城市雨洪排水系统模型研究及应用

城市排水系统的产生及发展与工业化及城市化的进程密不可分，其发展进程大致可以分为以下几个阶段:

（1）创建阶段。19世纪中期西方国家的工业和城市迅速发展，为了避免水污染所带来的疾病威胁，先后发展了城市排水系统。但由于早期的城市排水系统只局限于建造管渠工程，收集、输送污废水及雨水，并直接排入水体，造成了城市河流水体的大量污染。

（2）发展阶段。自21世纪60年代开始，西方国家早期排水系统所导致的城市水环境恶化问题日益严重。以美国、日本为首的部分国家在城市排水系统规划设计时，采取了“点源”治理措施，具体就是铺设城市污水管网，改已往的雨、污合流制排水系统为雨、污分流制排水系统，并建造污水处理厂，城区污水先治污后排放，以确保城区河流的水体水质。

（3）暴雨雨水管理阶段。为进一步改善城市河流水体水质，自20世纪70年代起部分国家在城市排水系统设计时除考虑将以往排水系统改制外，还强化了暴雨雨水管理意识。采取“非点源”措施减少汛期雨洪径流量，在排水系统上游的各子流域内，采取工程措施增加雨水渗透，或建雨水调蓄池以延长雨洪排涝时间，达到削减洪峰以及净化雨水的目的。近期随着城市水资源量的短缺和由暴雨雨洪所导致的城市环境及生态问题日益突出，以美国为首的部分国家采取BMPs（Best management practices）的方法用于城市暴雨管理，具体就是改变以往将城市暴雨尽快排除的思路，将城市暴雨作为城市水资源来源之一，加以综合利用。

近年来，随着世界性城市化引起雨洪水涝灾害的突出，人们开始对城市防灾予以关注，并由于电子计算机技术的飞速发展，城市雨洪排水系统研究也进入了一个蓬勃发展阶段。

对城市雨洪排水系统的研究包括水文学方法和水力学方法，这两种方法在解决城市雨洪排水某些方面都有另一种方法不可比拟的优点，因此两种方法在研究城市雨洪排水系统中常常交织在一起，难以完全分裂开来。

从水文学的角度来讲，城市雨水径流过程研究可以分为三个阶段:

1850—1967年为形成城市水文学的孕育阶段，基本上是运用一些常规定水文学方法来解决有关城市水文问题，如推理公式、下渗曲线、单位线等方法。在1967—1974年期间，建立了一些具有特色的分析方法，先后提出了一些适用于不同问题的、大型综合性的模拟模型，经过试用修正，形成了几个通用性很强的模型软件包，如STORM、SWMM和ILLUDAS等，这个时期被称为“方法研制时期” （Tool making），是城市水文研究发展最快并逐渐形成独立学科的时期。1975年以后，进入较为定型成熟的阶段，主要的工作是应用、推广和完善上述一些通用模型程序，称为 “方法推广时期” （Tool wielding）。水力学方法研究基本上与水文学方法同步，特别是第二阶段开始，水力学的方法在城市径流过程的研究中占据了主导地位。

水力学的方法主要运用在城市管道和渠道的计算中，城市排水管道的径流过程研究发展分为以下几个阶段:

60年代以前排水系统内流动的计算主要是为雨洪排水管道设计服务，一般采用设定洪峰流量的恒定明渠流解法。原则是设计洪水能够全部以明渠流的形式通过排水管网。设计洪水的洪峰流量一般由水文学方法确定，而排水管网中管道断面几何尺寸则通过简单的恒定均匀明渠流计算来求得。

从60年代到80年代，基于简化的非恒定流方法的近似洪水演进计算模型有较大的发展，如运动波模型，其不足之处是无法计入动力影响，难以应用于下游壅水的情况。(www.xing528.com)

80年代，计算机的飞速发展使得在雨洪管网计算中能够采用更复杂的非恒定流数学方程更加明确定义的边界和初始条件。城市水文学的进步也为排水管网的入流条件提供了更准确详尽的资料。这两点都推动了排水管网计算中使用非恒定流方程的完整形式。

总体上，雨洪排水管网径流数值计算方法的历史发展可以分为以下三个阶段:

（1）恒定流计算法:一般采用推理公式法来计算洪峰流量。据称是由Mulavany1850年首次运用，以后得到广泛的发展和应用。

（2）简化的非恒定流计算法:基于运动波或扩散波方程的解法。相应的计算雨洪过程线时采用单位线方法。Cunge（1969）和Bettess和Price（1976）等人对基于运动波方程的解法进行过研究。Ali Osman Akan和Ben Chie Yen （1981）采用扩散波法求解并与其他解法进行比较，Ben Chie Yen （1986）对排水管内流动计算中的许多问题，包括已有的各种解法及其历史发展进行了详尽的综述。在这阶段由于计算机的内存、计算速度的限制，所作的简化比较多，模拟的精度不高。

（3）非恒定流计算法:基于质量守恒和动量守恒方程的完整形式，与之相匹配的是采用先进的洪水预报方法和数值计算方法。如M.B.ABBOTT 采用六点隐式差分格式。Choi和Molians（1993）采用隐式有限差分格式。Sivalogannathan采用特征线法求解完整形式的动力波方程。

通过大量阅读国内外的相关文献，归纳与分析可知，模拟城市雨水管理效果的软件模型大概有40多种，其中10种模型目前最为常用，其功能特征见表1-1。

表1-1　常见模拟城市雨水管理效果模型简介

我国对城市雨洪径流模型的研究起步较晚，目前已有一些结合我国实际的研究成果问世。如岑国平在80年代根据北京市百万庄小区的实测资料，用ILLUDAS模型做了一些检验。并于1990年提出了城市雨水径流计算模型，这是我国最早自己开发程序对城市雨水径流进行比较精确的模拟模型。90年代周玉文等人开展了一些城市流域地表径流过程的研究。1998年河海大学徐向阳等人提出了平原城市雨洪过程模拟模型，采用的方法主要参考了英国的沃林福特程序。中国水利水电科学研究院曹韵霞等利用美国的SWMM 软件模拟了北京市城区的防洪排水。1997年清华大学李玉庆在其学位论文中称其在国内首先探讨了暴雨期间城市排水系统内非恒定流动的数值模拟，其中强调他们采用明窄缝概念解决了雨水管道明、满流动交替出现的统一求解，但其对于管道的明、满流并没有深入研究，有些问题还值得探讨。近年来随着3S技术在水利、环保以及城建领域中的运用，许多城市正在开发基于3S技术的城市雨洪管理系统，如北京市的城市雨洪实时调度模型，针对上海市城市内涝所开发的城市暴雨积水预报系统等。