城市雨洪径流模型研究进展_秦语涵

第39卷第1期第12016期年1月

Environmental Science &Technology

Vol. 39No.1

Jan. 2016

秦语涵，王红武，张一龙．城市雨洪径流模型研究进展［Ｊ］．环境科学与技术，２０１６，３９（１）：１３－１９．ＱｉｎＹｕｈａｎ，ＷａｎｇＨｏｎｇｗｕ，ＺｈａｎｇＹｉｌｏｎｇ．Ｒｅｖｉｅｗｏｆｕｒｂａｎｓｔｏｒｍｗａｔｅｒｒｕｎｏｆｆｍｏｄｅｌｓ［Ｊ］．ＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌＳｃｉｅｎｃｅ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２０１６，３９（１）：１３－１９．

城市雨洪径流模型研究进展

秦语涵，王红武*，张一龙

（同济大学环境科学与工程学院，上海

摘

200092）

要：近年来中国城市暴雨引发频繁内涝灾害，降雨径流成为水体污染重要因素。采用数学模型模拟地表径流过程对城市内涝和

径流污染物的高效控制具有重要意义。基于城市雨洪径流模型的研究现状和应用实例，选择SWMM 、HSPF 、Infoworks CS 、SLAMM 4个应用较广而侧重不同的国外城市雨洪径流模型进行介绍，归纳模型基本概念和原理，比较主要用途和适用条件，并分析各自的特点及国内外研究进展。同时指出现有城市雨洪径流模型的不足之处，对其发展趋势进行展望。

关键词：城市雨洪；径流模拟；数学模型；非点源污染中图分类号：X43

文献标志码：A

doi ：10.3969/j.issn.1003-6504.2016.01.003

文章编号：1003-6504(2016)01-0013-07

Review of Urban Stormwater Runoff Models

QIN Yuhan ，WANG Hongwu *，ZHANG Yilong

Shanghai 200092，China ）（College of Environmental Science and Engineering ，Tongji University ，

Abstract ：In recent years ，urban rainstorm caused frequent waterlogging disasters ，and urban rainfall runoff became a key issue which results in serious water pollution in China. It ’s essential to use mathematical models simulating the surface rainfall runoff process for efficiently control of urban waterlogging and runoff pollutants. Based on the researching of urban stormwater runoff model and application examples ，4runoff models such as SWMM ，HSPF ，Infoworks CS and SLAMM ，are chosen to be introduced ，by summarizing the basic concepts and methodologies ，as well as comparing main uses and applicable conditions ，with analysis of their characteristics and research progress. In addition ，the shortcomings of the existing urban stormwater runoff models are also pointed out. The developing trends in future runoff models are discussed. Key words ：urban stormwate ；runoff simulation ；mathematical model ；non-point source pollution

快速城市化导致日益严峻的城市内涝及雨水径流污染，来自屋顶、街道、停车场、绿化景观区域的雨水不仅造成排水管道溢流，也携带大量非点源污染进入水体。为满足城市防洪排涝及雨水污染控制要求，城市雨洪径流模型应运而生，此类模型耦合了水量模型和水质模型，将地表污染物随雨水径流流动的过程（包括沉淀、内部化学作用等）当作整体模拟。城市雨洪径流模型是水文模型的一个分支，根据城市降雨径流规律及实测数据统计规律，将城市雨洪径流、管渠排水、土壤侵蚀、径流污染等过程用数学语言表示。随着计算机技术的发展，水文、水力学等计算方程大多耦合至软件中，城市雨洪径流模型通

常指这些软件模型。1

城市雨洪径流模型的发展

欧美等发达国家城市化进程较早，自20世纪60通过模拟城年代起开发了许多城市雨洪径流模型[1]。

市降雨径流、污染物流入水体过程中迁移转化、评估管网设计及雨水控制方案等，达到防洪排涝、减缓溢流、控制雨水径流污染等目的。目前城市雨洪径流模型可达数十种，包括SWMM 、HSPF 、InfoWorks

CS 、SLAMM 、MIKE URBAN 、Stanford 、SCS 、WMM 、SITEMAP 、GWLF 、P8-UCM 、Auto -QI 、AGNPS 、STORM 、DR3M-QUAL 等[2]。

ｈｔｔｐ：／／ｆｊｋｓ．ｃｈｉｎａｊｏｕｒｎａｌ．ｎｅｔ．ｃｎ（电话）０２７－８７６４３５０２（电子信箱）ｈｊｋｘｙｊｓ＠ｖｉｐ．１２６．ｃｏｍ《环境科学与技术》编辑部：（网址）收稿日期：2015-04-30；修回2015-06-29

