低影响开发的7种城市雨洪管理模型
李玥 俞快 程娘珠 佘美萱
摘要：现代城市降雨径流量增大、峰值增加和径流面源污染等问题日益严峻，国外以“尊重自然、结合自然”为核心理念的低影响开发（low Impact DeveIopment，LlD）雨洪管理模式已取得一定成效。以国外应用于LID的7种城市雨洪管理模型为研究对象，概述其模拟原理、方法和适用范围。通过比较分析，表明：7种雨洪管理模型都适用于LlD设施单因素评估模拟，但没有一种模型可以全面模拟LID设施。
关键词：雨洪管理模型；低影响开发；应用；综述
传统雨水管理措施无法解决由于城市开发而导致的雨水径流量增大、峰值流量增加以及径流污染等问题，采用低影响开发管理模式（Low Impact Development，LID）可有效缓解以上城市发展问题，实现城市与自然的和谐相处。
1.低影响开发模式
低影响开发是一种新型的雨洪管理模式。始于20世纪90年代初的美国马里兰州。LID是在排水最佳规划模式（Best Management Practices，BMP）基础上提出的新概念，BMP是指为预防和减少土地开发利用对环境造成的负面影响而采取的一系列措施和方法。为适应城市高速发展和扩张，LID在BMP基础上应运而生，其核心理念是维持场地前后水文特征不变。包括径流总量、峰值流量、峰现时间等。相关研究显示：LID可减少约30%-99%的暴雨径流，延迟5-20 min的暴雨径流峰值，有效去除雨水径流中的磷、油脂、氮、重金属等污染物。并能中和酸雨。
2012年，我国在LID基础上形成“海绵城市”理念，旨在应对城市发展过程中出现的水资源缺乏、雨水径流污染和暴雨洪涝灾害等雨水问题。LID与海绵城市对应的根本目的和降雨重现期不同，LID强调雨水径流的源头削减，应对日常较小的降雨量。重现期一般小于2年；而海绵城市针对所有重现期的降雨。包含面源污染控制、雨水排放、雨水收集利用、内涝防治和城市防洪5个层面内容。应对不同重现期。海绵城市可采用不同的LID技术设施组合以达到不同的雨水控制效果。
LID的实施包含两种措施。即非结构性和结构性措施。非结构性措施，包括街道和建筑合理布局等；结构性措施。包含湿地、生物滞留池、绿色屋顶及其他小型辅助设施。根据雨情和设定标准。结合水文/水质，水力模型进行模拟预测。确定实施参数（图1）。LID已在美国、英国、澳大利亚、日本等国家城市全面开展。
2.LID的7种雨洪管理模型
在现有40多个城市雨洪管理模型中。选择7种应用于LID的雨洪管理模型进行概述：SWMM、STORM、DR3M-QUAL，MOUSE，InfoWorks，SUSTAIN、SWC。
其中SWMM、STORM、DR3M-QUAL模型发布于20世纪70-80年代；MOUSE、Info Works模型为第二代商用雨洪管理模型，发布于20世纪80-90年代；SUSTAIN、SWC发布于21世纪初。为集成模型。SWMM模型已对原版本更新，应用最为广泛，但国内对于其在LID设施设计及效果评价中的应用尚处于起步阶段。DR3M-QUAL模型现今几乎已被STORM取代，使用频率比较低。
2.1 SWMM模型
SW/VlM（Stormwater Mrdnagement Model）是美国环境保护署（USEPA）在1969-1971年开发的城市暴雨管理模型，可以模拟城市降雨径流和多种污染物的累积、冲刷现象。并通过传输系统来实现水文、水力及水质方面的模拟。还能以多种形式输出结果（图2），因而应用广泛。
SWMM5.0中增加了LID模块。可模拟生物滞留、渗透沟渠、渗透铺装、雨水罐、植被浅沟5种常见LID设施，实现对场地径流量、峰值流量及径流污染控制效果的模拟。其他LID措施（如过滤带、下凹式绿地、绿色屋顶等技术）均可经参数变换等相应处理后再进行模拟。最新版本SWMM5.1.8中新增雨落管断接这种LID设施。
