一、国内外研究现状

1.城市雨洪模型研究

城市雨洪模型是用来模拟研究城市降雨径流过程及洪涝灾害的模型工具，根据其建模原理主要分为水文学方法和水动力学方法。其中水文学方法发展较早，理论成熟，概念简单，计算方便，因此被广泛应用，比如常见的 STORM 模型、新安江模型。水动力学方法则基于物理学原理推导出严格的数学方程来模拟产汇流的水流过程，因此模拟精度较高，但存在建模资料要求高和计算速度慢的限制。近年来随着科技的发展计算机的运算能力得到了巨大的提升，也为水动力学模型应用于城市暴雨内涝问题的研究提供了良好的平台。水动力模型根据不同研究对象和研究目的可简化为一维、二维、三维度水动力模型，一维模型主要应用于河道和管网等具有明显的单一流向特征的水流运动，常见的求解方法有：有限差分法、有限元法、特征线法等，二维和三维水动力模型则用于模拟更为复杂的水流运动。 随着计算机硬件性能的提高，计算机软件技术也取得了飞速的发展，上世纪 60年代，一些发达国家开始将计算机软件技术应用与工程实践领域，水利工程也不例外，一些水文、水动力、水质相关的计算机模型软件被相继研发出来并投入了生产实践。2000 年后我国的城市化进程飞速发展，暴雨内涝灾害也逐渐增多，一些国外先进的城市雨洪模型软件被先后被引入国内市场，开始广泛应用与我国部分城市的暴雨内涝防治研究中。

2.国外城市防洪排涝管理体系

在城市化发展的历程中，许多发达国家和地区都曾先后经历过暴雨内涝问题的困扰，因此他们在城市排水排涝方面积累了非常丰富的实践经验，其中有的国家已经总结形成了一套完善的雨洪管理体系。下面介绍了英国、美国、日本、澳大利亚四个具有代表性的国家在内涝防治方面的经验：

（1）英国

2007 年雨季的强降雨天气造成了英国许多城市发生了内涝灾害，7 月 20 日首都伦敦多片区域发生内涝渍水灾害，西南部分地区淹水深度高达 60 厘米，造成了航班大面积延误，地铁的正常运营也受到了严重的破坏，部分车站被迫关闭旅客滞留严重。针对城市内涝，英国政府投入大量人力物力始终积极探求城市洪涝灾害防范和治理手段，建立了以快速的内涝灾害预警体系和科学的排水排涝方式为主要措施的城市洪涝防治策略。为了根除城市内涝问题，英国政府提出了“可持续排水系统”理念来管理城市雨水收集排放系统，并且成立了专门的国家级工作组大力推广使用这种先进技术来改造和建设城区。英国环境署经过了大量的研究分析，指出了当前城市排水系统设计目的更多的是在于快速的将雨水排出至河道，但是却忽略了屋顶和地面大量积水的及时排放，这样不但会加重排水压力形成内涝，更有可能带来一系列生态问题。“可持续排水系统”的核心思想是利用一系列工程手段减缓雨水从降落到汇入河流的速度，防止雨水过快的涌入排水系统，其主要通过四个途径来控制：雨水收集、源头控制、指定地点管理、区域控制，这种治水理念的施行不仅可以降低城市暴雨内涝灾害风险，又能够充分利用雨水资源。

（2）美国

美国的城市雨水管理理念经历了以排出系统为主、防涝排涝水量控制和水质控制、多手段多目标的水量水质生态控制三个阶段。20 世纪 50 年代，美国对于雨水的控制以尽量排出系统为目标；20 世纪 70 年代，美国提出并采用最佳管理措施（BMPs）管理城市雨水，该体系通过建立雨水调蓄设施、管道截污等手段解决“以排为主”的方式无法应对的城市洪涝及径流污染问题。20 世纪 90 年代至今，美国开始意识到对于雨水的源头控制与管理比后续的排放与管理更为重要，因此经过实践利用与改进，美国又提出了一种全新的雨水管理体系——低影响开发（LID），该体系通过利用雨水花园、生物滞留池、绿色屋顶等绿色雨水控制设施（GSI），构建起雨量控制、雨峰削减、径流污染控制结合的多目标雨水控制体系，在维护和改善生态环境的基础上，综合利用了雨水，从而解决城市内涝灾害问题。