基金项目：国家水体污染控制与治理科技重大专项（2013ZX07304-003）；上海市科委项（[1**********]）

作者简介：秦语涵（1991-），女，硕士，主要从事城市地表径流模型研究，（电子信箱）[email protected]；*通讯作者，（电子信箱）[email protected] 。

１４

我国城市雨洪径流模型起步较晚，目前模型主要

[3]、城市雨水径流包括城市雨水管道计算模型（SSCM ）

[4]

模型（CSYJM ）、城市排水管网系统的非恒定流模型

[5]

等。我国现阶段对雨洪径流的研究多集中（CSPSM ）

在径流量模拟计算，缺少降雨径流污染研究[6]。2典型模型

选择4个应用广泛的城市雨洪径流模型进行介绍：SWMM 、HSPF 、Infoworks CS 、SLAMM 。其他一些城市雨洪径流模型因模拟效果不佳，近年来应用减

例如STORM 和DR3M-QUAL 。其中，STORM 少[7]，

模型用于模拟城区水文过程及污染物负荷量，但无法模拟污染物的迁移转化过程，不适合连续时间尺度的模拟，多用于20世纪90年代；DR3M-QUAL 模型适用于小城区降雨径流水量和水质模拟，但不能模拟污染物间相互作用，且对泥沙运移模拟能力差，20世纪90年代以后鲜有应用成果发表。在论述的4个模型中，SWMM 和HSPF 是免费的经典模型，功能全面、应用广泛，与前两者不同，后两者需付费使用，它们的研究报道也略少于SWMM 和HSPF 。Infoworks CS 侧重城市排水管网水力模拟；SLAMM 主要用途为辅助城市雨水排水规划，尤其是水质控制方面。2.1

SWMM

雨水管理模型SWMM （storm water management model ）是美国环境保护局（USEPA ）于1971年开发的动态降雨-径流水质水量预测和管理模型，最新版为2015年4月发布的SWMM 5.1.009。SWMM 模型是城市雨洪资源化研究的有效工具，主要应用包括：进行城市地表径流分布式模拟，定量分析区域水质和排污情况，预报排水系统和受纳水体中各点水流和水质状况，适用于排水系统的规划、分析、设计以及管理措施的评估[8]。

SWMM 主要由4个计算模块和1个服务模块组成，计算模块包括径流模块（Runoff ）、输送模块（Transport ）、扩充输送模块（Extran ）、存储处理模块（Storage/Treatment）；服务模块包括：统计分析和绘图。通过这些模块，模型可以计算并模拟城区产汇流的径流水量和污染物运移全过程，主要包括时变降雨量、地表水蒸发、不透水区地表径流、透水区土壤侵蚀与下渗、管道溢流及受纳水体水质变化。模拟的污染物包括TSS 、BOD 、COD 、TN 、TP 、大肠杆菌等10种，也可模拟用户自定义的污染物。SWMM 模型输入信息包括水文气象、土地利用、累积和冲刷系数、排水管网参数等，输出信息包括模拟区域任何地点的污染负荷、管道溢流以及最佳管理实践（BMPs ）效果评价。

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SWMM 应用广泛，是最完善但复杂的模型[9]。由

SWMM 尤为适于对各子流域逐一模拟的运行方式，

合大面积多特征的城市区域径流模拟。此外，该模型活性较好，无特定输入的时间间隔，与其他模型如HPSF 模型相比，SWMM 的模拟结果与实测值更为接近，且模拟的径流量达到峰值时所需的时间最短[10]。

SWMM 的缺点和局限是对参数要求很高，限制了模型的使用范围。此外，该模型无法模拟污染物的生化反应和相互转化，对与水质密切相关的管道内泥沙运动模拟较差[11]。董欣等[12]以深圳河湾地区的排水系统规划为例，参考典型降雨年的排污状况，用

评价了深圳“布局规SWMM 定量分析区域排污情况，

划方案”在近期和远期的环境影响，结果显示SWMM 是区域排水分析计算的有效工具之一。马晓宇等[13]利用SWMM 对温州市某典型住宅区构建污染负荷计算模型，结合当地实测数据率定模型参数，分析在4种不同降雨情景下的TSS 、COD 、TN 和TP 的污染负荷量及累积变化过程，结果表明SWMM 模型对4种污染物模拟的相对误差均小于10%。马俊花等[14]应用SWMM 模拟北方某小区合流制排水管网在不同时段

