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第28卷第2期 中国给水排水 V01．28No．2 2012年、1月 CHINAWATER＆WAS7IEWATER Jan．2012 邢 薇， 王浩正， 赵冬泉， 董鲁燕 北京清华城市规划设计研究院环境与市政所，北京100084 摘要： 暴雨的管理与控制已经成为制约城市可持续发展的重要议题之一，最佳管理实践 BMP 和低影响开发 uD 策略的提出，对于改变传统观念、建立新型的城市暴雨管理体系具有积 极意义，但缺乏有效的设计与评估工具，制约了该理念的工程推广与应用。美国国家环保局 US 了水文、水力和水质分析模型，可以对BMP和LID的措施类型、安置地点和实施效果进行科学有效 的设计与评估，对于在我国开展暴雨管理措施的模型分析与设计评估具有很好的借鉴意义。 关键词：城市暴雨管理；雨洪控制； 最佳管理实践 BMP ；低影响开发 LID ；模型 分析；SUSTAIN 中图分类号：TU992文献标识码：B of forUrbanStormwaterTreatmentand Introduction System Analysis Model Integration XING WANG ZHAO Wei， Hao-zheng， Dong—quan，DONGLu-yan Environmentand Urban and Departmentof Infrastructure，Be彬ngTsinghuaPlanningDesign Institute，Be彬ng100084，’China Abstract：Stormwater andcontrol beenoneof issuesconstrai— managementha．vealready important Im— urbanSustainable introductionofBest Low Practices BMP and ning development．The Management hasa for thetraditionalandes- positivesignificance concept pactDevelopment LID strategies changing anadvancedurbanstorm ofeffectiveandevaluation tablishing managementsystem．However，lackdesign toolsrestrictsthe ofBMPorLIDfor forUrbanStormwaterTreat- promotion practicalapplications．System U．S．Environmental mentand Protection AnalysisIntegration SUSTAIN developedby Agency US isbasedon a EPA ，which ArcGIS，iscomprehensive印plicationplatformintegratinghydrology，hy— draulic"andwater models．7nlisCanbeusedforthe andassessmentoflocationsand quality system design effectsforBMPorLID hasreferenceformodel—based implementation measures，which ysis，design andassessmentonstormwater measuresinChina． management urbanstormwater stormwaterandflood Best words： Key management； control； Management model forUrbanStormwater Practices BMP ；LowImpactDevelopment LID ；ysis；System Treatmentand AnalysisIntegration SUSTAIN 随着经济社会的发展和城市化进程的加快，大 量未利用土地被逐步开发为道路、住宅、商业区和停 基金项目：国家水体污染控制与治理科技重大专项 2011ZX07317—001 ·29· 万方数据 第28卷第2期 中国给水排水车场等城市配套设施。

城市不透水地表比例的显著 评估工具。 for增加，不仅导致城市水文循环过程发生改变，而且会 城市暴雨处理及分析集成模型系统 System UrbanStormwaterTreatmentand使整个自然流域的水源涵养、水质净化等调节功能 Analysis不断降低¨J。目前，地表径流污染、城市内涝灾害频发、地下水位严重下降等一系列问题已严重制约 了城市的可持续发展。特别是2010年，我国南方遭统∽J，它以经济性和有效性为准则，可评估为了达遇了特大暴雨的袭击，排水系统的不完善已导致广 到水质和水量控制目标，所采取BMP和LID措施的东、广西、江西、湖南等地的多个城市频繁出现“水浸”事件，严重影响了居民正常的生产生活，并造成 构和功能，并详述了SUSTAIN的模拟原理和方法， 了巨大的经济损失和财产损失。将雨水尽快收集并 对于在我国开展暴雨管理措施的模型分析和评估，排除的传统管理模式已经引起人们的反思，建立新 进而解决我国目前面临的城市暴雨管理问题，具有型的城市暴雨控制和管理体系迫在眉睫。 很好的借鉴意义。 近年来，美国、英国、澳大利亚等发达国家的研 1 SUsllAIN结构和功能究人员已陆续开发了一系列相对系统的城市暴雨控制技术体系，最有代表性的即为美国广泛采用的城 文、水力和水质分析模型，同时考虑了成本管理和优市降雨径流最佳管理实践 Best Prac- Management化分析技术，以实现不同尺度流域中暴雨管理方案tice，BMP 和低影响开发 Low ImpactDevelopment，经济性和有效性的评估和分析。