SWMM模型能够对LID雨洪管理技术的推广应用提供有效的技术支撑。如在深圳市光明新区国家LID示范区内对已建LID市政道路的模拟结果可说明，相比传统道路设计方法。LID设计道路能够有效削减年雨水径流总量和典型场降雨的峰值流量。
2.2STORM模型
STORM（Storage Treatment Overflow RunoffModel）是1973年由美国陆军工程兵团工程水文中心（HEC）发布的城市暴雨径流计算机模型。主要用于LID设施的水量、水质模拟等方面的研究。20世纪90年代。Warwick等人通过STORM模拟分析德克萨斯州达拉斯一个居民区的径流和水质，但模拟效果并不理想。M.D.哈斯维纳等人用STORM模拟摩洛哥穆卢耶（Moulouya）河上游某一近500 km2的乡村地区的雨水收集过程.分析洪水、泥沙输移影响.结果表明，雨水收集能明显减缓洪水强度，减少洪水量以及缓解泥沙淤积。
2.3DR3M-QUAL模型
DR3M-QUAL（Distributed RoutingRainfall-runoff Model）是美国地质勘探局（USGS）于1982年推出的可模拟城区降雨径流量和水质的物理概念分布式模型。适用于小城市区域。模型功能与STORM类似。目前几乎被STORM取代。从项目实践来看。模拟效果一般。在校核预测方面存在较大的误差。如Thonms将DR3M-QUAL应用于新墨西哥阿尔布开克一个32 hm2的城市区域，进行径流量和洪峰流量的模拟和验证。结果表明。径流量和洪峰流量的模拟值和实测值分别相差29%和37%。
2.4MOUSE模型
MOUSE（Model for Urban Sewers）是丹麦水力学研究所（DHI）在1984年开发的用于模拟城市径流、管道水流的城市暴雨径流模型。1994年增加了污染物模拟模块MOUSETRAP。目前，MOUSE主要用于预测城市管网中水位的变化。为LID设计提供依据。以及对比研究LID不同管理模型对污染物净化效率。如在北京奥林匹克公园排水设计中，通过应用MOUSE模型为奥林匹克中心防洪、防积水提出了建设性意见。
2.5 Info Works模型
hffo Works是英国Wallingford公司于1997年开发的用于研究城市排水系统的水文水质计算机模型，主要用于城市给排水、污水系统、河流以及海岸工程的规划设计等领域。目前。国内针对LID设施评估运用广泛的Into Works模型为Into WorksCS，主要设计单元如图3所示。该模型应用广泛。曾用于模拟荷兰托伦（Tholen）的排水管网，分析溢流现象。国内应用实例包括建立香港岛InfoWorksCS模型，对香港岛污水管网系统进行总体规划设计。建立上海市总管水力模型和苏州河南岸主要的InfoWorks CS模型，对上海市排水体制选择、面源污染控制规划的制定提供了技术支持。
2.6SUSTAIN模型
SUSTAIN（System for Urban Stormwater Treatment and Analysis IntegrationModel）是在美国环境保护署（USEPA）资助下。由Tetra Tech自2003年开始研发的暴雨管理决策支持系统。SUSTAIN以ArcGIS为基础平台，实现了不同尺度流域中暴雨管理方案经济性和有效性的评估和分析。SUSTAIN采用模块结构进行系统设计。系统框架如图4所示。可应用在区域、流域及社区等不同尺度的评估模拟，如J.G.Lee等应用SUSTAIN模型对堪萨斯州的一个面积约为40.5 km2的城市区域进行敏感性模拟分析；施明言应用SUSTAIN，模拟台湾地区鸢山堰集水区内设置的LID设施对非点源污染的削减效益等。
2.7SWC模型
