張紅萍，李 敏，賀瑞敏，臧文斌，劉 舒，胡春宏

(1. 中國(guó)水利水電科學(xué)研究院防洪抗旱減災(zāi)研究中心，北京 100038；2. 南京水利科學(xué)研究院水文水資源與水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210029；3. 中國(guó)水利水電科學(xué)研究院流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100038)

伴隨著全球氣候變化和快速城市化，城市洪澇災(zāi)害引起了世界范圍的廣泛關(guān)注[1-3]。城市洪澇模擬在城市雨洪規(guī)劃設(shè)計(jì)和洪澇災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估及預(yù)報(bào)預(yù)警等方面，發(fā)揮著越來(lái)越重要的支撐作用，相關(guān)研究和應(yīng)用日益廣泛和深入。近一二十年來(lái)，信息采集技術(shù)和計(jì)算能力的飛速發(fā)展，進(jìn)一步推動(dòng)了城市洪澇模擬技術(shù)的快速發(fā)展?，F(xiàn)有城市洪澇模擬方面的評(píng)述，主要有2類。一類是依據(jù)城市雨洪過程，分別對(duì)降雨產(chǎn)流、地表匯流、管網(wǎng)匯流等關(guān)鍵環(huán)節(jié)進(jìn)行討論，例如，胡偉賢等[4]和臧文斌等[5]分別做過這類評(píng)述。第二類是依據(jù)模擬計(jì)算方法對(duì)模型進(jìn)行分類討論。例如，Guo等[6]將模型分成管網(wǎng)模型、基于淺水動(dòng)力學(xué)的模型、基于水文地貌法的模型以及其他模型并分別進(jìn)行評(píng)述；Qi等[7]將模型分為水文模型、水動(dòng)力模型和簡(jiǎn)化模型并分別進(jìn)行評(píng)述；徐宗學(xué)和葉陳雷[8]從城市水循環(huán)特征與水文模型、城市洪澇過程與水動(dòng)力模型、水文水動(dòng)力耦合模型等3個(gè)角度進(jìn)行評(píng)述。可以看出，現(xiàn)有的評(píng)述，主要依據(jù)城市洪澇過程或模擬計(jì)算方法進(jìn)行分類討論，缺乏應(yīng)用需求的視角。一方面，隨著應(yīng)用需求的日益深化，城市洪澇模擬應(yīng)用場(chǎng)景日趨多樣化和復(fù)雜化，常常需要多過程、多方法的組合應(yīng)用。不同應(yīng)用場(chǎng)景下，關(guān)注的過程不同，采取的模擬技術(shù)及其耦合方式不盡相同，應(yīng)用的重點(diǎn)和難點(diǎn)也存在差別。另一方面，很多模型軟件平臺(tái)功能也日趨綜合化，常常包含多個(gè)模塊，不同模塊可以相互組合以滿足不同的應(yīng)用需求，甚至還存在不同模型之間的組合應(yīng)用?？梢哉f，脫離具體的模擬應(yīng)用場(chǎng)景，很難辨析這些不同過程、不同方法、不同模塊或不同模型之間的組合方式及應(yīng)用的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

本文嘗試從城市洪澇模擬應(yīng)用需求出發(fā)，歸納總結(jié)城市洪澇模擬的典型應(yīng)用場(chǎng)景，并基于典型應(yīng)用場(chǎng)景，分析相應(yīng)的模擬技術(shù)策略及其特點(diǎn)，以期從應(yīng)用需求的角度對(duì)城市洪澇模擬技術(shù)進(jìn)行梳理，進(jìn)而為城市洪澇模擬應(yīng)用及相關(guān)研究提供一個(gè)全新的視角。

