Page 6 - 水利学报2021年第52卷第4期

象数据，为分布式水文模型的发展创造了有利条件；计算机硬件技术的发展使洪涝模拟中二维非恒
定流计算效率大幅增加；人工智能技术的发展为城市洪涝预警一体化平台建设提供了契机。在对城
市洪涝研究的过程中，相关学者对此不断探索，诞生了以水文学为主的模型、以水动力学为主的模
型及二者的耦合模型以及以地形分析为主的模型 ［10］ 。目前，水文水动力模型是城市洪涝分析与预测
的核心工具。本文旨在对城市洪涝模拟的基本原理、主要技术手段和当前国内外广泛应用的模型进
行系统的梳理，总结和分析城市洪涝模拟相关热点问题，以期为今后相关研究工作提供参考和支撑。

2 城市洪涝模拟的基本原理和方法

城市洪涝模拟的理论基础是城市水文循环规律，以及水动力学物理机制 ［11］ 。目前，研究城市内
涝的主要方法是，基于对城市洪涝机理的认识，构建水文水动力模型，综合考虑模型初始条件、边
界条件和闸泵调控措施，利用实测数据（降雨径流数据、流量及水位数据等）对模型进行率定和验
证，并深入分析城市洪涝风险。相比于自然流域，城市内密集的人类活动对水文过程和水动力过程
带来更大的复杂性和不确定性。
2.1 城市水循环特征与水文模型 城市水文学是水文学的重要分支，其研究的核心问题是城市水循
环规律。城市区域受人类活动影响极大，城市水循环规律比天然流域水循环更为复杂。研究城市水
循环规律是建立城市水文模型、分析城市洪涝过程与机理的重要基础性工作。
从城市化对产汇流过程及水文效应的影响来看，城市下垫面及其产汇流过程受人类活动影响极
大，自然流域水循环机理在城市中产生极大变化。下垫面和局部小气候的改变还引起水循环过程的
变化，城市化对降雨的影响具有季节性 ［10］ ；剧烈的人类活动使硬化路面逐渐取代原有的植被覆盖和
土壤，削弱了地表截留、蒸散发和下渗能力，区域不透水面积增大；排水系统、汇流路径、地表糙
率系数的变化，导致城市对极端降水的响应更为敏感；城市河道中常建有水闸、泵站、堰、堤防等
水工建筑物，具有阻水、输水、过流等调控区域水量、分洪调度的作用；城市路面陡坡、路肩等局
部地形使城市部分汇水单元坡度增加，缩短了汇流时间；城市不规则的街道建筑、路面沉降、洼地
更进一步增加了城市产汇流机理的复杂性。
从我国的城市特点来看，城市水循环规律与洪涝形成机理具有明显的地域特征。对于华东地区
济南市这样的山前平原城市，山区坡度大，汇流时间短，在发生短历时强降雨时地势较低的城区易
出现“马路行洪”现象；对于华北城市北京等，年降水量较小，主要易涝点多位于城市局部低洼区，
尤其是下凹式立交桥往往“逢雨必涝”、“逢雨必淹”；对于长江沿岸城市武汉、南京等，进入汛期除
受到暴雨内涝威胁外，还受到外江洪水的威胁；对于东南沿海城市深圳、福州等，受台风影响严
重，且具有明显的风暴潮、天文大潮现象。
从城市的社会效应来看，城市水循环具有明显的自然-社会二元水循环特点 ［12］ 。城市水文涉及水
利、市政、环境、生态等领域，城市不断增加的人口导致需水量增加，城市水资源供需关系改变；
城市工业废水与生活污水的排放，引起城市生态系统功能退化；城市还拥有复杂的雨污合流与雨污
分流管网系统，且常常伴随着管网堵塞等情形。
水文模型是研究水循环过程的主要工具，其发展经历了从集总式水文模型到分布式水文模型的
阶段。分布式水文模型可以较好地反映实际的降雨分布及下垫面的空间异质性 ［13］ ，目前国内外主要
的分布式水文模型有 SHE、SWAT、VIC、SWMM、IHDM 模型等 ［14］ 。在城市水文模型中，考虑到城市
产汇流过程的复杂性和空间异质性的特点，常将城市研究区划分为若干个子汇水单元，基于单元内
下垫面地形、用地类型等特征赋予模型参数，计算时段降雨量、蒸散发、填洼、下渗等初期损失后
形成径流，进而得到流域出口断面的流量过程。现有的城市水文模型融入了管网等重要排水系统，
但是对集水区内的下渗、蒸散发等产流机理仍考虑不足 ［15］ 。在城市水文模拟中使用分布式水文模型
可以较好地体现流域的空间异质性，但是，分布式水文模型是否能准确揭示城市水循环物理机制仍
待商榷。

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