对比得出溢流最主要原因是管径过小与的工作状态，

地面不透水面积过大，增大下游管径后，模拟节点溢流持续时间将从70min 降到8min ，优化效果显著。Camorani 等[15]通过SWMM 模拟分析城市化对不同重现期降雨的影响，结果表明城市化能明显增加高频率、小流量的城市降雨场次，而对重现期较长的降雨影响不显著。2.2HSPF

HSPF （hydrological simulation program-Fortran ）由美国环保局在20世纪70年代末用Fortran 语言编写，是用于模拟城市、森林、农村等地较大流域内水文水质过程的数学模型。Choi 等[16]研究表明HSPF 对

尤其在城市化地区。于长期水文效应分析非常有用，

HSPF 模型以Stanford 流域模型（Stanford watershed model ）为基础，借鉴并集成了HSP （hydrologic simulation program ）、ARM （agricultural runoff management ）、NPS （nonpoint source runoff ）等模型。经过多次改进，最新版本为HSPF Version 12.2[17]。

模型包括PERLND 、IMPLND 与RCHRES 3个应用模块，分别对透水区、不透水区、河道与混合水库的水文水质进行模拟。在透水区，土壤侵蚀分为雨滴溅蚀、径流冲蚀和径流运移等若干子过程，采用土壤

在不透水区，模型采用线表面降雨侵蚀模型[18]计算；

性函数累积模型及冲刷模型；径流量采用斯坦福Ⅳ模型计算。

第1期秦语涵，等城市雨洪径流模型研究进展

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HSPF 是最全面和灵活的一种半分布式水文水质

该模型能够应用于大多数流域和不同气候模型[19]，

带，包括沙特阿拉伯的干旱地区、美国东部和欧洲的湿润地区、以及加拿大东部的冰雪覆盖区；能够模拟不同时间尺度（每分钟、每小时或每日）的洪峰流量和低流量；结构特点使其容易对程序进行改变和扩展，因此在解决较大范围水质水量问题时非常灵活。HSPF 模型需要输入大量空间和属性数据，输入信息包括水文气象、土地利用、高程、累积和冲刷系数、污染物衰减系数和受纳水体特征等；输出信息包括地表径流量时间序列、污染物负荷过程线、流域内某点水量水质的时变过程、污染物对受纳水体的影响等[20]。HSPF 可

土壤流失、管渠河道水流等过以综合模拟地表径流、

程，并实现对泥沙、BOD 、DO 、氮、磷、农药和大肠杆菌等污染物相互作用和迁移转化过程的连续模拟。该模型广泛应用于防洪规划与管理、点源和非点源污染分析、土壤侵蚀和沉积物运移研究、城市最佳管理实践（BMP ）效果评价等。

HSPF 模型存在的主要缺点和局限包括：（1）不能进行排水管内水流的复杂计算，不适合场次暴雨的模

（2）在城区应用局限较大，模型校正时参数不拟[21]。（3）模拟的精度受到空间和属性等数据限制，唯一[22]。

对数据输入要求较高，须有连续水文水质监测数据来校正模型。（4）模型假设Stanford 流域水文模型对所有地区适用，模拟只限于均匀混合的河流、水库和一维水体模拟，因此对于复杂流域或水体的研究，需要与其他模型结合使用。

Im 等[23]应用HSPF 模拟城市化对水环境的影响，结果表明城市化将导致径流量、洪峰流量和泥沙量增大，TKN 和TP 负荷反而下降。Ackerman 等[24]应用

发HSPF 对佛罗里达南部一个干旱的城市化地区建模，

现模型在汛期模拟效果好于干旱期。Brun 等[25]利用BASINS 系统中HSPF 子模型模拟城市化过程中不透水面积的增加对径流量的影响，发现当不透水面积低于20%时影响不明显，但是超过20%后，径流量随不透水面积的增加明显变大。Choi 等[16]将分布式土地利

定量预测城市化对用变化模型与HSPF 模型相结合，

流域尺度河道径流的影响。目前，HSPF 在我国城市降雨径流计算方面应用极少，在部分地区有针对流域水文的研究[26-28]。2.3InfoWorks CS

InfoWorks CS 模型以沃林福特程序（Wallingford ）为基础，适用于建立城市排水管网水力模型。通过模拟回流水影响、污水管渠、复杂管道连接和辅助控制设施，可实时监控污水管网，找出排水能力不足和易堵塞的部位。针对模拟结果，市政设计人员可充分利