1 城市洪澇模擬典型應(yīng)用場(chǎng)景

城市洪澇模擬應(yīng)用場(chǎng)景種類繁多。本文嘗試根據(jù)模擬的對(duì)象(即模擬的洪水來(lái)源)和模擬關(guān)注的變量來(lái)對(duì)其分類，因?yàn)檫@兩者分別對(duì)應(yīng)于模擬的輸入和輸出，由應(yīng)用需求決定，并最大程度決定所采用的技術(shù)策略。根據(jù)模擬對(duì)象，城市洪澇模擬可以分為兩大類：第一類是對(duì)城市外來(lái)洪水造成的淹沒過程進(jìn)行模擬，稱為城市外洪模擬；第二類是對(duì)城市本地降雨造成的洪澇過程進(jìn)行模擬。根據(jù)模擬所關(guān)注的變量，第二類模擬又可分為雨洪模擬和內(nèi)澇模擬，前者重點(diǎn)關(guān)注出口斷面徑流過程和管渠內(nèi)水動(dòng)力特征；后者不僅關(guān)注出口斷面徑流過程和管渠內(nèi)水動(dòng)力特征，而且重點(diǎn)關(guān)注地表洪澇淹沒過程。因此，根據(jù)模擬的對(duì)象和模擬關(guān)注的變量，城市洪澇模擬可以分為城市外洪模擬、城市雨洪模擬、城市內(nèi)澇模擬3種典型應(yīng)用場(chǎng)景，如表1所示。

表1 城市洪澇模擬典型應(yīng)用場(chǎng)景

2 相應(yīng)技術(shù)策略

2.1 城市外洪模擬

城市外來(lái)洪水，一般指江河湖海洪水或潮水突破堤岸造成城市淹沒的過程。這類洪水的特征是洪水總量較大，演進(jìn)速度快，洪水從堤岸漫溢或潰口處向前演進(jìn)，存在明顯的洪水前鋒線。這類洪水模擬重點(diǎn)關(guān)注地表淹沒水深、流速和時(shí)間等水動(dòng)力特征變量，因此，技術(shù)策略上一般采用地表二維或地表二維與河道一維耦合的水動(dòng)力學(xué)模型，這類用于城市外來(lái)洪水演進(jìn)模擬的模型通常稱為洪水演進(jìn)模型[9]。江河湖海洪水或潮水引起的城市洪水演進(jìn)模擬，就城市內(nèi)部而言，均可以概化成圖1所示的形式。從江河湖海進(jìn)入城市的洪水，常作為邊界入流過程加入城市洪水演進(jìn)模型中，有時(shí)耦合潰口演變模型或近海波浪模型等外部模型[9-10]以實(shí)時(shí)計(jì)算入流過程。

圖1 城市外洪模擬概化示意Fig.1 Schematic for urban fluvial flood modeling

洪水演進(jìn)模型，基于一維或二維淺水方程組數(shù)值解，屬于淺水動(dòng)力學(xué)研究范疇，最早主要用于河道及洪泛區(qū)的洪水演進(jìn)過程的模擬，相關(guān)技術(shù)發(fā)展起步較早，應(yīng)用相對(duì)成熟。國(guó)外成熟的商業(yè)化洪水演進(jìn)模型有MIKE11、MIKE21、HEC-RAS、TUFLOW等[11-14]，還有一些文獻(xiàn)經(jīng)常報(bào)道的模型如LISFLOOD、TRENT、SOBEK、JSFLOW等[15-18]。國(guó)內(nèi)自20世紀(jì)90年代以來(lái)，眾多學(xué)者先后自主研發(fā)了一維、二維及其耦合的洪水演進(jìn)模型[19-22]。

城市洪水演進(jìn)模型，是在上述河道及洪泛區(qū)洪水演進(jìn)模型的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的。如前所述，城市外來(lái)洪水，尤其是堤壩潰決引起的洪水或風(fēng)暴潮引起的海水入侵，洪水總量較大，演進(jìn)速度快，因此，這類洪水模擬采用的網(wǎng)格尺度一般在10 m到百米量級(jí)甚至更大，對(duì)城市下墊面特性的處理也相對(duì)簡(jiǎn)略，早期甚至忽略城市下墊面特性，將城市當(dāng)作一般洪泛區(qū)分進(jìn)行模擬[23]。隨著研究的深入，逐步開始采用加大糙率法、容積率法等來(lái)模擬建筑物的阻水作用[24]。另外，城市地下管網(wǎng)、土壤入滲等過程的影響較小，常忽略不計(jì)。

