工業(yè)純水設(shè)備解析海綿城市建設(shè)的典型雨洪模型大全
【純水設(shè)備www.zzdsjc.com】隨著我國城市化進(jìn)程的加快，城市底層地表?xiàng)l件發(fā)生了很大的變化，城市發(fā)展過程中的洪水災(zāi)害和水污染日益突出。在此背景下，國家提出建設(shè)海綿城市的新概念，倡導(dǎo)建設(shè)低影響發(fā)展(LID)雨水系統(tǒng)，通過“滲流、停滯、儲存、凈利用、排放”等最佳管理實(shí)踐(bestmanagementpractice, BMPs)建設(shè)不同的城市海綿，以適應(yīng)雨洪變化，應(yīng)對自然災(zāi)害。海綿城市的新概念雖然為防洪和城市生態(tài)水文環(huán)境的改善開辟了新的思路，但在我國實(shí)際建設(shè)中仍存在許多困難。純水設(shè)備的一個(gè)主要原因是缺乏有效的控制設(shè)計(jì)和評估工具,更難把自然因素,地理?xiàng)l件和人類行為的復(fù)雜關(guān)系程序系統(tǒng)或工具,有效的雨洪水模型的軟件可以提供設(shè)計(jì)指導(dǎo)城市規(guī)劃和建設(shè)的海綿,海綿,大大提高城市建設(shè)的科學(xué)性和可靠性。
目前關(guān)于雨洪模型的報(bào)道較多，但大多沒有系統(tǒng)介紹海綿城市雨洪管理相關(guān)模型的發(fā)展。通過總結(jié)國內(nèi)外城市雨洪水的發(fā)展模式和低影響,五InfoWorks的典型模型,邁克,SWMM,維持并SewerGEMS進(jìn)行了分析,并應(yīng)用這些模型的特點(diǎn)和發(fā)展趨勢進(jìn)行了探討和分析,以提供科學(xué)依據(jù)雨洪水模型的選擇和使用海綿施工過程的城市在中國。工業(yè)純水設(shè)備
常見模型及分類
根據(jù)海綿城市的層次化結(jié)構(gòu)，從流域、河流、城鎮(zhèn)和單位規(guī)模等方面對雨洪模型進(jìn)行了分析。流域尺度主要是指構(gòu)成城市水生態(tài)功能系統(tǒng)的湖泊、河流、水庫等生態(tài)敏感區(qū)域。河道尺度主要是指連接城市與自然生境的雨水、純水設(shè)備泄洪通道。城市規(guī)模主要指集水區(qū)、管道節(jié)點(diǎn)、防滲區(qū)等綠色、灰色的城市基礎(chǔ)設(shè)施。單位尺度主要是指分布在源、過程和末端的微低沖擊控制措施。
1.1河流+城鎮(zhèn)
InfoWorks模型是應(yīng)用于河流和城鎮(zhèn)規(guī)模的典型雨洪模型。將城市地上雨水系統(tǒng)與地下雨水系統(tǒng)相結(jié)合，從整體上實(shí)現(xiàn)了整個(gè)城市雨水系統(tǒng)、污水系統(tǒng)、流域系統(tǒng)的動態(tài)仿真。
InfoWorks模型處理模塊包含了降雨和地表徑流入滲,模塊,積累低影響開發(fā)模塊,水質(zhì)分析模塊,現(xiàn)有的排水系統(tǒng)可以準(zhǔn)確地建模和分析的情況下,一個(gè)更真實(shí)的模擬地下排水系統(tǒng)和接收水域,表面之間的交互和實(shí)時(shí)洪水預(yù)報(bào)、預(yù)警、進(jìn)而能夠更準(zhǔn)確的篩選出排水系統(tǒng)存在的弊端和瓶頸問題，進(jìn)而可以利用軟件輔助規(guī)劃和改造工程的施工，為排水系統(tǒng)提供全方位的支撐功能。目前，更廣泛使用的子模型包括InfoWorksICM、InfoWorksCS和InfoWorksRS。