为了便于系统的持LID 策略口J。BMP和LID管理措施通过采用源头 续升级和功能的不断扩展，并有利于BMP模拟、优控制、截流、滞留和渗透等工程技术，可以对暴雨过 化和计算效率等方面改进技术的整合，SUSTAIN采程产生的径流量、洪峰时间和污染负荷进行有效控 用了模块结构进行系统设计，共包括框架管理、BMP制，因此可减轻城市排水系统的压力并有助于改善 布局、土地模拟、BMP模拟、传输模拟、优化和后处城市水环境质量。然而，如何评估BMP和LID措施理程序7个模块。对于城市降雨径流水量和水质的改善效果?如何根 1．1框架管理 Framework Manager 模块据控制目标制定最经济最有效的暴雨管理方案?要 框架管理模块作为指挥中心连接其他模块，管回答这些问题，需要采取模型分析的手段对BMP和 理系统元件之间的数据交换，并提供外部输入、调用LID的措施类型、安置地点和实施效果进行科学有 模型组件和数据输出等功能。在操作时，框架管理效的设计与评估。 模块首先确认必要的数据需求，并根据GIS地图和 在现有的暴雨管理模型中，已有多个模型系统 数据，在待研究流域确定土地单元、BMP和传输系可以对BMP和LID措施进行间接模拟口1。

如在 统的模拟网络，之后识别各个模拟模块的模型输入SWMMM o和MOUSE”1中，可以通过调整不透水地表 文件。在模拟结束后，框架管理模块负责将后处理比例等参数，间接模拟采用透水砖铺装对整个排水 程序输出至决策优化引擎，在对当前方案进行评估系统的影响，也可通过改变土壤特性参数间接模拟 后，从可选矩阵 FeasibleMatrix 中选择下一 Option绿色屋顶；在SWMM中还可设置蓄水池等储水设个推荐方案并评估，直至满足用户设置的最佳方案施。国内已有学者对暴雨管理相关模型及LID设计 被选出。软件进行了介绍MJ，赵冬泉等自主开发的数字排水 1．2 BMP布局工具 BMPT001 sirius平台 DigitalWaterDS 通过将SWMM与GIS紧密集BMP布局工具可根据场地的实际情况，由用户成，可以实现暴雨管理的模拟分析17J，并辅助BMP 设置BMP措施的布局规则 如排水区域面积、场地措施的设计与评估[8]。由于暴雨管理方案的制定 坡度、土地类型、地下水位深度、道路缓冲区、河流缓需要考虑水文特征、土壤类型、土地利用状况、气候 冲带和建筑缓冲区要求距离等 ，或选择系统默认和降雨特征等多个因素的综合影响，为了能够更直 的设置数据。

运行程序后，BMP布局工具在地图上观、更准确地辅助用户开展BMP和LID措施的工程 以高亮模式显示出符合设置条件的BMP措施布置应用，需要开发专门用于BMP和LID模拟的设计和区域。在此基础上，用户还可以输入附加的数据或 ·30· 万方数据 邢薇，等：城市暴雨处理及分析集成模型系统 SUSTAIN 介绍第28卷第2期 WWW．watergasheat．con M0dIde 地理信息 如设定BMP只能安置在公共土地上 以1．5传输模拟模块 Conveyance进一步缩小BMP布局的区域范围。 传输模块模拟径流和污染物在土地、BMP、管1．3土地模拟模块 LandModule 线、河段之间的传输过程，支持封闭管道或不封闭渠 土地模块模拟降雨、降雪、渗透、蒸发、地表径 道中多种断面形状 包括不规则的自然断面以及用流、地下水回灌和地下水出流等过程，具有内部模拟 户自定义的断面 的模拟。传输模块中径流和非沉 Simula—积污染物的传输采用SWMM5中的运算法则，沉积 InternalSimulation 和外部模拟 Externaltion 两个选项。内部模拟运用SWMM5中的运算 物传输则采用HSPF模型进行计算。

