任务一 城市雨水径流模拟模型

一、城市雨水径流模拟模型的基本概念

模拟又称为仿真(Simulation)，仿真是利用模型复现实际系统中发生的本质过程，并通过对系统模型的实验来研究存在的或设计中的系统。当所研究的系统造价昂贵、实验的危险性大或需要很长的时间才能了解系统参数变化所引起的后果时，仿真是一种特别有效的研究手段。仿真过程包括建立仿真模型和进行仿真实验两个主要步骤。

模型(Model)是指为了某个特定的目标将原型的某一部分信息简缩、提炼而构造的原型替代物。原型(Prototype)和模型是一对对偶体，原型指人们在现实世界里关心、研究或者从事生产、管理的实际对象。根据用模型代替原型的方式，模型分为物质模型（形象模型）和理想模型（抽象模型）。数学模型属于抽象模型，一般地，数学模型(Mathematical Model)可以描述为，对于现实世界的一个特定对象，为了一个特定目标，根据特有的内在规律，做出一些必要的简化假设，运用适当的数学工具，得到的一个数学结构。数学模型可以按照不同的方式进行分类。可以按照模型的应用领域（或所属学科）进行模型分类，例如城市规划模型、城市水资源管理模型、城市排水模型等。可以按照建立模型的数学方法（或所属数学分支）进行分类，例如几何模型、统计回归模型、模糊聚类模型等。可以按照模型的表现特性进行分类，例如根据是否考虑随机因素的影响，数学模型可以分为确定性模型和随机性模型；根据是否考虑时间因素引起的变化，数学模型可以分为静态模型和动态模型。按建立模型的目的分类，可分为预报模型、决策模型、控制模型等。根据对模型结构的了解程度，数学模型可以分为白箱模型（内部规律相当清楚的模型即机理相当清楚的模型）、灰箱模型（机理尚不完全清楚的模型）和黑箱模型（机理很不清楚的模型）。

二、国外城市雨水径流模拟模型简介

(1)雨水管理模型（SWMM）

美国环保局开发的暴雨径流管理模型（SWMM，Storm Water Management Model），又称为雨水管理模型（SWMM）。该模型具有强大的水文、水动力模拟模块，能够计算降雨、地表产流、地表汇流、管网水动力传输和水质传输，对城市排水系统进行系统的模拟计算，可以为城市排水系统规划方案的调整与优化提供理论指导。模型由五个子程序组成，每一部分都有其专门的功能，其计算结果都存入数据存储空间，以便其他程序块需要时可以调入。模型的主程序称为执行程序块，在开始运行和计算结束时要运行这一部分，它还可以完成全部的与其他程序块之间的连接工作。径流程序块可以演算均匀降雨形成的地表漫流过程，通过边沟和支线汇入排水干管，再从出水口排到受纳水体；这个程序块还能给出与时间有关的污染过程线。传输程序块可以确定漫流水质和水量，确定计算系统的入渗损失和水质；通过演算合成漫流流量和入渗流量，可以计算两个对比方案的蓄水池占地、投资、运行和管理费用确定水质的程序块包括在蓄水模块当中。蓄水程序块允许用户定义或选择一定截流倍数的污水处理设施。根据需要，它还可以模拟污水通过被选择处理流程的水文过程线和污染过程线的变化。受纳水体程序块可以模拟排水水系排出的雨水和污水对受纳水体水力学和水质的影响。

(2)公路研究所法（TRRL）

英国运输和道路研究所(The Transport and Road Research Laboratory)根据时间—面积径流演算方法提出一种城市径流模型（TRRL），这是一种恒定流量过程线演算方法，该模型在美国被称为RRL法。这一方法认为，只有与雨水排水系统直接连接的不透水地表产生径流，因此忽略全部透水地表和不与排水系统直接连接的不透水地表面积。开发这一模型的目的是要计算管道系统中的暴雨径流率，后来增加了计算管道尺寸部分。实践证明RRL估算的洪峰径流量偏低。

(3)伊利诺斯州城市排水模型（ILLUDAS）

美国伊利诺斯州城市排水模型（ILLinois Urban Drainage Area Simulator）是可以考虑渗水地区地表径流的TRRL法。这种修正主要是在英国较小降雨条件下，对排水屋顶的不同部分，以及对美国和英国的渗水地区进行的，也对管道流动演算进行了改变。管道的入流过程线，用连接点连续性公式以及TRRL法获得，接着对洪峰流量用曼宁公式计算管径。

(4) 芝加哥水文过程线法（CHIM）

早在1950年，美国伊利诺斯州芝加哥(Chicago)市公共工程局就开始了雨水管道设计水文过程线的研究。最早的研究致力于开发指导芝加哥市许多新设计雨水管道的最佳水力计算方法。这些研究成果于1960年开始发表，并为公众所接受。从那时起近25年所进行的研究是Keifer和他的助手们（伊利芝加哥学院）开发的雨水管道设计程序。修正芝加哥水文过程线法雨水管道设计程序基本上可用于城市排水区域，新建雨水管道系统的设计可以用它，现有系统扩建和改建也可以用它。用做输入的设计暴雨可以是有史以来的实际暴雨或合成暴雨并能选择任何希望的频率。程序还能处理由两个不同频率成分组成的系统设计，例如，雨水管道用5年频率设计，而调节池如果需要可设计成接纳100年频率的暴雨。另外，还能把程序应用于模拟所选择历史暴雨径流水文过程线。程序的最后部分计算系统造价。修正芝加哥水文过程线法雨水管道设计程序由1个主程序和6个子程序组成。6个子程序分别用于合成暴雨计算、净雨计算、地表漫流演算、边沟演算、雨水管道演算和调节池演算。

三、国内城市降雨径流模型

城市雨水管道计算模型（SSCM）是我国第一个完整的雨水管道径流计算和设计模型，它由暴雨、坡面产流、地面汇流、管网汇流和雨水管道设计等子模型组成，主要用于城市雨水管道系统的设计和校核，也可作为城市雨洪模拟模型，用于城市雨洪的控制和雨水污染防治等。该模型根据城市降雨径流的基本规律，模拟地面及雨水管道中的水流运动过程，得到各点的流量过程线、洪峰流量和径流总量等，从而可以进行雨水管道系统的设计和校核。该模型分为三个部分，即暴雨计算、雨水径流模拟和雨水管道系统设计及校核。

①暴雨计算

②地面产流计算

③地面汇流计算

④管网汇流计算