SWC（National Stormwater Calculator）是2014年由USEPA发布的城市雨洪管理计算机模型程序。主要用于分析达到控制目标相对应的LID设施类型和面积以及城市降雨径流比例关系。适用于土壤均匀、场地规模较小的环境中。国内学者用SWC模型模拟浙江省嘉兴蒋水港的径流分析。评价LID技术径流量潜力罔。由于该软件的使用需要获取大量前期基础性资料。故对不同地区的推广使用存在一定局限性。
3.雨洪管理模型比较
SWMM，STORM，MOUSE，Info Works、SUSTAIN、SWC等雨洪管理模型现广泛应用于LID管理实践中（DR3M-QUAL模型现几乎已被STORM模型取代。不在此讨论）。在全国大力建设“海绵城市”的背景下，相关从业人员需深入认识目选择合适的模型来评估其实施效果。表1从模型类型、输入输出数据、适用范围等角度，对上述雨洪管理模型进行对比，使用者可根据实际情况进行选择。
由表1可知。各模型操作难易程度不一，适用于不同领域。
1）SWMM主要用于场地规划和设计、雨水设备或构筑物的设计及科学研究。模型对污染物的生化反应模拟能力较差，更加适用于多种土地利用下垫面情况。用户可以免费使用并获得源代码对模型进行定制。其开发时间较早。对InfoWorks、MOUSE的开发具有一定借鉴意义。
2）STROM主要用于土地利用规划和初步设计。模型结构简单，可分析雨水中总固体悬浮物（TSS）、生化需氧量（BOD）、总氮（TN）、总磷、沉淀物质和大肠杆菌等6类污染物的分布情况，但不能对污染物进行转化分析，不能用于模拟连续时间尺度场景，与ArcGIS的耦合松散。
3）MOUSE主要用于场地规划和设计、雨水设备或构筑物的设计以及管道水位、水质、水体污染的研究。并且可以模拟BMP。应用于LID非结构设施中净化污染物效率之间的对比。相对于其他模型。只有MOUSE可以进一步检测LID对水体净化的效果。但模型操作起来相对复杂。需要支付一定费用。
4）Info works主要用于场地规划或初步设计。模型具有强大的可视化界面。与ArcGIS、Auto CAD等软件耦合性高。可实现多领域间的高效合作，但模型结构复杂，基础数据获取繁复，与SWMM模型比较。对操作人员的专业要求更高。
5）SUSTAIN主要用于场地规划或初步设计。模型可评估LID，BMP设施在不同雨型下对地表径流的影响。从中找出最佳管理方案。不足之处是模型受原始模拟组件的局限性影响。且使用者需熟练掌握模型的主要模拟组件（AreGIS、雨洪模型、LID/BMP技术）。目前虽然在1.2版本上开发了非ArcGIS版本，一定程度上简化了模型运行的复杂性。但其基础资料需求量大、数据精度要求高、参数众多且操作过程复杂。模型运行稳定性也有待改进。
6）SWC主要用于场地规划或初步设计，是建立在强大数据库下的简化模型。操作简便，易于推广。但由于模型内嵌美国城市气象数据。在使用过程中，需选择与研究地气候相近的城市，计算数据精确性不高。此外。由于模型本身为内嵌多模型的简易计算模型，具有一定的误差，影响模拟结果精确性。
4.讨论与展望
以上7种雨洪管理模型都适用于LID开发的单因素评估模拟，但没有任何一个模型可以实现全面模拟LID。近两年来，随着“海绵城市”的大力推广与建设。更一步凸显了基于LID开发的雨洪管理模型的应用价值。但模型在应用范围、过程描述、模型的可靠性和准确性、预测污染物的种类、软件的简化和集成能力等方面还存在一定的局限性。同时。这7种模型均由欧美国家开发，参数单位采用英制单位，内嵌数据也基于各国国情。建议以上文7种模型为模板。对其进行本地化和性能优化。以适应我国不同地区的具体情况。扩大在国内的应用范围。如2008年我国学者赵东泉等自主创新开发暴雨管理与评估系统数字排水平台（Digtal Water DS）。通过将SWMM与GIS紧密集成，实现暴雨管理的模拟分析，辅助BMP措施的设计与评估，并将其应用在澳门半岛和北京市的非点源污染的评估和管理中。又如深圳光明示范区的SWMM模型，能够有效模拟并预期华南地区暴雨来临时研究区的雨洪情况。这些实践均为将上述模型与我国不同地区实际情况相结合的积极探索。