Module 法则计算水文和水质过程线，沉积物计算则根据 1．6优化模块 Opthnization Simulation 优化模块的主要功能是在可行的BMP布局、类 Program—FORTRAN HSPF Hydrological模型，需要设定温度和蒸发等气象参数、污染物特 型和规模的备选名单中，采用进化优化技术寻找到性、土地利用特性、雨量计和子汇水区特性等参数。 满足用户定义决策衡量准则的经济有效的最佳方 案。目前，在SUSTAIN中已实现了两种优化算法，外部模拟可以根据其他模型 如HSPF和LSPC等 Search获得的输出文件，为每一个土地利用类型直接输入 即分散搜索算法 Scattermethod 和非劣排序 Genetic单位面积径流和污染负荷的时间序列数据，而不需 遗传算法 Non—dominatedSorting Algorithm要在SUSTAIN中重新计算。利用外部模拟时，需要保证外部模型经过率定和验证，并以小时或更短的 径流和污染负荷减量目标寻找最佳的BMP方案，非时间步长进行计算。 劣排序遗传算法可基于BMP建设和维护成本生成1．4 BMP模拟模块 BMPModule 效率一成本曲线，从而为决策者寻找最经济的BMP 方案提供数据依据。

SUSTAIN系统将BMP措施划分为点状、线状和面状三种类型。点状BMP措施物进行摄取、为野生动物提供栖息地并具有 拟结果的输出显示。输出结果主要包括暴雨事件分一定的美学价值；面状BMP措施包括透水铺装和绿 级分析、特定暴雨时间序列显示、BMP性能报表和色屋顶等，可改变不透水地表的比例和土地覆盖状 效率一成本曲线等。况，可去除部分污染物。BMP模块即综合考虑这些 2 SUsl：’A矾模拟原理和方法BMP措施的孔堰控制结构，以及渗透、蒸发和植物 SUSTAIN中的核心模拟过程包括土地模拟、生长等过程，进行径流演算和污染物损失、降解和传 BMP模拟和传输模拟，在系统中考虑了计算复杂性输过程的模拟。

和实用性的平衡，综合运用了SWMM、HSPF的运算 为了评估多个BMP的整体特征，SUSTAIN中设法则，并集成了乔治王子郡的BMP模型。土地模 BMP 块、BMP模块和传输模块在SusTAIN中紧密关联，计了集总式BMP组件 Aggregatecomponent ，无需详细识别每一个BMP的空间分布和演算特征， 共同实现在源头 土地 、BMP和传输系统中径流、仅需考虑一组BMP措施的整体效果 包括原位拦沉积物和其他污染物的汇集和传输模拟。截、原位处理、径流量减少、区域性储存和处理 并 2．1 土地模拟原理和方法进行模拟。当流域面积 50hm2 较小时，采用集 采用内部模型进行模拟时，SUSTAIN的土地模总式BMP模拟的计算误差较小，同时可节约大量模 拟模块包括气象、水文和水质3个组件，气象组件涉拟时间，因此具有显著优势。在BMP模块中还加入 及降雨 雪 、融雪和蒸发过程，水文组件主要包括了费用估算组件，可基于从多个BMP原材料批发渗透、坡面漫流和地下水等降雨径流过程的模拟，水商、零售供货商以及BMP措施运行地收集到的单位 质组件基于水文组件计算出的总流量 包括径流量成本进行核算。

和地下水出流量 计算污染物的传输，SUSTAIN中 ·31· 万方数据 第28卷、第2期 中国给水排水将污染物分为沉积物和非沉积物，沉积物按照颗粒 ①在污染物传输过程中，除了采用完全混合粒径大小分布又被划分为沙 直径为0．05～2．0式的连续搅拌釜式反应器 CSTR 的计算原理，还增mm 、淤泥 直径为0．002—0．05mm 和粘土 直径加了多级串联CSTR的模拟方法，从而可以部分体 0．002 mm ，水质模拟主要包括污染物的累积、冲 现推流过程的模拟；刷和沉积物的侵蚀过程。 ②加人了k’一c+模型¨刨模拟污染物的去 如前所述，土地模拟模块主要采取了SWMM中除，考虑了背景浓度C+，并通过引入k’ 与BMP构 的模拟原理和运算法则，对于SwMM中未考虑的沉造的高度相关 ，可更准确地对形状不规则的BMP积物模拟，则根据HSPF模型进行计算。同时，考虑措施进行模拟；到BMP模拟中地下水与地表水之间的关系具有重 ③采用VFSMOD算法，对缓冲带污染物的拦大意义，SUSTAIN在SWMM地下水模拟模块的基础截过程进行了动态模拟。上，又参考HSPF中的模拟方法进行了改进，即当地 BMP模块中的模拟过程和方法见表2。sustain接口