Jian-yong李在ICM模型為平臺,通過不同的降雨在上海楊浦濱江場景,排水管網(wǎng)系統(tǒng)是模擬計(jì)算,評估排泄水條件和接管載荷情況,并在此基礎(chǔ)上,網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的瓶頸、改造和維護(hù)區(qū)域防洪和排水和管道網(wǎng)絡(luò)提供技術(shù)和決策支持。工業(yè)純水設(shè)備
姚宇等利用InfoWorksCS模型對蚌埠市茂河口工業(yè)園排水管網(wǎng)進(jìn)行了模擬，并對城市核心排水系統(tǒng)的運(yùn)行性能進(jìn)行了評估，為排水管網(wǎng)的改造擴(kuò)建和應(yīng)急預(yù)案的優(yōu)化提供了分析平臺。
Othman等人利用InfoWorksRS對2013年赤道地區(qū)的洪水Infoworks事件進(jìn)行了模擬，對1926 - 2012年的洪水災(zāi)害進(jìn)行了建模和分析，繪制了局部地區(qū)的澇漬災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)圖，為預(yù)防澇漬提供了有效的措施。
1.2分水嶺+河流+城鎮(zhèn)
MIKE模型是一個(gè)典型的雨洪模型，應(yīng)用于流域、河流和城鎮(zhèn)的尺度上。可用于流域、河流、河口、海岸和管網(wǎng)的一維或二維水文、水質(zhì)和水力模擬。邁克模型包含水動力學(xué)、降雨徑流和水質(zhì)量分析模塊,配置不僅所有雨洪排水管網(wǎng)和供水管網(wǎng)模型,分析工具,并與GIS集成模塊,和數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)(SCADA),實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)(RTC)和決策支持系統(tǒng)(DSS)能達(dá)到一個(gè)更好的連接。同時(shí)，純水設(shè)備具有基于鼠標(biāo)和SWMM仿真計(jì)算的LID/BMPs分析能力。MIKE model的子模型主要有MIKE11、MIKE21和MIKEURBAN。
使用MIKEURBAN Apirumanekul,如達(dá)卡城市的排水系統(tǒng),模擬和分析在建模的過程中不僅考慮雨水管網(wǎng)系統(tǒng)和污水管網(wǎng)系統(tǒng),和管網(wǎng)系統(tǒng)連接到城市街道形式也進(jìn)行了設(shè)置,底層表面和管網(wǎng)絡(luò),考慮全面澇明顯提高了仿真精度。
利用MIKE11模型，對遼河上游富店段至同江河口段水質(zhì)變化進(jìn)行了模擬。
基于MIKE21,朱七等人構(gòu)建一個(gè)二維水動力模型在北京天堂河的下游,結(jié)果表明,無論P = 20,50或100 P =最大淹沒深度主要集中在低洼地區(qū)南部和東部,和最大積水深度超過2 m和積水時(shí)間超過8 h,這是防御區(qū)域洪水災(zāi)害的關(guān)鍵。工業(yè)純水設(shè)備
1.3流域+城鎮(zhèn)
SWMM模型是應(yīng)用在流域+城鎮(zhèn)上較為典型的雨洪模型，其是目前世界上研究最深入應(yīng)用最成熟的城市降雨-徑流-水質(zhì)模型。SWMM模型包含了徑流模塊、輸送模塊、擴(kuò)展輸送模塊、調(diào)蓄/處理四個(gè)核心模塊，目前主要應(yīng)用于城市防洪排澇的規(guī)劃和優(yōu)化。