摘要：现代城市降雨径流量增大、峰值增加和径流面源污染等问题日益严峻，国外以“尊重自然、结合自然”为核心理念的低影响开发（low Impact DeveIopment，LlD）雨洪管理模式已取得一定成效。以国外应用于LID的7种城市雨洪管理模型为研究对象，概述其模拟原理、方法和适用范围。通过比较分析，表明：7种雨洪管理模型都适用于LlD设施单因素评估模拟，但没有一种模型可以全面模拟LID设施。
关键词：雨洪管理模型；低影响开发；应用；综述
传统雨水管理措施无法解决由于城市开发而导致的雨水径流量增大、峰值流量增加以及径流污染等问题，采用低影响开发管理模式（Low Impact Development，LID）可有效缓解以上城市发展问题，实现城市与自然的和谐相处。
1.低影响开发模式
低影响开发是一种新型的雨洪管理模式。始于20世纪90年代初的美国马里兰州。LID是在排水最佳规划模式（Best Management Practices，BMP）基础上提出的新概念，BMP是指为预防和减少土地开发利用对环境造成的负面影响而采取的一系列措施和方法。为适应城市高速发展和扩张，LID在BMP基础上应运而生，其核心理念是维持场地前后水文特征不变。包括径流总量、峰值流量、峰现时间等。相关研究显示：LID可减少约30%-99%的暴雨径流，延迟5-20 min的暴雨径流峰值，有效去除雨水径流中的磷、油脂、氮、重金属等污染物。并能中和酸雨。
2012年，我国在LID基础上形成“海绵城市”理念，旨在应对城市发展过程中出现的水资源缺乏、雨水径流污染和暴雨洪涝灾害等雨水问题。LID与海绵城市对应的根本目的和降雨重现期不同，LID强调雨水径流的源头削减，应对日常较小的降雨量。重现期一般小于2年；而海绵城市针对所有重现期的降雨。包含面源污染控制、雨水排放、雨水收集利用、内涝防治和城市防洪5个层面内容。应对不同重现期。海绵城市可采用不同的LID技术设施组合以达到不同的雨水控制效果。
LID的实施包含两种措施。即非结构性和结构性措施。非结构性措施，包括街道和建筑合理布局等；结构性措施。包含湿地、生物滞留池、绿色屋顶及其他小型辅助设施。根据雨情和设定标准。结合水文/水质，水力模型进行模拟预测。确定实施参数（图1）。LID已在美国、英国、澳大利亚、日本等国家城市全面开展。
2.LID的7种雨洪管理模型
在现有40多个城市雨洪管理模型中。选择7种应用于LID的雨洪管理模型进行概述：SWMM、STORM、DR3M-QUAL，MOUSE，InfoWorks，SUSTAIN、SWC。
其中SWMM、STORM、DR3M-QUAL模型发布于20世纪70-80年代；MOUSE、Info Works模型为第二代商用雨洪管理模型，发布于20世纪80-90年代；SUSTAIN、SWC发布于21世纪初。为集成模型。SWMM模型已对原版本更新，应用最为广泛，但国内对于其在LID设施设计及效果评价中的应用尚处于起步阶段。DR3M-QUAL模型现今几乎已被STORM取代，使用频率比较低。
2.1 SWMM模型
SW/VlM（Stormwater Mrdnagement Model）是美国环境保护署（USEPA）在1969-1971年开发的城市暴雨管理模型，可以模拟城市降雨径流和多种污染物的累积、冲刷现象。并通过传输系统来实现水文、水力及水质方面的模拟。还能以多种形式输出结果（图2），因而应用广泛。
SWMM5.0中增加了LID模块。可模拟生物滞留、渗透沟渠、渗透铺装、雨水罐、植被浅沟5种常见LID设施，实现对场地径流量、峰值流量及径流污染控制效果的模拟。其他LID措施（如过滤带、下凹式绿地、绿色屋顶等技术）均可经参数变换等相应处理后再进行模拟。最新版本SWMM5.1.8中新增雨落管断接这种LID设施。