用现有管网容量来储存雨水，或通过增大管径、设置

此外，Infoworks CS 的调蓄池等措施减少溢流发生[29]。

功能还包括模拟排水管网中泥沙与污染物的输移过程，预测城市内涝及污染情况等。

InfoWorks CS 的突出特点是能够模拟多达100000个节点，可提供不同节点管渠流量、水位、流速等信息，且精确度与模拟范围更小的模型一样好。InfoWorks CS 现已实现与GIS 对接功能，用户界面友好，采用带有图形分析功能的关联数据库。在规划排水管网方面，该模型的另一优点在于对各种方案实际效果的预测与对比，例如为减缓溢流现象，可模拟各处各尺寸调蓄池的溢流控制效果，对比得出最经济适合的排水方案。

InfoWorks CS 目前已被新西兰、美国、欧洲及亚洲等国家和地区应用于管网优化方案评估和城市水资源管理。荷兰Tholen 市的市政部门选择InfoWorks CS 作为水力模型软件，建立城市排水管网模型，分析溢流现象并提出改造方案，意在减少溢流对城市周围受纳水体所带来的危害。近年来InfoWorks CS 在中国也有应用，周建华等[30]利用InfoWorks CS 建立广州沙河涌截污主管水力模型，找出截污主管高水位运行及局部旱天溢流的原因，提出改造倒虹U 型过涌管和接通主干管等优化方案，并利用模型校核此方案。毛云峰等[31]通过InfoWorks CS 建立上海市某排水系统雨洪模型，模拟值与实测值的相对误差均在±10%以内，软件可反映系统实际径流情况；针对该排水系统的积水和溢流污染问题，模拟发现该系统地面溢漫现象较明显，雨水调蓄能力较弱。2.4SLAMM

SLAMM （source loading and management model ）于20世纪70年代由Rober Pitt 等为EPA 研发，最新版本是PV &Associates 公司2015年1月发布的WinSLAMM 10.1.6。最初开发SLAMM 是为了探讨城市径流污染源与径流水质关系，目前主要用途为辅助城市雨水排水规划（尤其是水质控制方面）。许多城市雨洪径流模型侧重于排水水量设计，为防止罕见大型暴雨造成洪涝灾害，其内置水文学机理适用于大型暴雨。而雨水造成的水质问题多与普通中小型降雨有关，因此不同于一般城市雨洪径流模型，SLAMM 基于小雨量水文学原理，适用于模拟城市中小型降雨导致的降雨径流和污染负荷。SLAMM 利用降雨量减去截留量和入渗量得出径流量，采用指数型模型计算污染物的累积和冲刷。模型输入信息包括降雨量、土地利用类型、排水系统特征和雨量控制措施等；输出信

１６

息包括径流量及TP 、TN 、DO 。

每种土地利用SLAMM 是唯一分别对每场降雨、

方式、每个径流来源区域，评估其径流量及污染负荷的城市雨水质量模型。它不会把全部不透水地面合并为一体，也不会把同种土地类型合并在一起模拟。SLAMM 通过测量所有径流来源区域，可求得各区域、各种土地利用方式对径流量与污染负荷的贡献率。辅助规划时，重点减少负荷贡献率最高区域的径流量及污染，并根据成本-效益曲线提出最佳管理措施（BMP ），SLAMM 可为排水规划方案提供依据。

SLAMM 也是有效评估低影响开发实践（LID ）和绿色基础设施效果的领先模型。SLAMM 的优点之一，在于能够同时模拟多种雨水控制装置和措施（无论它们作用于径流来源区域、排水管道还是出水口），包括渗滤、生物过滤、街道清扫、湿式滞留池、草洼地、过滤带、多孔路面、集水池、水回用等，并评估它们组合应用时对污染物的截留和去除效果。另一个突出优点是SLAMM 引入了随机分析，内置的蒙特卡罗抽样程序可进行输入参数的不确定性分析，模型输出结果SLAMM 强调实地观测，不以概率方式表示[32]。此外，

因此不需依赖于没有吻合实地测量数据的理论公式，

要大量参数它就能详细准确地描述排水区域的水质。20世纪90年代起，许多WinSLAMM 用户将该模型与地理信息系统（GIS ）结合使用[33]。另一个耦合的例子是SLAMM /SWMM Interface Progra （SSIP ），是SLAMM 与SWMM 耦合模型，用以研究城市地表径流对受纳水体的影响。SLAMM 的局限是不能在管渠中进行雨水与污染物模拟计算，因而无法输出径流和污染物浓度变化过程。