（3）日本

日本气候的季风性海洋性明显导致其降雨天气频繁，除此以外台风带来的强降雨天气也是其主要的气候特征，因此防涝排涝也是日本研究的重要课题。日本在快速城市化的过程中同样出现过重视地面建设而忽略地下排水系统的问题，上世纪70 年代后，日本开始着力解决城市排水问题，其最初也是通过采取加大排水系统防洪排涝标准的方式，但是快速城市化带来的地面建筑导致地下排水系统的改造工程代价过于庞大。因此日本转变了治理的思路，在完善现有排水设施的前提下，日本 更加重视城市规划，通过增加城市绿地、公园等透水表面，减少硬化路面的面积恢复下垫面的降雨径流性质，并结合雨水收集、下渗等措施综合管理，提高了雨水利用率的同时也缓解了城市排水压力，日本这一治水理念起到了很好的治水效果。

（4）澳大利亚

澳大利亚基于对城市可持续发展模式和雨水管理体系不断实践与探索，于 90 年代初，提出了水敏感城市设计（WSUD）的理念，其核心在城市规划与设计的所有环节中将各种用途的雨水设施布置全面的参与进来，使城市水循环与城市建设有机的连接在一起，创造一个科学有效的水循环系统，提高了城市抵御洪涝灾害的能力。WSUD 理论的基本原则是：①维护或改造排水管渠周围的生态系统；②景观的设计必须考虑雨水调蓄和净化水质的作用；③大面积的使用蓄水设施，削减强降雨造成的短时间内过高的径流峰值。WUSD 以水循环为核心思想，将自然界的水循环和城市规划、景观设计、地下水系统、水生态系统筹综合考虑，建立了一种全新的科学的城市水循环系统，获得了社会、经济和生态等多重效益，新西兰和德国等国家也已经推广使用该理念。

3.排涝系统优化调度研究

常见的排水排涝系统有：平原圩区除涝系统、城市港渠闸站排涝系统、灌区内部排水除涝系统，对于这些类似的水资源系统调度的研究多采用系统分析的方法。系统分析方法是一种用于研究复杂系统的组合构成及运行规律的概念性方法，通常来讲它包括了确定系统的构成要素、组织架构、对象关系、功能效用等基本要素，以及运行过程和联系等动态要素。 系统分析方法最早被应用于农田地区的灌溉排水工程，上世纪五十年代中期后，美国水资源委员会、哈佛大学、加州大学、科罗拉多州立大学等机构和科研院所开始研究水资源系统的开发利用等问题。1962 年 Maass 等人出版了《Design of Water Resource System》一书，详细讲解了水资源系统上设计考虑经济目标、工程分析和政府规划的新技术，此后系统工程和系统分析方法开始被广泛应用于美国的水资源系统工程的灌溉、排涝设计中，诸如马什兰工程、加州中央河谷的部分工程，都应用了系统分析的方法。1975 年 YY Haimes 等人发表了水资源系统的多目标优 化一文，这标志着水资源系统的系统分析优化配置等问题的研究进入了一个全新的阶段。1980 年 YY Haimes 又和 KA Loparo 等人建立了圩区排水系统多目标优化问题，提出了一种将统计属性与多目标优化方法相结合的多属性统计方法，并应用于伊利诺斯 Moline 地区。1984 年 Adiguzel R Ilker 推广了非线性大系统模型梯度法的广泛使用。1984 年 S·Esmaeil-Beik 和 YS·Yu 采用随机动态规划方法，以尽量减少预期的年平均损失为目标，建立了堪萨斯市麋鹿湖多功能池连续投入的最优调度策略，利用该模型所得出的最佳政策。从 1967 至 1977 经营湖泊，与历史操作相比，预期年损失明显减少。1985 年 G Guariso 和 S Rinaldi 运用直观判定方法建立了湖泊的优化调度模型，研究了意大利北部湖泊的运行调度规则。1982 年 Skagges R.W详细研究综述了排水系统的优化设计及运行的相关研究；1999 年 Erik Ristenpart采用系统分析法研究分析了城市排水系统，并构建了相应的模型，对不同排水结构的尺寸和性能进行了论证。系统分析法在水库群多目标优化调度领域应用的非常广泛，也积累了丰硕的研究成果，2004 年 JW Labadie 综述了多水库系统优化调度研究进展，介绍了应用进化算法和遗传算法等启发式规划方法，以及神经网络和模糊规则在水库系统运行规则推断中的应用。可见系统分析法被广泛应用于灌区的给排水系统、圩区的排水除涝系统、水库群的优化调度及其他一些水资源系统的规划设计和管理运行，但是对于城市的河湖闸泵群构成的大型防洪排涝系统的排涝特性及优化调度，应用尚不多见。

