Page 27 - 2023年第54卷第6期

究进展，系统总结了城市洪涝模型的构建方法和数值模拟技术研究中的不足，探讨城市洪涝模型未来
的发展趋势，以期为实现城市洪涝精细化和高效模拟及相关研究工作提供参考。

２ 城市洪涝模型

１９７０年代以来，随着计算机技术的快速发展和城市产汇流理论的日趋成熟，一批城市洪涝模型被
相继提出。目前，大部分学者依据计算方法将城市洪涝模型划分为水文模型、水动力模型和简化模型
等。本文则根据城市洪涝模型的组成划分为产汇流模型、一维河道?管网模型、二维地表淹没模型和模
型耦合等，以期从模型组成的角度对城市洪涝模型进行梳理，为城市洪涝数值模拟及相关研究提供一
个新视角。其中，产汇流模型主要是用于计算降水产生净雨并汇流至流域出口的过程，一维河道?管网
模型用于计算河道或者管道的水流运动状态，二维地表淹没模型用于模拟洪水在地表的演进过程，模
型耦合则是将产汇流模型、一维、二维模型相互耦合起来进行水流运动规律的模拟 ［５］ 。
２．１ 产汇流模型 产汇流模型主要用于降雨产流计算和汇流计算。其中，产流是指降水经蒸发、下
渗、填洼、植物截流等损失转化为净雨量的过程。而净雨通过地表、河道或管网等汇集到流域出口的
过程则称为汇流。与自然流域相比，城市区域下垫面情况复杂。受人类活动影响，大量的植被、水域
等自然表面被房屋、道路等不透水表面取代，城市区域水循环过程受到影响。城市不透水面的大幅度
增加，极大地影响了城市区域的产汇流特性。加之在海绵城市背景下，雨水花园、绿色屋顶等逐步建
设，城市用地类型进一步增加。透水面与不透水面空间交错分布，下垫面类型组合多变，导致城市区
域产汇流情况非常复杂，刘家宏等 ［６］ 将城市下垫面根据透水性划分为不透水单元、透水单元、半透水
单元、伪透水单元、强透水单元、水域单元等六类基本单元，并分别构建了不同的水文特性曲线以详
细描述城市区域的产流过程。此外，尽管国内外学者进行了很多不同下垫面情况下的产流规律试验与
应用研究，但实验室条件与天然状况情况差距较大，因此，针对城市区域复杂下垫面情况，探究城市
产汇流机制仍旧是国内外学者研究的重要方向 ［７］ 。
目前，城市区域产流计算方法很多，常用的计算方法有径流系数法、下渗曲线法、蓄满产流法、
ＳＣＳ曲线法等 ［４，７ － ８］ 。但是由于城市地表特性复杂，对城市产流机理的认识还不完全，产流计算方法的
精度还有待商榷。而城市区域汇流计算方法包括水文学方法和水动力学方法两种 ［６］ 。其中水文学方法
以经验性和概念性模型为主，将汇流过程中复杂的物理现象进行简化的描述，常见的计算方法有推理
公式法、等流时线法、线性或非线性水库法、马斯京根法等 ［４，６，８］ 。水文学方法简单实用，具有计算效
率高、资料需求少的特点。但水文学方法往往概化了真实的物理过程，计算参数繁多，缺乏明确的物
理机制支撑，因此，水文学方法的应用和发展受到了一定的限制。而随着计算机技术的发展，水动力
学方法被广泛应用于城市汇流计算。水动力学方法主要通过求解圣维南方程和浅水方程或其简化形式
来计算河道?管网汇流和坡面汇流，物理机制明确，具有较高的可靠性和准确度，但该方法计算效率
低，对资料的要求较高。
２．２ 一维河道?管网模型 一维河道?管网模型主要通过求解圣维南方程组对河道?管网水流的运动状态
进行求解。控制方程的具体表达式如下：
 Ｑ  Ａ
＋ ＝ ｑ （１）
 ｘ  ｔ
 Ｑ  Ｑ ２  ｈ
＋ ( ) ＋ ｇＡ － ｇＡ Ｓ－ Ｓ ) ＝ ０ （２）
(
 ｔ  ｘ Ａ  ｘ ０ ｆ
３
２
２
式中：Ａ为横断面面积，ｍ ；ｔ为时间，ｓ；Ｑ为流量，ｍ ?ｓ；ｘ为距离，ｍ；ｇ为重力加速度，ｍ?ｓ；ｈ为
水深，ｍ；ｑ为源汇项；Ｓ为坡度；Ｓ为摩阻比降。
０ ｆ
１９７０年以来，国际上涌现出一批成熟的一维河道?管网模型，比如美国环保署推出的 ＳＷＭＭ 模
型，美国陆军工程兵团研发的 ＳＴＯＲＭ模型、丹麦水力研究所开发的 ＭＯＵＳＥ模型、英国水力学研究机
构在 Ｗａｌｌｉｎｇｆｏｒｄ模型基础上改进集成的 ｌｎｆｏＷｏｒｋｓＣＳ模型等。国内对一维河道?管网模型的研究虽然起
— ６ ５ ５ —