SWMM模型能够对LID雨洪管理技术的推广应用提供有效的技术支撑。如在深圳市光明新区国家LID示范区内对已建LID市政道路的模拟结果可说明，相比传统道路设计方法。LID设计道路能够有效削减年雨水径流总量和典型场降雨的峰值流量。
2.2STORM模型
STORM（Storage Treatment Overflow RunoffModel）是1973年由美国陆军工程兵团工程水文中心（HEC）发布的城市暴雨径流计算机模型。主要用于LID设施的水量、水质模拟等方面的研究。20世纪90年代。Warwick等人通过STORM模拟分析德克萨斯州达拉斯一个居民区的径流和水质，但模拟效果并不理想。M.D.哈斯维纳等人用STORM模拟摩洛哥穆卢耶（Moulouya）河上游某一近500 km2的乡村地区的雨水收集过程.分析洪水、泥沙输移影响.结果表明，雨水收集能明显减缓洪水强度，减少洪水量以及缓解泥沙淤积。
2.3DR3M-QUAL模型
DR3M-QUAL（Distributed RoutingRainfall-runoff Model）是美国地质勘探局（USGS）于1982年推出的可模拟城区降雨径流量和水质的物理概念分布式模型。适用于小城市区域。模型功能与STORM类似。目前几乎被STORM取代。从项目实践来看。模拟效果一般。在校核预测方面存在较大的误差。如Thonms将DR3M-QUAL应用于新墨西哥阿尔布开克一个32 hm2的城市区域，进行径流量和洪峰流量的模拟和验证。结果表明。径流量和洪峰流量的模拟值和实测值分别相差29%和37%。
2.4MOUSE模型
MOUSE（Model for Urban Sewers）是丹麦水力学研究所（DHI）在1984年开发的用于模拟城市径流、管道水流的城市暴雨径流模型。1994年增加了污染物模拟模块MOUSETRAP。目前，MOUSE主要用于预测城市管网中水位的变化。为LID设计提供依据。以及对比研究LID不同管理模型对污染物净化效率。如在北京奥林匹克公园排水设计中，通过应用MOUSE模型为奥林匹克中心防洪、防积水提出了建设性意见。
2.5 Info Works模型
hffo Works是英国Wallingford公司于1997年开发的用于研究城市排水系统的水文水质计算机模型，主要用于城市给排水、污水系统、河流以及海岸工程的规划设计等领域。目前。国内针对LID设施评估运用广泛的Into Works模型为Into WorksCS，主要设计单元如图3所示。该模型应用广泛。曾用于模拟荷兰托伦（Tholen）的排水管网，分析溢流现象。国内应用实例包括建立香港岛InfoWorksCS模型，对香港岛污水管网系统进行总体规划设计。建立上海市总管水力模型和苏州河南岸主要的InfoWorks CS模型，对上海市排水体制选择、面源污染控制规划的制定提供了技术支持。
2.6SUSTAIN模型
SUSTAIN（System for Urban Stormwater Treatment and Analysis IntegrationModel）是在美国环境保护署（USEPA）资助下。由Tetra Tech自2003年开始研发的暴雨管理决策支持系统。SUSTAIN以ArcGIS为基础平台，实现了不同尺度流域中暴雨管理方案经济性和有效性的评估和分析。SUSTAIN采用模块结构进行系统设计。系统框架如图4所示。可应用在区域、流域及社区等不同尺度的评估模拟，如J.G.Lee等应用SUSTAIN模型对堪萨斯州的一个面积约为40.5 km2的城市区域进行敏感性模拟分析；施明言应用SUSTAIN，模拟台湾地区鸢山堰集水区内设置的LID设施对非点源污染的削减效益等。
2.7SWC模型
SWC（National Stormwater Calculator）是2014年由USEPA发布的城市雨洪管理计算机模型程序。主要用于分析达到控制目标相对应的LID设施类型和面积以及城市降雨径流比例关系。适用于土壤均匀、场地规模较小的环境中。国内学者用SWC模型模拟浙江省嘉兴蒋水港的径流分析。评价LID技术径流量潜力罔。由于该软件的使用需要获取大量前期基础性资料。故对不同地区的推广使用存在一定局限性。