SWMM5.0版本之后增加了對LID/BMPs技術(shù)的支持，包涵了生物滯留網(wǎng)格、多孔路面、滲渠、雨桶、草洼五種LID設(shè)施，設(shè)施參數(shù)如表1所示。SWMM模型將LID/BMPs單獨(dú)劃分成子匯水區(qū)，適用于小面積的LID模擬和較大區(qū)域的LID技術(shù)集成及雨洪控制效果模擬。SWMM不但可以評估單個(gè)海綿體設(shè)施的效果，而且能夠模擬城鎮(zhèn)尺度下低影響開發(fā)設(shè)施對海綿城市徑流量、徑流峰值及水質(zhì)的影響。工業(yè)純水設(shè)備
Sun等利用SWMM模型對紐約和錫拉庫扎的匯水區(qū)域離散化進(jìn)行了研究，最終確定出了適合于此兩個(gè)區(qū)域的匯水區(qū)離散程度，純水設(shè)備在這一離散等級下模型系統(tǒng)與實(shí)際狀況的符合程度最好，且模擬結(jié)果的輸出值和穩(wěn)定性均達(dá)到規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。
表1LID技術(shù)參數(shù)表
Janet等利用SWMM對巴拉納河流域的適用性進(jìn)行了模擬，并利用實(shí)測降雨資料對模型進(jìn)行率定，通過敏感性分析得出敏感性最高的參數(shù)是匯水區(qū)不透水率和不透水區(qū)地表洼地蓄水量，最不敏感的參數(shù)是曼寧系數(shù)。工業(yè)純水設(shè)備
王雯雯等利用SWMM模型對LID模式的水文效應(yīng)進(jìn)行了模擬評估，結(jié)果表明，城市化后流域的洪峰流量顯著增大、洪峰時(shí)間前移、徑流系數(shù)變大，透水鋪裝和下凹式綠地兩種LID設(shè)施在有效緩解雨水管網(wǎng)泄洪壓力的同時(shí)亦可削減洪峰流量和減小徑流系數(shù)。
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SUSTAIN模型是應(yīng)用在流域+單元上較為典型的雨洪模型，其是目前國內(nèi)LID/BMPs技術(shù)應(yīng)用最多的模型，主要用于LID/BMPs水文水質(zhì)設(shè)施的布局和優(yōu)化。
SUSTAIN以ArcGIS模型為基礎(chǔ)平臺，在成本分析和技術(shù)優(yōu)化的基礎(chǔ)上，融合了水文、水力和水質(zhì)分析模型，以實(shí)現(xiàn)城鎮(zhèn)或單元范圍內(nèi)雨洪整治方案有效性和經(jīng)濟(jì)性的評估和分析。SUSTAIN模型包括框架管理、BMPs布局、土地模擬、BMPs模擬、傳輸模擬、優(yōu)化和后處理程序等7個(gè)模塊，不僅可以分析區(qū)域內(nèi)的雨洪情況，同時(shí)也具有優(yōu)化空間布局、輸送設(shè)施間水文、模擬低影響開發(fā)設(shè)施水文效能等綜合功能，BMPs模擬情況如圖1所示。
圖1SUSTAIN模型在BMP中的模擬流程
Lee等利用SUSTAIN模型評估堪薩斯州一處面積約為40.5km2區(qū)域的雨洪過程，最終模擬出徑流量削減曲線和TSS污染負(fù)荷削減曲線，得出模擬區(qū)域?qū)嵤┑纳餃舫嘏c透水路面兩種LID設(shè)施有效削減了70%的年徑流量，同時(shí)這些LID設(shè)施的最低成本為320000美元。
美國EPA為了更好詮釋SUSTAIN模型的使用，選取了美國威斯康星州的UpperNorthBranchOakCreek流域作為研究案例，區(qū)域面積為11.4km2，所使用的LID設(shè)施為植生滯留池、透水鋪面、干式滯留池，模擬結(jié)果表明，TSS削減率為27.3%。
唐穎利用SUSTAIN純水設(shè)備模型模擬探究了廣東省環(huán)境保護(hù)職業(yè)技術(shù)學(xué)院佛山校區(qū)內(nèi)各種LID/BMPs規(guī)劃情景，有效設(shè)計(jì)和評估了LID/BMPs措施類型、地點(diǎn)分布和技術(shù)效果，對于在我國利用SUSTAIN模型開展LID措施的模型分析與設(shè)計(jì)評估具有較大的參考價(jià)值。