2.2 城市雨洪模擬

城市雨洪模擬主要用于城市雨洪工程規(guī)劃設(shè)計(jì)和運(yùn)行管理。城市雨洪工程，既包括傳統(tǒng)的城市雨水管網(wǎng)和排水河渠，也包括近年來(lái)興起的低影響開發(fā)技術(shù)[25]或稱海綿措施[26-27]。這類模擬的對(duì)象是本地降雨，重點(diǎn)關(guān)注出口斷面徑流過程和管渠內(nèi)的水位/水頭、流速等水動(dòng)力特征變量，因此，技術(shù)策略上一般采用降雨產(chǎn)匯流模型耦合管渠匯流模型，概化形式如圖2所示。具體來(lái)說，這類模擬應(yīng)用，首先將模擬區(qū)域劃分成若干子流域或子匯水區(qū)，在每個(gè)子流域上應(yīng)用降雨產(chǎn)匯流模型，得到子流域出口徑流過程，然后將該徑流過程加入排水管渠模型，再由管渠模型進(jìn)行匯流演算。這類用于城市雨洪模擬的模型通常稱為城市雨洪模型[4,28]或城市降雨徑流模型[29]。這類模擬的本質(zhì)是城市下墊面條件下的降雨產(chǎn)匯流模擬，早期屬于水文學(xué)研究范疇。由于降雨產(chǎn)匯流以子流域?yàn)橛?jì)算單元，這類模型可以稱為半分布式模型[30-31]。

圖2 城市雨洪模擬概化示意Fig.2 Schematic for urban stormwater modeling

根據(jù)上述技術(shù)策略，城市雨洪模型一般包括子流域降雨產(chǎn)匯流和管渠匯流等主要模塊。其中，子流域降雨產(chǎn)匯流的理論和計(jì)算方法與流域水文模型中有關(guān)理論和方法一脈相承，不同的是，城市雨洪模擬需要考慮城市不透水面積的影響，每個(gè)子流域常劃分成透水區(qū)和不透水區(qū)2種地類或更多地類[29，32]。另外，城市雨洪模擬一般針對(duì)場(chǎng)次降雨，壤中流和地下徑流影響相對(duì)較小，因此模擬重點(diǎn)關(guān)注地表徑流，一般忽略壤中流和地下徑流。管渠匯流，一般包含管網(wǎng)匯流和河渠匯流2個(gè)過程，簡(jiǎn)便起見，將兩者合稱管渠匯流。有些城市雨洪模型的管渠匯流模塊，如SWMM模型[33]，可以同時(shí)兼顧管網(wǎng)水流和河網(wǎng)水流的模擬，也有很多模型將兩者分開考慮。早期的管渠匯流演算仍然沿用水文學(xué)匯流演算方法[34-35]，隨著技術(shù)的發(fā)展，當(dāng)前普遍采用明滿統(tǒng)一的一維水動(dòng)力學(xué)模型[36-37]。

城市雨洪模型發(fā)展歷史悠久。國(guó)外已有多款成熟的城市雨洪模型，如SWMM、MIKE URBAN、Wallingford ICM等[38-40]。國(guó)內(nèi)岑國(guó)平[41]、張小娜等[35]、Hu等[42]也研制了這類模型。這類子流域降雨產(chǎn)匯流模型耦合管渠匯流模型的半分布式城市雨洪模型，建模過程相對(duì)簡(jiǎn)單，對(duì)數(shù)據(jù)依賴度低，計(jì)算速度快，能有效滿足城市雨洪工程規(guī)劃設(shè)計(jì)和運(yùn)行管理應(yīng)用需求，是當(dāng)前城市雨洪模擬中普遍采用的技術(shù)策略。

2.3 城市內(nèi)澇模擬

城市內(nèi)澇模擬，主要用于城市內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估及預(yù)警預(yù)報(bào)等。引發(fā)城市內(nèi)澇的一般是強(qiáng)降雨過程或稱暴雨過程，因此，這類模擬也常稱為暴雨內(nèi)澇模擬或暴雨洪澇模擬等[8,43-45]，用于城市暴雨內(nèi)澇模擬的模型稱為暴雨內(nèi)澇模型或暴雨洪澇模型[46-48]。城市內(nèi)澇模擬的對(duì)象也是本地降雨，本質(zhì)上仍是城市下墊面條件下的降雨產(chǎn)匯流模擬，但與城市雨洪模擬不同的是，這類模擬不僅關(guān)注出口斷面徑流過程和管渠內(nèi)水動(dòng)力特征，而且重點(diǎn)關(guān)注地表甚至地下空間的洪澇淹沒情況，因此，所采取的技術(shù)策略，存在明顯不同。根據(jù)降雨產(chǎn)匯流模式的不同，當(dāng)前城市暴雨內(nèi)澇模擬存在半分布模式和全分布模式2種典型技術(shù)策略。