3.雨洪管理模型比较
SWMM，STORM，MOUSE，Info Works、SUSTAIN、SWC等雨洪管理模型现广泛应用于LID管理实践中（DR3M-QUAL模型现几乎已被STORM模型取代。不在此讨论）。在全国大力建设“海绵城市”的背景下，相关从业人员需深入认识目选择合适的模型来评估其实施效果。表1从模型类型、输入输出数据、适用范围等角度，对上述雨洪管理模型进行对比，使用者可根据实际情况进行选择。
由表1可知。各模型操作难易程度不一，适用于不同领域。
1）SWMM主要用于场地规划和设计、雨水设备或构筑物的设计及科学研究。模型对污染物的生化反应模拟能力较差，更加适用于多种土地利用下垫面情况。用户可以免费使用并获得源代码对模型进行定制。其开发时间较早。对InfoWorks、MOUSE的开发具有一定借鉴意义。
2）STROM主要用于土地利用规划和初步设计。模型结构简单，可分析雨水中总固体悬浮物（TSS）、生化需氧量（BOD）、总氮（TN）、总磷、沉淀物质和大肠杆菌等6类污染物的分布情况，但不能对污染物进行转化分析，不能用于模拟连续时间尺度场景，与ArcGIS的耦合松散。
3）MOUSE主要用于场地规划和设计、雨水设备或构筑物的设计以及管道水位、水质、水体污染的研究。并且可以模拟BMP。应用于LID非结构设施中净化污染物效率之间的对比。相对于其他模型。只有MOUSE可以进一步检测LID对水体净化的效果。但模型操作起来相对复杂。需要支付一定费用。
4）Info works主要用于场地规划或初步设计。模型具有强大的可视化界面。与ArcGIS、Auto CAD等软件耦合性高。可实现多领域间的高效合作，但模型结构复杂，基础数据获取繁复，与SWMM模型比较。对操作人员的专业要求更高。
5）SUSTAIN主要用于场地规划或初步设计。模型可评估LID，BMP设施在不同雨型下对地表径流的影响。从中找出最佳管理方案。不足之处是模型受原始模拟组件的局限性影响。且使用者需熟练掌握模型的主要模拟组件（AreGIS、雨洪模型、LID/BMP技术）。目前虽然在1.2版本上开发了非ArcGIS版本，一定程度上简化了模型运行的复杂性。但其基础资料需求量大、数据精度要求高、参数众多且操作过程复杂。模型运行稳定性也有待改进。
6）SWC主要用于场地规划或初步设计，是建立在强大数据库下的简化模型。操作简便，易于推广。但由于模型内嵌美国城市气象数据。在使用过程中，需选择与研究地气候相近的城市，计算数据精确性不高。此外。由于模型本身为内嵌多模型的简易计算模型，具有一定的误差，影响模拟结果精确性。
4.讨论与展望
以上7种雨洪管理模型都适用于LID开发的单因素评估模拟，但没有任何一个模型可以实现全面模拟LID。近两年来，随着“海绵城市”的大力推广与建设。更一步凸显了基于LID开发的雨洪管理模型的应用价值。但模型在应用范围、过程描述、模型的可靠性和准确性、预测污染物的种类、软件的简化和集成能力等方面还存在一定的局限性。同时。这7种模型均由欧美国家开发，参数单位采用英制单位，内嵌数据也基于各国国情。建议以上文7种模型为模板。对其进行本地化和性能优化。以适应我国不同地区的具体情况。扩大在国内的应用范围。如2008年我国学者赵东泉等自主创新开发暴雨管理与评估系统数字排水平台（Digtal Water DS）。通过将SWMM与GIS紧密集成，实现暴雨管理的模拟分析，辅助BMP措施的设计与评估，并将其应用在澳门半岛和北京市的非点源污染的评估和管理中。又如深圳光明示范区的SWMM模型，能够有效模拟并预期华南地区暴雨来临时研究区的雨洪情况。这些实践均为将上述模型与我国不同地区实际情况相结合的积极探索。