SLAMM 现已应用于北美地区并扩展到了海外。Pitt 等[34]应用WinSLAMM 模型研究评价了低影响开（low impact development ，LID ）对城市暴雨径流发

引起的非点源污染的控制效果。Kabbes 等[35]应用WinSLAMM 模型对芝加哥附近伊利诺河流域进行污染物负荷预测，并评估各种最佳管理措施（BMP ）组合对磷及颗粒污染物的去除效果，找出最具成本效益的最佳管理措施。3

常用雨洪径流模型表达式及比较

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4种软件涉及到的入渗模型有Horton 、Green-Ampt 、SCS 曲线数、Philip 模型，以及固定渗透和NRCS 曲线数模型。Horton 下渗方程可用于计算精度要求不高的城市地表产流下渗损失计算，常与Desbordes 和SWMM 非线性水库模型联用，Phillip 下渗方程可用于精确

而SCS 模型主要应的城市地表产流下渗损失计算[36]，

用在农村。Horton 公式和SCS 曲线法是经验公式，Green-Ampt 模型具有明确的物理意义，可建立起特征参数与土壤物理特性间的关系，Philip 下渗公式是半经验半理论公式，能较好描述均值土壤一维垂直下渗过程[37]。

产流模型中，径流系数模型简单易行，Wallingford （又名可变径流模型）适径流模型和新英国径流模型

用于城市流域的产流模拟。Wallingford 径流模型是Wallingford 公司出品软件的默认选项，新英国径流模型仅适用于可渗透地表，该模型的参数“前30d 降雨指数API ”，在模拟过程中不断更新，反应了径流量随着土壤湿度不同而变化的特性[38]。

地表汇流模型中最为常用的是SWMM 非线性水它采用运动波方程计算坡面流，通过联立库模型[39]，

在Infoworks CS 中还可选连续方程和曼宁公式求解。

用其他地表汇流模型来模拟地表汇流过程，例如双线性水库模型、Desbordes 径流模型、SPRINT 径流模型和大型汇水面积径流模型。

城市地表污染物的晴天累积过程可用降雨前干期天数的线性、指数、幂函数和饱和函数等形式表其中指数函数累积模型发展相对成熟并得到广示[40]，泛应用，它假设污染物的累积速率随时间增加而减小，累积量最后趋近于极大值。4种软件涉及到的污染物冲刷模型包括指数冲刷模型、流量特性冲刷曲线、次降雨平均浓度模型和径流比例模型。一些污染物冲刷模型假设颗粒物的冲刷率与地表污染物累积量直

SWMM 和HSPF 等软件就基于此理论模拟接相关[41]，

冲刷过程。44.1

城市雨洪模型发展趋势

将SWMM 、HSPF 、Infowork CS 和SLAMM 4种软件应用的地表径流水量和水质计算方法进行分类。水量模型部分包括入渗模型、产流模型和汇流模型，水质模型部分分为污染物累积模型和污染物冲刷模型。4种城市雨洪径流模型涉及的数学模型和表达式如表1所示。

加强资料缺乏时城市雨洪径流的模拟预测城市雨洪模型往往需要大量实测参数，然而我国许多城市基础数据匮乏，探索无资料或不完全信息下径流及非点源负荷的模拟预测，是未来城市雨洪模型的热点之一。4.2多技术融合

解决模型对大量实测参数需求问题的另一方向是多技术融合，依靠遥感技术和卫星技术提供的基础数据，可以实时掌握地表类型、降雨分布等情况；而数

第1期秦语涵，等城市雨洪径流模型研究进展

１７

表1常用城市雨洪径流模型的表达式

Table 1Equations of popular urban stormwater runoff models

类别模型名称Horton 模型

Green-Ampt 模型

入渗模型

SCS 曲线数模型

表达式

f t =f c +(f 0-f c ) ×e -kt f t ：t 时刻的下渗率，mm/h；f c ：土壤稳定下渗率，f min ，mm/h；初始下渗率，f max ，下渗衰减系数，1/h，k 值与土壤物理性质有关。f 0：mm/h；k ：F =K s ×S W ×(θs -θi )

s F ：降雨累积入渗深度，cm ；

分别是饱和时、初始时的以体积计的水分含量；θs , θi ：S W ：浸润面上土壤的吸水能力，cm ；i ：降雨强度，mm/h；K s ：m/h。饱和的水力传导率(即最小入渗速率) ，