2.3.1 半分布模式

半分布模式一般包括子流域產(chǎn)匯流、管渠匯流和地表淹沒等主要模塊，各模塊及其耦合方式可概化成如圖3所示形式。這類模擬應(yīng)用的基本思路是：首先將模擬區(qū)域劃分成若干子流域，并在子流域上計(jì)算降雨產(chǎn)匯流，子流域出口徑流加入排水管渠模型中，由管渠模型進(jìn)行匯流演算；當(dāng)且僅當(dāng)排水管渠超載時(shí)，驅(qū)動(dòng)地表模型，并將管渠超載水量作為點(diǎn)源加入地表模型，再由地表模型完成地表洪澇淹沒模擬。由于降雨產(chǎn)匯流以子流域?yàn)橛?jì)算單元，這類模型也可以稱為半分布式暴雨內(nèi)澇模型。

圖3 半分布式暴雨內(nèi)澇模擬概化示意Fig.3 Schematic for semi-distributed urban pluvial flood modeling

可以看出，半分布式暴雨內(nèi)澇模型，實(shí)質(zhì)是將傳統(tǒng)城市雨洪模型與洪水演進(jìn)模型直接耦合應(yīng)用的一類模擬技術(shù)策略。其中，子流域降雨產(chǎn)匯流和管渠匯流與前述城市雨洪模型完全相同，無(wú)需贅述。地表淹沒模型與前述洪水演進(jìn)模型的技術(shù)原理完全相同，但在應(yīng)用技巧和難點(diǎn)上存在差別。這類模擬應(yīng)用中，地表洪水來(lái)源為管渠超載溢流，洪量和流速一般相對(duì)較小，洪水演進(jìn)受局部地形影響顯著，因此要求地表網(wǎng)格尺度更小，通常需要達(dá)到10 m量級(jí)甚至以下[49]。同時(shí)，由于地表建筑物尺度往往大于網(wǎng)格尺度，加大糙率法或容積率法等建筑物處理方法難以適用，通常采用挖空法或拔高法等方法[50]。地表與管網(wǎng)之間的耦合，是這類模擬應(yīng)用和研究的重點(diǎn)，兩者之間以檢查井為耦合連接點(diǎn)，且存在單向和雙向2種耦合模式[51-53]。

這類半分布模式將已有成熟技術(shù)直接耦合應(yīng)用，技術(shù)路線相對(duì)成熟，對(duì)管網(wǎng)數(shù)據(jù)的依賴度較低，是當(dāng)前國(guó)內(nèi)外城市暴雨內(nèi)澇模擬中最為普遍的模式。其中，最典型的模式是將已有成熟的城市雨洪模型與洪水演進(jìn)模型耦合應(yīng)用，例如，SWMM與TUFLOW耦合[54]、MKE FLOOD平臺(tái)中的MIKE Urban與MIKE 21及MIKE11耦合[55]、Infoworks ICM平臺(tái)中的降雨產(chǎn)匯流模型和管渠模型與地表模型的耦合[56]等。另外，由于SWMM模型開源便利性，相當(dāng)多的學(xué)者將SWMM模型與自主研發(fā)的地表二維模型進(jìn)行耦合應(yīng)用。例如，Hsu等[57]將SWMM模型與一個(gè)擴(kuò)散波模型耦合；黃國(guó)如等[58]將SWMM模型與自主研發(fā)的地表二維水動(dòng)力模型耦合。