下水位接近或超过地面时，考虑了饱和土壤水与非 表2 BMP模块中的模拟过程和方法 Tab．2SimulationandmethodofBMPmodule饱和土壤水之问的相互作用。土地模块中的模拟过 process程和方法见表1。 项 目 模拟方法1 模拟方法2 表1 土地模块中的模拟过程和方法 堰、孔口 对于线状BMP，采用联 流量演算 Tab．1Simulationandmethodoflandmodule 平衡方程 立连续方程和曼宁方程 process 渗透． Holtan—Lope方程 Green—Ampt方法 项目 过程 模拟原理和方法 参考模型 降雨 雪 依据气象数据输入 SWMM 蒸发损失 恒定蒸发速率， Harmon方法 月／日平均蒸发量 Degree—Day方程， 融雪 SWMM 多级串联7CSTR NWS方程 污染物传输完全混合 单一CSTR 气象组件 污染物去除 一级降解方程 k’一C+模型 恒定蒸发速率，月平均 蒸发 蒸发量，用户自定义 SWMM 缓冲带 动力波坡面漫流方程 时间序列 流量演算 渗透 SWMM Green—Ampt方法 缓冲带污 VFSMOD算法 坡面漫流 非线性水库模型 SWMM 染物拦截 水文组件 改良的双区域地下水 缓冲带污 SWMM 一级降解方程 地下水模拟 模型 Two．zone 染物去除 及HSPF model groundwater 2．3传输模拟原理和方法 幂函数累积公式，指数 非沉积污 函数累积公式，饱和 SWMM 在SUSTAIN的传输模块中，主要考虑了径流演 染物累积 函数累积公式 算、沉积物沉淀和传输、污染物去除和传输三个部分 非沉积污 指数冲刷曲线，流量 的模拟。

径流演算采用SWMM中的运动波方程进 特性冲刷曲线，次降雨 SWMM 染物冲刷 径流平均浓度 行模拟，沉积物沉淀和传输采用HSPF中相应算法 对于透水地表，沉积物的 进行模拟，污染物去除采用一级降解方程计算，污染 水质组件 产生和去除采用HSPFHSPF 。物传输采用CSTR原理进行模拟。 沉积物侵 中的SEDMNT方法 蚀和传输 对于不透水地表，沉积 随着BMP模拟单元个数的增加，模拟时间也显 物累积和冲刷的模拟、 SWMM 著增加，特别是对大型流域进行模拟时，如何减小模 方法同非沉积污染物 拟时间是一个至关重要的问题。SUSTAIN系统中 沉积物 用户自定义 HSPF 管道传输模拟耗时大约是BMP的9倍，因此，为了 粒径分配 减轻运算负担，应在不影响模拟结果准确性的基础 用户自定义 街道清扫 污染物去除率 SWMM 上，尽量简化传输模拟 特别是通过管道进行的传2．2 BMP模拟原理和方法 输模拟 ，这仍需要进一步开发可信的、可以平衡计 算效率和管道水力模拟准确度的方法。 SUSTAIN中BMP模块的模拟方法主要参考乔治王子郡的BMP模型，并在以下几方面进行了改 3结语进： ． ·32· 万方数据 邢 薇，等：城市暴雨处理及分析集成模型系统 SUSTAIN 介绍第28卷第2期 ．wmegasheat．conl stormwater Model— urban drainage[J]．Environ评估提供了科学有效的系统工具，为先进暴雨管理 impact Software，2007，22 3 ：394—405．理念的工程实践奠定了基础。

由于基于 ling 4 RossmanLA．Stormwater ModelUser’SBMP和LID的流域管理分析存在较大的复杂性，要1J Management Manual Version Risk求SUSTAIN的使用者对流域和BMP模型的机理有 Research EPA，2005． ManagementLaboratory，US深入的理解，并熟悉模型率定和验证的操作过程，这 5 DHI．MOUSESuceRunoff Manual rl-rL 1J Models，Reference无疑阻碍了该系统在我国的推广与应用。同时，我 [R]．Denmark：DHISoftware，2002．国暴雨管理中目前仍面临多方面的问题，需要开发 rL 61J 张大伟，赵冬泉，陈吉宁，等．城市暴雨径流控制技术能够将管网模型、BMP模型和各种业务管理系统紧密集成的暴雨综合管理系统，需要模型软件系统具 —29．有与其他软、硬件设备进行接口的功能，这是SUS· 7 rL 1J 赵冬泉，王浩正，盛政，等．城市暴雨管理数字化解决TAIN等国外软件目前难以提供的功能。sustain接口因此，借鉴 方案[J]．中国给水排水，2008，24 20 ：15一19． rL 81J 赵冬泉，邢薇，佟庆远，等．基于数字排水技术的城市SUSTAIN的先进经验，自主开发能够真正满足我国各地需求并适应我国国情的暴雨管理与评估系统任’ 雨洪控制方案设计与评估[J]．中国给水排水，2010，重而道远。