S =(1000) ×25.4R =(R -αS )

S ：土壤最大蓄水量，mm ；P ：扣除初损后的累计雨量，mm ；R ：径流量，m 3；α：初损率；CN ：径流曲线数。f (t ) =1S ×t +A

吸湿率；t ：时间，h ；A ：稳定下渗率，mm/h。f (t ) ：t 时刻的下渗率，mm/h；S ：

-1

应用软件

SWMM 、Infoworks CS

Philip 模型固定渗透模型

NRCS 曲线数模型Wallingford 径流模型

HSPF Infoworks CS SLAMM

产模流型

新英国径流模型

PR =(0.829×PIMP )+(25×SOIL )+(0.078×UCWI )-20.7PR ：径流量百分比；SOIL ：土壤保水能力指数；PIMP ：不透水百分比；UCWI ：城市流域湿度指数。PR =IF ×PIMP +(100-IF ×PIMP ) ×NAPI

不透水百分比；PR ：径流量百分比；IF ：有效不透水面积因子；PIMP ：

NAPI ：前期降雨量参数；PF ：最大土壤水深度参数。φ=ΣS i ×φi /S

i =1n

Infoworks CS

径流系数模型

地表汇流模型

SWMM

非线性水库模型

SWMM 、Infoworks CS 51

W 1.49(d -d p ) S Q=

W ：子流域漫流宽度，m ；n ：地表曼宁系数；地表最大洼蓄深，m ；S ：子流域平均坡度，%。d p ：

双线性水库模型；Desbordes 模型；SPRINT 模型；大型汇水面积径流模型Infoworks CS

C 2×t ）B =Min（C 1，

最大累积量，质量/单位面积或单位路边长度；SWMM 、B ：地表累积量，质量/单位面积；C 1：HSPF 线性函数累积模型

-1

C 2：累积率常数，d ；t ：累积时间，d 。幂函数累积模型

B =Min（C 1，C 2×t ）

SWMM C 1：最大累积量，质量/单位面积或单位路边长度；

C 3：时间指数，当时间指数C 3=1时幂函数累积方程变成线性累积方程的特殊情况。B =C （）11-e C 1：最大累积量，质量/单位面积或单位路边长度；C 2：累积率，d -1。B =C 1t 4C 1：最大累积量，质量/单位面积或单位路边长度；半饱和常数，达到最大累积量一半时的天数。C 4：

P off =-d P P =R c r n P P

P off ：t 时刻径流冲刷的污染物量，kg/s或kg/h；P P ：t 时刻地表剩余污染因子的量，kg/hm2或kg/m2；R c ：冲刷系数；n ：径流率指数；r ：t 时刻子流域单位面积的径流率，mm/h。

P off =R c Q R c ：冲刷系数；Q ：径流率；n ：冲刷指数。EMC =M =

-C 2t

C 3

区域综合径流系数；S i ：单一地面种类面积，m 2；φ：φi ：单一地面种类的径流数值；S ：所选区域面积，m 2。dV =A dd =Ai *-Q

V ：地表滞蓄水量，m 3；d ：水深，m ；A ：地表面积，m 2；t ：时间，s ；i *：净雨强度，mm/s；Q ：出流量，m 3/s。

SLAMM Infoworks CS 、

污染物累积模型

指数函数累积模型

SWMM 、SLAMM

饱和函数累积模型SWMM

指数冲刷模型SWMM 、SLAMM

流量特性冲刷曲线

污染物冲刷模型

SWMM

次降雨平均浓度模型

乙C Q d t

乙Q d t

SWMM

EMC ：次降雨平均浓度，kg/L。M ：径流全过程中某污染物总量，kg ；V ：相应的径流总体积，L ；T ：总径流时间，s ；C t ：随径流时间变化的某污染物浓度，kmg/L；Q t ：随径流时间而变化的径流流量，1/s。

HSPF

径流比例冲刷模型

１８

据库技术和地理信息系统（GIS ）技术的引入赋予模型对空间数据的存储和处理能力，模型能自动提取所需的地形地貌、土地利用、土壤植被与河流等数据进行模拟。目前许多模型已经与ArcView 或ArcGIS 耦合应用，只是还比较松散。多技术融合增强了模型的输入功能、空间分析和可视化功能，从而大大提高城市雨洪模型的建模效率和模拟精度。4.3集成化模型系统