然而，這類半分布模式物理機(jī)制上存在一定的不足。首先，這類模式將降雨產(chǎn)匯流過程和地表洪澇過程分成2個(gè)相互獨(dú)立的過程，且地表洪水來(lái)源為管渠溢流，因此，只能模擬管渠漫溢造成的地表洪澇淹沒過程。實(shí)際上，暴雨引起的城市地表洪澇淹沒不僅僅是由管渠漫溢造成的，尤其是在超標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)降雨條件下，降雨產(chǎn)匯流過程與地表洪澇淹沒過程常?；旌辖豢?、難以分割。其次，城市排水系統(tǒng)中，雨水口和檢查井的功能是不同的[59]，而這類半分布式模擬應(yīng)用中常忽略雨水口，各模塊之間基于檢查井進(jìn)行耦合連接，與實(shí)際情況并不完全相符。最后，城市下墊面及匯流關(guān)系復(fù)雜，子流域的劃分存在較大的主觀性，也是這類模擬應(yīng)用的不確定性因素之一。

2.3.2 全分布模式

全分布模式一般包括地表模型和管渠模型等主要模塊，各模塊及其耦合方式可概化成如圖4所示形式。這類模型的基本原理是，在地表二維水動(dòng)力學(xué)模型的基礎(chǔ)上，將降雨及損失強(qiáng)度等作為源項(xiàng)加入二維淺水方程組中，由地表模型同時(shí)完成地表徑流演算和洪澇淹沒計(jì)算，且地表與管渠進(jìn)行雙向耦合。這類模型直接利用地表網(wǎng)格(或稱柵格)作為降雨產(chǎn)匯流計(jì)算單元，因此可以稱為全分布式暴雨內(nèi)澇模型[30-31]。

圖4 全分布式暴雨內(nèi)澇模擬概化示意Fig.4 Schematic for fully distributed urban pluvial flood modeling

全分布式暴雨內(nèi)澇模型中，地表網(wǎng)格既是降雨產(chǎn)匯流計(jì)算單元，也是地表洪澇淹沒計(jì)算單元，因此，降雨產(chǎn)匯流過程和地表洪澇淹沒過程統(tǒng)一，這與降雨形成地表徑流及洪澇淹沒的實(shí)際過程相符，較半分布式暴雨內(nèi)澇模型具有更明確的物理機(jī)制。國(guó)內(nèi)程曉陶等[60]早在20世紀(jì)90年代就開始應(yīng)用二維水動(dòng)力學(xué)模型對(duì)城市暴雨內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行研究。近一二十年，隨著高精度數(shù)據(jù)采集技術(shù)及計(jì)算能力的飛速發(fā)展，這類全分布式模型引起了越來(lái)越多的研究興趣。國(guó)外已有這類商業(yè)化的模型FLO-2D及其應(yīng)用案例[61-62]。國(guó)內(nèi)眾多學(xué)者對(duì)這類模型進(jìn)行了研究[31,63]，Zhang等[59]和王靜等[64]在程曉陶等[60]基礎(chǔ)上發(fā)展了這類模型并已應(yīng)用于國(guó)內(nèi)多個(gè)城市。這類全分布模式依然存在諸多技術(shù)難點(diǎn)，歸納幾點(diǎn)如下。

(1) 這類全分布模式中，地表模型同時(shí)承擔(dān)地表徑流模擬和洪澇淹沒模擬的功能，這兩者受局部地形影響更加顯著，因此要求網(wǎng)格尺度更加精細(xì)，通常需要達(dá)到5 m甚至以下。這對(duì)數(shù)據(jù)條件和計(jì)算能力都是巨大的挑戰(zhàn)，成為制約其實(shí)際應(yīng)用的一個(gè)關(guān)鍵瓶頸。

(2) 基于網(wǎng)格單元的產(chǎn)流模式，還有待更多深入研究。現(xiàn)有的城市降雨產(chǎn)流理論和方法，都是以子流域?yàn)橛?jì)算單元，空間尺度遠(yuǎn)大于地表網(wǎng)格單元。這些較大尺度上的理論和方法以及有關(guān)的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，移植到米級(jí)尺度的地表網(wǎng)格單元上，空間尺度效應(yīng)還有待更多檢驗(yàn)。另外，現(xiàn)有大多數(shù)應(yīng)用和研究中，一般以凈雨強(qiáng)度作為地表模型的輸入，實(shí)際上是簡(jiǎn)化了地表水量損失過程。

