Page 30 - 2023年第54卷第6期

精度影响，局部惯性近似模型在地形梯度变化较大区域的应用受到了很大的限制。
城市区域地形条件复杂，因此，综合考虑城市洪涝模拟精度要求和简化浅水方程模型在各种水流
流态下的表现，基于完整浅水方程的模型依旧是城市地表洪涝模拟的首要选择。针对大规模高分辨率
长时间模拟情况下模型计算效率不足的问题，仍需国内外学者进一步探索。
２．４ 模型耦合 一维模型具有计算效率高、求解简单的优点，但无法详细地模拟水流在地表的流动。
与一维模型相比，二维模型可以模拟水流在水平方向上的变化，但模型计算效率低，对资料要求较
高，且无法模拟排水管网的水流状况。城市洪涝模拟既包括降雨产汇流计算和一维河道?管网水流计
算，也包含水流在地表的流动情况。因此，逐渐有学者取长补短，通过耦合模型的方式来模拟城市区
域的水流。
２．４．１ 耦合方法 城市洪涝模型的耦合涉及产汇流模型、一维河道模型与二维地表模型之间的水平耦
合以及一维管道模型与二维地表模型之间的竖向耦合。其中，水平耦合又可以分为正向交换和侧向交
换两种。正向交换和侧向交换主要指水流分别通过河道两端和两岸与二维地表区域进行水流交换。常
见的水平耦合方法包括堰流公式法、互相提供边界法和黎曼问题法等 ［２７］ 。其中，互相提供边界法是正
向交换中使用最为广泛的方法，该方法通过模型之间互相为对方提供边界条件的方式实现水流交换，
计算原理简单、编程方便，且不需要额外的计算公式。而堰流公式法是模型侧向耦合最常用的计算方
法，该方法通过将连接处的水流交换量增添到与该河段相邻的二维网格的源项实现耦合，具有计算简
单、物理意义明确的特点，但堰流公式中流量系数取值存在不确定性，且通过添加源项的方法无法考
虑连接处的水流流向和流速。而黎曼问题法则是将模型连接处的水流交换问题概化为黎曼问题，通过
间断的思想求解连接处的数值通量，从而实现模型的侧向耦合，该方法可以考虑不同模型间的动量交
换问题，但该方法求解过程复杂，存在稳定性问题，应用相对较少。关于模型水平方向的水流交换研
究很多，时至今日，仍旧有许多学者致力于这方面的研究 ［２８］ 。
一、二维模型的竖向耦合主要针对地下排水管网与二维地表的水流交换问题，即水流在检查井、
雨水篦子等的交换 ［２７］ 。在早期的模型中，竖向水流交换只能从管网模型溢流到地表模型，水流却无法
从地表回流到管网模型，因此也称为松散耦合；而随着研究的深入，现在开发的模型基本都能实现地
下管网和地表水流的双向交换，也称为紧密耦合，能更真实地模拟实际情况。针对竖向耦合问题，目
前最常见的处理方法就是通过堰流公式或者孔口流量公式计算交换水量，但不足之处在于公式中的系
数难以确定，没有统一的标准。目前缺乏对竖向水流交换机理和计算方法的深入研究，现有的计算方
法存在一定的局限性，进一步探究简捷精确的竖向交换方式是未来一个重要的研究方向。
此外，一些学者采用增加入渗或扣除降雨的方式概化排水系统的能力，以实现地表二维模型与一
维管网模型的 “耦合”；通过二维模型完成了城市区域地下管网排水能力模拟，简化了城市区域建模
流程。例如，有些学者根据等效下渗的原则概化城市地下管网的排水能力，构建了基于水动力学的城
市降雨径流模型，提高了模型的计算效率。然而这种方式缺乏明确的物理意义，并不能反映管网的真
实情况，管道明满流交替现象、检查井溢水回流过程均无法模拟，城市管网能力评估也无法进行。因
此，尽管通过概化排水管网能力的方式取得了一定的研究成果，但已有的研究工作未能有效解决城市
洪涝的全过程模拟问题，仍需要开展深入研究。
２．４．２ 水文水动力和全水动力城市洪涝模型 城市洪涝模型一般包括暴雨产流模块、地表汇流模块和
管道汇流模块 ［８］ ，而根据降雨产汇流方式的不同，可以分为水文水动力城市洪涝模型和全水动力城市
洪涝模型。
水文水动力城市洪涝模型将研究区划分为若干子汇水区，当发生暴雨时，降雨经子汇水区填洼、
下渗、蒸发等产流过程后，形成净雨直接汇入到排水管网中，并由排水系统输送至研究区域出口。而
当排水管网系统能力不足时，径流无法及时地从排水系统中排出，从而溢流至城市地表造成淹没。在
水文水动力城市洪涝模型中，地表产流和坡面汇流过程通过水文学方法进行计算，而河道?管网汇流和
地表淹没计算均通过水动力学方法进行模拟。目前常见的如国外的 ＤＨＩＭＩＫＥ系列、ＩｎｆｏＷｏｒｋｓＩＣＭ、
ＰＣＳＷＭＭ和国内中国水利水电科学研究院研发的 ＩＦＭＳ ［２９］ 、华南理工大学黄国如研发的 ＩＨＵＭ模型 ［２７］

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