟程序：这是以计算机为基础的方法，可以用来检验超载条件下，现有系统和计划设计系统的运行情况，亦可考虑到暴雨溢流口，排水系统在管线上与不在线上滞洪水池和泵站的作用。
(4) 城市雨水管道计算模型（SSCM）
城市雨水管道计算模型是我国第一个完整的雨水管道径流计算和设计模型。它由暴雨、地面产流、地面汇流、管网汇流和雨水管道设计等子模型组成，主要用于城市雨水管道系统的设计和校核，也可作为城市雨洪模拟模型，用于城市雨洪的控制和雨水污染防治等[35]。
该模型根据城市降雨径流的基本规律，模拟地面及雨水管渠中的水流运动过程，得到各点的流量过程线及洪峰流量、径流总量等，从而可以进行雨水管道系统的设计校核。模型分为三个部分，即暴雨计算、雨水径流模拟、雨水管道系统设计和校核。
雨水管道设计和校核中，一般采用设计保养计算设计流量。完整的设计暴雨，
应包括一定历时内的暴雨总量及其时空分布。城市汇水面积一般较小，空间变化常常忽略，但暴雨强度的时程变化即使在较短历时内也是非常明显的，对洪峰流量及流量过程线都有显著影响。推理公式中假设雨强均匀，是造成误差的主要原因，因此模型中采用变雨强过程。
地面产流计算：首先根据管网布置和地形情况，划分各个节点所对应的汇水子区域面积，每个子区域分为透水区和不透水区两部分。不透水区的降雨损失有填洼、缝隙下渗等，产流采用变径流系数法，也可采用美国土壤保持局的方法；透水区的损失主要为入渗量，采用霍顿下渗公式来计算。最后得出各个子区域的净雨过程。
地面汇流过程：每个子区域的径流过程通过地面汇流计算转化为地面入流过程。计算中采用面积-时间曲线法（等流时线法），考虑到坡面汇流的非线性的特点，采用一种随雨强而变的变动面积-时间曲线法。
管网汇流计算：在回水影响不严重，精度要求不高的管网计算中，流量过程在管渠中的传播可采用简单的过程线漂移法（流量过程线滞后叠加法）；当精度要求较高时，可采用明渠非恒定流计算方法（扩散波法）。模型中不考虑压力流，也不考虑环状管网。
（5）城市雨水径流模型（CSYJM）
城市雨水径流模型（CSYJM）根据城市雨水径流的特点，把径流过程分为地表径流和管内汇流两个阶段。降雨经过地面径流从雨水口进入雨水管网，模型可以计算出雨水口流量过程线，并作为管网的输入。在管网各雨水阔输入已知的条件下，采用非线性运动波演算管网的汇流过程。该模型可以作为设计、模拟和排水管网工况分析的有用工具。
可以采用实测降雨过程线和上面介绍的合成设计降雨过程线作为输入。该模型没有均匀降雨的假设，可以根据计算精度确定计算时段长度。
该模型允许用户选择扣损方法，包括加权平均径流系数、变径流系数、初损后损方法和Horton入渗方程法，并介绍了实测入渗率的方法。
根据降雨过程线和所选定的扣损方法，模型可以计算出净雨过程线。当入渗率大于降雨强度时，模型假设净雨强度为零。
根据北京百万庄小区11年的降雨径流观测资料，研究发现采用瞬时单位线
模拟汇水面积小于105m2 的城市区域地表条件下的地表出流过程与实际观测值十分接近。因此模型选用瞬时单位线法生成雨水口流量过程线。可根据典型区域的实测降雨径流资料计算瞬时单位线参数n与k。在无当地瞬时单位线参数时，模型建议n=0.7～1.0，k=7.0～15.0min。该模型也可以选择等流时先法计算雨水口流量过程线。模型采用非线性运动波演算方法模拟管网汇流过程。
目前，世界上已有适宜不同用途的城市暴雨模型上百种，其中许多著名模型都来自美国的公共研究机构，其次是英国、澳大利亚和德国等发达国家。这些模型主要在暴雨设施规划、设计及改扩建领域广泛应用，因为运行管理需要考虑的因素比较复杂，并且难于收集实时资料和大量详细的基础资料，所以真正适用于运行管理的模型很少。当前的城市暴雨模型几乎没有考虑系统可靠性，风险分析以及经济分析，把这些因素整合到模型中将成为今后城市暴雨模型研究的趋势。我国关于城市暴雨模型的研究起步比欧美发达国家晚20多年，在借鉴国外先进的排水系统模拟方法的同时，加快我国排水工程建设的关键是从体制上解决资金的筹集和投入，我们应该注重观测资料的收集和排水基础数据库的建立，自主开发暴雨模拟模型的核心技术方法，以建立适合我国国情的暴雨管理模型，充分发挥科技进步对城市排水系统建设管理的推动作用，从而更科学理性地建设和管理城市排水系统。