(3) 不同水動(dòng)力學(xué)模型在地表徑流模擬中的適用性也有待進(jìn)一步比較研究。動(dòng)力波模型在潰壩洪水演進(jìn)模擬中具有激波捕捉的優(yōu)勢(shì)，在地表徑流模擬研究中也取得了較好的效果[65-66]。但降雨引起的地表徑流屬于薄層低速水流，干濕邊界問題在空間和時(shí)間上廣泛存在，削弱了動(dòng)力波模型的優(yōu)勢(shì)。而且動(dòng)力波模型計(jì)算時(shí)間成本高，實(shí)際應(yīng)用仍然存在較大難度。比較而言，擴(kuò)散波等簡(jiǎn)化模型在地表徑流模擬中不僅具有相當(dāng)?shù)木龋矣?jì)算速度快、穩(wěn)定性好，因而表現(xiàn)依然活躍。

(4) 地表與管網(wǎng)之間的耦合仍然是這類模擬的重點(diǎn)和難點(diǎn)。如前所述，半分布模式中各模塊之間以檢查井為耦合連接點(diǎn)；而全分布模式中，由于降雨完全分布于地表網(wǎng)格上，理論上要求地表與管網(wǎng)之間的耦合需要精細(xì)到雨水口，這對(duì)管網(wǎng)數(shù)據(jù)條件和雨水口水流計(jì)算精度均提出了更高的要求，還有待更多更精細(xì)的研究。

(5) 全分布模式中，建筑物的處理需要更多的技巧。在前述外洪演進(jìn)模擬或管渠溢流淹沒演進(jìn)模擬中，一般只考慮建筑物阻水作用。在全分布式模式中，建筑物不僅是阻水障礙物，也是降雨產(chǎn)匯流單元，且大多數(shù)城市建筑物有專門的雨水收集系統(tǒng)，因此不能簡(jiǎn)單地應(yīng)用挖空法或拔高法。

3 結(jié)論與展望

城市洪澇模擬采取何種技術(shù)策略，取決于模擬對(duì)象的特性和模擬關(guān)注的變量，同時(shí)還需要綜合考慮數(shù)據(jù)條件和計(jì)算能力等多方面的因素。城市外洪模擬一般采用二維或一二維耦合的水動(dòng)力學(xué)洪水演進(jìn)模型。城市雨洪模擬一般采用子流域降雨產(chǎn)匯流模型耦合管渠匯流模型的城市雨洪模型。城市內(nèi)澇模擬存在半分布模式和全分布模式2種技術(shù)策略，且兩者均存在不同的技術(shù)難點(diǎn)，是當(dāng)前城市洪澇模擬研究的重點(diǎn)和熱點(diǎn)。

從發(fā)展路徑看，上述典型應(yīng)用場(chǎng)景和技術(shù)策略的發(fā)展存在一個(gè)由分到合的過程。具體的，城市外洪模擬受水動(dòng)力學(xué)發(fā)展驅(qū)動(dòng)，城市雨洪模擬受水文學(xué)發(fā)展驅(qū)動(dòng)，兩者最初獨(dú)立發(fā)展，幾無(wú)交集。隨著技術(shù)的發(fā)展，城市雨洪模擬中管渠匯流從最初的水文學(xué)方法逐步發(fā)展成水動(dòng)力學(xué)方法；洪水演進(jìn)模型所采用的地表二維水動(dòng)力方法逐步用于降雨徑流模擬。近一二十年來(lái)，城市內(nèi)澇模擬的興起進(jìn)一步推動(dòng)了水文學(xué)方法和水動(dòng)力學(xué)方法的交叉應(yīng)用，水動(dòng)力學(xué)方法在匯流演算方面逐步發(fā)揮主力作用，但降雨產(chǎn)流仍然離不開水文學(xué)的理論和方法，尤其是在全分布模式中，水文學(xué)方法和水動(dòng)力學(xué)方法已經(jīng)高度融合到同一地表網(wǎng)格單元上，兩者相互補(bǔ)充、缺一不可。因此，不宜再以學(xué)科方法或計(jì)算方法來(lái)分類討論城市暴雨內(nèi)澇模型。