為研究降雨徑流過程和污染負(fù)荷變化規(guī)律，董欣等以屋面為例，基于HSY和MonteCarlo方法對SWMM模型的大量參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，確定了不透水區(qū)初損填洼量等6個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，較大幅度提高了SWMM的運(yùn)行靈敏度和運(yùn)行速度。工業(yè)純水設(shè)備
1.5城鎮(zhèn)
SewerGEMS模型是應(yīng)用在城鎮(zhèn)尺度上較為典型的雨洪模型，其主要用于污水或雨污排放混合系統(tǒng)的模擬，尤其對雨污合流系統(tǒng)具有很強(qiáng)的管道錯(cuò)接和溢流模擬能力，具體應(yīng)用方向包括分配和估算雨污水負(fù)荷以及分析水力和雨污混合系統(tǒng)溢流等，其同時(shí)具備設(shè)計(jì)和優(yōu)化LID設(shè)施、模擬水質(zhì)變化的能力。
SewerGEMS模型其內(nèi)置了水力和水文學(xué)基本公式，在多引擎計(jì)算的基礎(chǔ)上可以進(jìn)行精確的排水系統(tǒng)動態(tài)模擬，同時(shí)可與獨(dú)立平臺、AutoCAD、ArcGIS和MicroStation實(shí)現(xiàn)互操作，為工程人員分析、設(shè)計(jì)和運(yùn)作污水及雨污混合系統(tǒng)提供簡潔實(shí)用的操作環(huán)境。
Mallik等在2014年利用SewerGEMS對孟加拉國西部多個(gè)不同地區(qū)的排水系統(tǒng)進(jìn)行了水力建模，純水設(shè)備并進(jìn)行了相關(guān)模型的優(yōu)化和修正使其最大程度地符合實(shí)際運(yùn)行狀況，隨后利用SewerGEMS對未規(guī)劃區(qū)域的排水系統(tǒng)進(jìn)行了模擬，制定了3個(gè)經(jīng)濟(jì)性較強(qiáng)的排水系統(tǒng)規(guī)劃方案。工業(yè)純水設(shè)備
王榮和等應(yīng)用SewerGEMS進(jìn)行了給排水管網(wǎng)模型評估，分析了排水系統(tǒng)模型的應(yīng)用和發(fā)展，提出利用生命周期分析來進(jìn)行相關(guān)評估的理念，從基礎(chǔ)數(shù)據(jù)導(dǎo)入、模型系統(tǒng)建立、模型校核、模型現(xiàn)狀分析以及模型輔助規(guī)劃等方面開展了工作，最終制定出了給排水模型系統(tǒng)的維護(hù)與管理措施。
2雨洪模型不足之處
城市雨洪管理模型近幾年發(fā)展較為迅速，但需要清楚認(rèn)識的是任何雨洪模型都有其特定的前提條件和適用范圍，亦即任何雨洪模型均存在一定的限制性，故當(dāng)前適用于海綿城市的雨洪模型還存在一些不足，今后需要圍繞以下幾點(diǎn)不斷進(jìn)行完善。工業(yè)純水設(shè)備
（1）模擬功能不完善
多數(shù)雨洪模型未能根據(jù)不同城市的不同基礎(chǔ)條件對水文、水力、水質(zhì)、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)等參數(shù)進(jìn)行系統(tǒng)整合，具體表現(xiàn)為：1）模型的水文物理過程和污染物去除過程機(jī)理分析仍不完善；2）模型缺少可靠性和風(fēng)險(xiǎn)分析；3）模型多數(shù)用于規(guī)劃設(shè)計(jì)，用于暴雨災(zāi)害預(yù)測和預(yù)報(bào)的較少；4）多數(shù)模型參數(shù)復(fù)雜，分析計(jì)算速度較慢。