26 16 ：74—77． 9 USEPA．SUSTAIN—AFrameworkforPlacementof rL 1J Best PracticesinUrbanWatershedstoPro—参考文献： Management tectWater Roesner R．Are[1] L，BledsoeB，Brashear best—manage— ofResearchand criteria Washington：Office Development，2009． reallyenvironmentallyfriendly merit—practice K KadlecR RL．Treatment WaterResour rL 1J H，Knight [J]．J Planning Manage，2001，27 3 ： caRaton FL：LewisPublishers，1996． 150—154． USEPA．Low Literature[2] ImpactDevelopment LID ：A E—mail：[emailprotected]．cn Review EPA一841一B—OO一005 [R]．Washington： OfficeofResearchand 责任作者：赵冬泉 Development，2000． A SA．AreviewofmodelsforlOW 收稿日期：2011—07—12 H，Trowsdale[3]Elliott ·信息· 民营企业2011十大碧水环保先锋评选活动颁奖 民营企业在水环保事业中发挥巨大作用 由中国光彩事业促进会指导、中国光彩事业基金会主办、中国光彩事业基金会旭化成水环保基金提供支持的民营企业201l’十大碧水环保先锋评选活动颁奖典礼，于2011年12月8日在北京举行。

云南南磷集团股份等10家企业荣获民营企业2011十大碧水环保先锋奖。贵州省绿地环境科技等6家企业荣获最佳企业水环保管理奖、广东兴达鸿业电子等6家企业荣获最佳节水治污技术创新奖、江苏船山矿业股份等6家企业荣获最佳环境效益奖。 中国光彩事业促进会、中国光彩事业基金会、环保部有关领导，旭化成株式会社、日本驻华代表，和地方相关媒体以及获奖单位代表约100人出席了颁奖典礼。 旭化成中国供稿 ·33· 万方数据城市暴雨处理及分析集成模型系统 SUSTAIN 介绍作者： 邢薇， 王浩正， 赵冬泉， 董鲁燕， XING Wei， WANG Hao-zheng， ZHAO Dong-quan， DONG Lu- yan作者单位： 北京清华城市规划设计研究院环境与市政所,北京,100084刊名： 中国给水排水英文刊名： China Water & Wastewater年，卷 期 ： 2012,28 2 被引用次数： 1次参考文献 10条 1.Roesner L;Bledsoe B;Brashear R Are best-management-practice criteria really environmentally friendly 2001 03 2.US EPA Low Impact Development LID :A Literature Review EPA-841-B-00-005 20003.Elliott A H;Trowsdale S A A review of models for low impact urban storm water drainage 2007 03 4.Rossman L A Stormwater Management Model User' s Manual 20055.DHI MOUSE Suce Runoff Models,Reference Manual 20026.张大伟;赵冬泉;陈吉宁 城市暴雨径流控制技术综述与应用探讨 2009 增刊 7.赵冬泉;王浩正;盛政 城市暴雨管理数字化解决方案[期刊论文]-中国给水排水 2008 20 8.赵冬泉;邢薇;佟庆远 基于数字排水技术的城市雨洪控制方案设计与评估[期刊论文]-中国给水排水 2010 16 9.US EPA SUSTAIN-A Framework for Placement of Best Management Practices in Urban Watersheds to Protect WaterQuality EPA-600-R-09-095 200910.Kadlec R H;Knight R L Treatment Wetlands 1996引证文献 1条 1.赵宇 低影响开发理念在城市规划中的应用实践[期刊论文]-规划师 2013 z1 引用本文格式：邢薇.王浩正.赵冬泉.董鲁燕.XING Wei.WANG Hao-zheng.ZHAO Dong-quan.DONG Lu-yan 城市暴雨处理及分析集成模型系统 SUSTAIN 介绍[期刊论文]-中国给水排水 2012 2

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