對(duì)比可以看出，不同應(yīng)用場(chǎng)景和不同的技術(shù)策略中，同一模擬技術(shù)應(yīng)用的重點(diǎn)和難點(diǎn)不同。城市外洪模擬和內(nèi)澇模擬中都采用地表二維水動(dòng)力學(xué)模型，但由于模擬的洪水來(lái)源及特性不同，地表模型的網(wǎng)格尺度和建筑物的處理技巧存在差別；全分布式暴雨內(nèi)澇模擬中地表模型的干濕邊界問題更加突出。在城市雨洪模擬和內(nèi)澇模擬中都涉及降雨產(chǎn)匯流模擬，但存在子流域和地表網(wǎng)格2種不同的計(jì)算單元，且兩者存在不同的技術(shù)難點(diǎn)。另外，對(duì)同一洪澇過程，不同技術(shù)策略下概化方式也存在不同，半分布模式將暴雨內(nèi)澇概化為4個(gè)關(guān)鍵過程，全分布模式將其概化為3個(gè)關(guān)鍵過程。因此，只有結(jié)合具體的模擬應(yīng)用場(chǎng)景和技術(shù)策略，才能更好地辨析不同模型和不同模擬技術(shù)的特點(diǎn)和難點(diǎn)。

除了上述3種典型的模擬應(yīng)用場(chǎng)景外，實(shí)際應(yīng)用中還存在很多混合模擬，如城市外河洪水與本地降雨遭遇的混合模擬、沿海城市風(fēng)暴潮引起的本地強(qiáng)降雨與海水入侵的混合模擬等。這些混合模擬一般是將上述典型技術(shù)策略進(jìn)行再組合應(yīng)用。除了上述基于水文、水動(dòng)力方法的模擬技術(shù)策略外，還有一些基于快速模型的模擬技術(shù)策略，以及近年來(lái)出現(xiàn)的基于人工智能和大數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的全新模擬技術(shù)策略，值得關(guān)注。

城市洪澇模擬研究方興未艾，在以下3個(gè)方面亟待更多的關(guān)注和長(zhǎng)足的發(fā)展。

(1) 亟需構(gòu)建高質(zhì)量基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)?？陀^講，中國(guó)大多數(shù)城市現(xiàn)有的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)距離精細(xì)化模擬需求還有較大的差距。如地表數(shù)據(jù)對(duì)局部微地形表達(dá)不足，商業(yè)區(qū)和居民區(qū)的管網(wǎng)數(shù)據(jù)難以收集，已有的數(shù)據(jù)也存在多源數(shù)據(jù)坐標(biāo)系不統(tǒng)一、關(guān)鍵屬性值缺失等問題，嚴(yán)重制約了城市洪澇模擬實(shí)際應(yīng)用效果。迫切需要建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，完善數(shù)據(jù)內(nèi)容，提升數(shù)據(jù)質(zhì)量，構(gòu)建高質(zhì)量基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)。

(2) 大力發(fā)展高性能計(jì)算技術(shù)。城市洪澇模擬尤其是暴雨內(nèi)澇模擬計(jì)算量巨大，迫切需要提升計(jì)算效率。當(dāng)前對(duì)單一過程的并行加速計(jì)算已經(jīng)取得了一定的進(jìn)展，但能夠同時(shí)耦合多過程并考慮復(fù)雜工程調(diào)度的并行計(jì)算距離實(shí)際應(yīng)用還有較長(zhǎng)的路。發(fā)展高性能計(jì)算是未來(lái)城市洪澇模擬應(yīng)用的關(guān)鍵支撐技術(shù)。

(3) 關(guān)于模型的檢驗(yàn)和驗(yàn)證。當(dāng)前由于缺乏可靠的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，城市洪澇模擬的驗(yàn)證仍然是一個(gè)難題。近年來(lái)，已有一些研究利用視頻圖像等途徑獲取城市洪水淹沒信息，但數(shù)量和質(zhì)量仍然難以滿足應(yīng)用需求。需要不斷發(fā)展新的監(jiān)測(cè)技術(shù)和手段，開展更多的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和物理試驗(yàn)，收集可靠的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，不斷檢驗(yàn)和驗(yàn)證城市洪澇模擬模型。

致謝：本文得到了美國(guó)克拉克森大學(xué)的吳偉明教授、中國(guó)水利水電科學(xué)研究院程曉陶正高級(jí)工程師和柴福鑫正高級(jí)工程師、西安理工大學(xué)侯精明教授等的指導(dǎo)和幫助，特此感謝！