（2）LID設(shè)施評價(jià)不足
目前多數(shù)雨洪模型中的LID設(shè)施在用于海綿城市建設(shè)時(shí)可以取得較好的模擬效果，但評價(jià)機(jī)制不完整，具體表現(xiàn)為：1）LID設(shè)施試驗(yàn)或模擬多是從小實(shí)驗(yàn)面積或微觀尺度進(jìn)行，研究范圍尚未擴(kuò)展到城市區(qū)域和流域尺度；2）缺乏與周圍排水管網(wǎng)系統(tǒng)的有機(jī)結(jié)合；3）未充分考慮單項(xiàng)LID設(shè)施和其他LID設(shè)施組合情況下的變化情況。
（3）模型參數(shù)不準(zhǔn)確
我國使用的雨洪模型大多由國外公司開發(fā)設(shè)計(jì)，模型手冊中的數(shù)據(jù)也多數(shù)源于國外，而我國城市下墊面、土地利用類型、土壤類型、河道類型等基礎(chǔ)條件所涉及的模型參數(shù)與國外不盡相同。使用人員在選取模型參數(shù)時(shí)多為從模型手冊中直接選定，經(jīng)模型率定發(fā)現(xiàn)部分模型參數(shù)誤差較大，在一定程度上降低了模型的準(zhǔn)確性和科學(xué)性。另外不同城市、不同功能區(qū)的基礎(chǔ)條件也不盡相同，純水設(shè)備在選取模型參數(shù)及進(jìn)行模型率定時(shí)也要加以區(qū)別。
（4）山地城市雨洪模擬缺乏
目前多數(shù)雨洪模型在海綿城市建設(shè)中的應(yīng)用限于平原或地勢平坦地區(qū)，在山地或地勢崎嶇地區(qū)中的研究還相對較少。山地或地勢崎嶇地區(qū)的下墊面情況較為復(fù)雜多變，在此類型中運(yùn)用雨洪模型進(jìn)行模擬時(shí)需考慮的因素眾多、難度較大。工業(yè)純水設(shè)備
3展望
（1）進(jìn)一步加強(qiáng)雨水產(chǎn)匯流過程中各個(gè)環(huán)節(jié)的機(jī)理研究，深化水文水力物理過程、水質(zhì)凈化過程、環(huán)境因子等因素之間的耦合作用，加強(qiáng)雨洪模型與ArcGIS、RS、WASP和HEC-HMS等模型聯(lián)用方面的研究，充分發(fā)揮各軟件的優(yōu)勢，不斷完善模擬功能和豐富模擬結(jié)果輸出形式。工業(yè)純水設(shè)備
（2）進(jìn)行LID設(shè)施模擬時(shí)，純水設(shè)備應(yīng)加入和周邊排水管網(wǎng)的銜接模擬，并充分考慮單項(xiàng)LID設(shè)施和其他LID設(shè)施組合情況下徑流和水質(zhì)等結(jié)果的變化情況。
（3）應(yīng)根據(jù)城市實(shí)際基礎(chǔ)條件因地制宜地設(shè)置SWMM模型的參數(shù)，必要時(shí)要通過試驗(yàn)方式確定參數(shù)數(shù)值，而非僅僅從模型手冊中獲取。同時(shí)，對不同城市、不同功能區(qū)所涉及的模型參數(shù)進(jìn)行甄別，確保模型參數(shù)的準(zhǔn)確性。工業(yè)純水設(shè)備
（4）加強(qiáng)雨洪模型在山地或地勢崎嶇地區(qū)中的模擬研究，此方面的研究應(yīng)確保坡度、土地類型、土壤類型和河道參數(shù)等數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。更多環(huán)保及純水處理設(shè)備資訊請關(guān)注皙全蘇州純水設(shè)備網(wǎng)。
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