内涝积水模拟研究进展综述
摘 要
近年来，城市暴雨洪涝灾害的频度和强度不断加强，内涝灾害严重影响着城市秩序，威胁着人们的生命财产安全，给社会造成了极大的经济损失，对内涝灾害的研究防范已成为社会公众、国家政府和学者普遍关注的焦点问题。因此，研究内涝灾害的形成机理、对内涝积水进行模拟预测显得尤为重要，本文在综合近年来国内外相关研究的基础上，主要介绍了内涝积水的产流、汇流水文学机理，同时对基于GIS的内涝积水模拟研究和SWMM两种典型的内涝积水模拟模型进行总结，分析了各计算模型所包含的地表产流计算方法，最后展望了基于GIS技术研究内涝积水模拟模型的发展前景。
关键词：城市内涝，积水模拟，研究进展，SWMM，GIS
- 引言
极端气候是城市内涝发生的主要客观原因。人类发展过程中的生产活动对生态环境造成了很大的影响，致使极端天气发生的频率大大增加，经常发生雨水集中，水量大，短时间降水较大。城市下垫面的改变是内涝发生的直接原因[1]。伴随着城市化建设进程的加速，城市绿地和水系面积减少，硬质化现象严重，汛期强降雨致使内涝灾害频繁发生，时常导致道路积水，交通瘫痪，小区被淹。2018年4月22日到23日“谷雨”节气以来的强降雨及雷电大风冰雹等强对流天气，导致湖北省13县(市、区)不同程度遭受洪涝和风雹灾害，截至22日21时，灾害已造成该省13.63万人受灾[2]。据统计，2000年至2016年期间，我国平均每年发生200多起不同程度的城市内涝灾害，不仅严重影响了城市的正常生活秩序，也造成了极大的生命财产损失，引起了社会各界的广泛关注[3]。因此，研究内涝灾害的形成机理、对内涝积水进行模拟预测显得尤为重要，能够为内涝灾害应对与风险防范提供科学依据，将其带来的损失降至最低，维护人们的生命财产安全。
- 内涝积水模型综述研究进展
有很多学者都对内涝积水模型研究进展进行了综合叙述。秦语涵等人在城市雨洪径流模型研究进展中介绍了国内外内涝灾害研究的发展，分析了SWMM、HSPF、Infoworks CS、SLAMM典型的雨洪径流模型的组成、应用及优缺点，比较常用雨洪径流模型表达式分析其适用性，展望城市雨洪模型为来的发展趋势是加强对资料缺乏时城市雨洪径流的模拟预测、多技术融合、集成化模型系统三个方面[4]。李瑶等在城市内涝灾害模拟与灾情风险评估研究进展中介绍了城市内涝的产生机理，分析了造成内涝灾害的因素，说明了城市雨洪模型的基本结构，同时对典型的两种内涝灾害模拟模型，即SCS模型和SWMM模型的模块、后来学者对模型的应用和改进、模型的优缺点和适用性进行了分析，简单介绍了其他模型的应用范畴，也对城市内涝风险评估方法进行了介绍并分析了方法的优缺点[5]。张一龙等人在城市地表产流计算方法和径流模型研究进展中文章首先介绍了国内外现有较为通用的地表产流计算方法，包括径流系数法、下渗曲线扣损法、蓄满产流法、SCS－CN和初损后损法等，指出各种计算方法对城市不同下垫面和计算精度的适用性。随后概括了国内外在城市地表径流计算模型方面的研究进展，分析了各计算模型所包含的地表产流计算方法，指出了使用GIS耦合径流模型用于排水系统管理以及城市内涝预警的必然趋势[6-7]。本文主要介绍内涝灾害的水文学机理以及SWMM典型内涝灾害研究模型、基于GIS的热点内涝灾害研究技术，同时展望基于GIS技术研究内涝积水模拟模型的发展前景。
- 内涝灾害的水文学机理
城市化地区的不透水面积增加成为影响城市水文过程的重要因素，其不仅阻碍地表水下渗，还切断城市区域地表水与地下水之间的水文联系。城市面积扩大降低了对雨水汇流的调蓄分流功能，改变地表覆被状况，对竖向的蒸散发与下渗以及横向的地表径流与壤中流等水文过程的影响，城市的不透水率高，下渗减少，产流量增加。城市地表形态的变化改变了城市区域小流域的产汇流特征，增加了城市地表径流，减少了地下径流以及地表地下的水量交换过程[8]，使产流时间变短，地表径流增大，汇流速度增加，洪峰流量增大，洪峰时间提前、洪水总量增加，洪水总历时变短，洪水径流系数变大[1]，地表产流量超过城市排水能力导致内涝灾害发生。
城市雨洪产汇流计算主要包括城市雨洪产流计算、城市雨洪地表汇流计算和城市雨洪管网水流计算。城市区域不透水表面的空间分布以及不透水表面的连通性直接影响到城市的产流特征。城市地表汇流计算方法有：水动力学计算模型、水文学方法：单位线法、线性水库、非线性水库和等流时线法、城市水文-水动力耦合模型。城市雨水管网汇流计算方法有：水文学方法和复杂的水动力学方法、若精度要求较高，资料条件好，可采用动力波或扩散波进行模拟计算，反之则可采用马斯京根法进行计算[9]。
- 内涝积水模拟研究方法
（一）SWMM内涝积水模型[10]