不同城市雨洪模型侧重点不同，具有各自的优势、限制以及适用条件，将多模型耦合应用，可最大限度地发挥各模型的优势，有效解决复杂城市雨洪问题，提高模型的使用效率和模拟精度。例如上文提及的LAMM/SWMMInterface Program （SSIP ），将SLAMM 与SWMM 模型耦合，实现城市地表径流从源头到受纳水体的全过程模拟。随着城市雨洪管理要求的提高，构建以集成化模型系统成为必然。

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第39卷第1期第12016期年1月

Environmental Science &Technology

Vol. 39No.1

Jan. 2016

城市雨洪径流模型研究进展

秦语涵，王红武*，张一龙

（同济大学环境科学与工程学院，上海

摘

200092）

要：近年来中国城市暴雨引发频繁内涝灾害，降雨径流成为水体污染重要因素。采用数学模型模拟地表径流过程对城市内涝和

关键词：城市雨洪；径流模拟；数学模型；非点源污染中图分类号：X43

文献标志码：A

doi ：10.3969/j.issn.1003-6504.2016.01.003

文章编号：1003-6504(2016)01-0013-07

Review of Urban Stormwater Runoff Models

QIN Yuhan ，WANG Hongwu *，ZHANG Yilong

Shanghai 200092，China ）（College of Environmental Science and Engineering ，Tongji University ，

常指这些软件模型。1

城市雨洪径流模型的发展

欧美等发达国家城市化进程较早，自20世纪60通过模拟城年代起开发了许多城市雨洪径流模型[1]。

CS 、SLAMM 、MIKE URBAN 、Stanford 、SCS 、WMM 、SITEMAP 、GWLF 、P8-UCM 、Auto -QI 、AGNPS 、STORM 、DR3M-QUAL 等[2]。

基金项目：国家水体污染控制与治理科技重大专项（2013ZX07304-003）；上海市科委项（[1**********]）

作者简介：秦语涵（1991-），女，硕士，主要从事城市地表径流模型研究，（电子信箱）[email protected]；*通讯作者，（电子信箱）[email protected] 。

１４

我国城市雨洪径流模型起步较晚，目前模型主要

[3]、城市雨水径流包括城市雨水管道计算模型（SSCM ）

[4]

模型（CSYJM ）、城市排水管网系统的非恒定流模型

[5]

等。我国现阶段对雨洪径流的研究多集中（CSPSM ）

在径流量模拟计算，缺少降雨径流污染研究[6]。2典型模型

选择4个应用广泛的城市雨洪径流模型进行介绍：SWMM 、HSPF 、Infoworks CS 、SLAMM 。其他一些城市雨洪径流模型因模拟效果不佳，近年来应用减

例如STORM 和DR3M-QUAL 。其中，STORM 少[7]，

SWMM

第39

卷

SWMM 应用广泛，是最完善但复杂的模型[9]。由

SWMM 尤为适于对各子流域逐一模拟的运行方式，

评价了深圳“布局规SWMM 定量分析区域排污情况，

对比得出溢流最主要原因是管径过小与的工作状态，

尤其在城市化地区。于长期水文效应分析非常有用，

在不透水区，模型采用线表面降雨侵蚀模型[18]计算；

性函数累积模型及冲刷模型；径流量采用斯坦福Ⅳ模型计算。

第1期秦语涵，等城市雨洪径流模型研究进展

１５

HSPF 是最全面和灵活的一种半分布式水文水质

该模型能够应用于大多数流域和不同气候模型[19]，

土壤流失、管渠河道水流等过以综合模拟地表径流、

HSPF 模型存在的主要缺点和局限包括：（1）不能进行排水管内水流的复杂计算，不适合场次暴雨的模

（2）在城区应用局限较大，模型校正时参数不拟[21]。（3）模拟的精度受到空间和属性等数据限制，唯一[22]。

Im 等[23]应用HSPF 模拟城市化对水环境的影响，结果表明城市化将导致径流量、洪峰流量和泥沙量增大，TKN 和TP 负荷反而下降。Ackerman 等[24]应用

发HSPF 对佛罗里达南部一个干旱的城市化地区建模，

定量预测城市化对用变化模型与HSPF 模型相结合，

流域尺度河道径流的影响。目前，HSPF 在我国城市降雨径流计算方面应用极少，在部分地区有针对流域水文的研究[26-28]。2.3InfoWorks CS

用现有管网容量来储存雨水，或通过增大管径、设置

此外，Infoworks CS 的调蓄池等措施减少溢流发生[29]。

功能还包括模拟排水管网中泥沙与污染物的输移过程，预测城市内涝及污染情况等。

１６

息包括径流量及TP 、TN 、DO 。

每种土地利用SLAMM 是唯一分别对每场降雨、

因此不需依赖于没有吻合实地测量数据的理论公式，

SLAMM 现已应用于北美地区并扩展到了海外。Pitt 等[34]应用WinSLAMM 模型研究评价了低影响开（low impact development ，LID ）对城市暴雨径流发

常用雨洪径流模型表达式及比较

第39

卷

而SCS 模型主要应的城市地表产流下渗损失计算[36]，

产流模型中，径流系数模型简单易行，Wallingford （又名可变径流模型）适径流模型和新英国径流模型

地表汇流模型中最为常用的是SWMM 非线性水它采用运动波方程计算坡面流，通过联立库模型[39]，

在Infoworks CS 中还可选连续方程和曼宁公式求解。

用其他地表汇流模型来模拟地表汇流过程，例如双线性水库模型、Desbordes 径流模型、SPRINT 径流模型和大型汇水面积径流模型。

SWMM 和HSPF 等软件就基于此理论模拟接相关[41]，

冲刷过程。44.1

城市雨洪模型发展趋势

第1期秦语涵，等城市雨洪径流模型研究进展

１７

表1常用城市雨洪径流模型的表达式

Table 1Equations of popular urban stormwater runoff models

类别模型名称Horton 模型

Green-Ampt 模型

入渗模型

SCS 曲线数模型

表达式

s F ：降雨累积入渗深度，cm ；

S =(1000) ×25.4R =(R -αS )

S ：土壤最大蓄水量，mm ；P ：扣除初损后的累计雨量，mm ；R ：径流量，m 3；α：初损率；CN ：径流曲线数。f (t ) =1S ×t +A

吸湿率；t ：时间，h ；A ：稳定下渗率，mm/h。f (t ) ：t 时刻的下渗率，mm/h；S ：

-1

应用软件

SWMM 、Infoworks CS

Philip 模型固定渗透模型

NRCS 曲线数模型Wallingford 径流模型

HSPF Infoworks CS SLAMM

产模流型

新英国径流模型

不透水百分比；PR ：径流量百分比；IF ：有效不透水面积因子；PIMP ：

NAPI ：前期降雨量参数；PF ：最大土壤水深度参数。φ=ΣS i ×φi /S

i =1n

Infoworks CS

径流系数模型

地表汇流模型

SWMM

非线性水库模型

SWMM 、Infoworks CS 51

W 1.49(d -d p ) S Q=

W ：子流域漫流宽度，m ；n ：地表曼宁系数；地表最大洼蓄深，m ；S ：子流域平均坡度，%。d p ：

双线性水库模型；Desbordes 模型；SPRINT 模型；大型汇水面积径流模型Infoworks CS

C 2×t ）B =Min（C 1，

最大累积量，质量/单位面积或单位路边长度；SWMM 、B ：地表累积量，质量/单位面积；C 1：HSPF 线性函数累积模型

-1

C 2：累积率常数，d ；t ：累积时间，d 。幂函数累积模型

B =Min（C 1，C 2×t ）

SWMM C 1：最大累积量，质量/单位面积或单位路边长度；

P off =-d P P =R c r n P P

P off =R c Q R c ：冲刷系数；Q ：径流率；n ：冲刷指数。EMC =M =

-C 2t

C 3

区域综合径流系数；S i ：单一地面种类面积，m 2；φ：φi ：单一地面种类的径流数值；S ：所选区域面积，m 2。dV =A dd =Ai *-Q

V ：地表滞蓄水量，m 3；d ：水深，m ；A ：地表面积，m 2；t ：时间，s ；i *：净雨强度，mm/s；Q ：出流量，m 3/s。

SLAMM Infoworks CS 、

污染物累积模型

指数函数累积模型

SWMM 、SLAMM

饱和函数累积模型SWMM

指数冲刷模型SWMM 、SLAMM

流量特性冲刷曲线

污染物冲刷模型

SWMM

次降雨平均浓度模型

乙C Q d t

乙Q d t

SWMM

HSPF

径流比例冲刷模型

１８

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城市雨洪径流模型研究进展_秦语涵

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