上世纪 70 年代我国的科研和工程人员开始将系统分析方法应用于水资源工程的设计与规划，不仅给实际的生产实践带来了巨大效益，同时也在理论研究方面有着显著的成就。除了在水库群优化调度方面的研究外，国内的许多专家学者在除涝排水方面也有很深入的研究。

90 年代初有学者开始关注城市河湖闸泵系统防洪排涝问题研究，1992 年苏锡祺等建立湖州市渠闸群优化调度模型，并采用坐标轮换法，优化闸群的启闭顺序与时间，实现了洪水的优化导流，提高了湖州市的防洪安全度。1996 年林宝用新离散微分动态规划法（DDDP）求解河网闸群防洪优化调度模型，确立了闸门运行规则，充分发挥了河道泄洪能力。2002 年罗强引入核的概念对除涝排水系统内各要素贡献度进行量化。2005 年孙勇研究了里下河地区除涝排水优化规划，对该地区的除涝规划及工程提供了科学的指导。2006 年刘芹建立了多时段闸群系统防洪优化调度模型，获得了逐时段闸群开启的最优组合方式。2010 年李大鸣对永定新河建立了多闸联合调度方案的数值模拟模型。2012 年熊大钊以泰州市主城区为研究对象，采用非线性规划方法和排涝总成本最低的优化目标，建立了排涝系统优化规划模型，以 20 年一遇的 24 小时暴雨一日内可以排出和城区内不出现内涝灾害为边界条件，研究了排水排涝系统的优化规划方案，对比分析模型计算结果与现状排涝措施后，指出了主城区现状排涝系统的弱点并提出了规划建设意见。2014 年梁炳观、吴松柏建立了天津市北系河网闸群防洪排涝优化调度模型。邴建平、吕孙云将改进的平湖法应用于广州市的排涝模拟中取得了良好的效果。2016 年石莎建立瞭望虞河引水工程的水量-水质耦合优化调度模型，为苏州古城区水系防洪排涝和水质提供了参考。

可见系统分析方法已经被广泛的用于平原湖区的除涝排水优化运行和城市河湖闸泵群排涝系统优化调度问题研究，并且采用了多种计算方法，比如线性规划、非线性规划、动态规划、大系统分解协调、多目标规划等等，建立了较为科学准确的数学模型或运算程序，提高了生产效益同时，为未来的规划建设，运行策略也给予了科学合理的指导。

二、研究背景及意义

1.城市洪涝问题

伴随着经济的高速发展，快速城市化带来的钢筋混凝土不断“侵蚀”着城市的每个角落，然而兴荣背后潜在的诸多隐患也日益凸显。近些年来，极端天气的时常出现导致我国诸多大中城市频繁发生严重的城市内涝灾害。据报道 2016 年 7 月 6 日武汉遭遇了特大暴雨的袭击，发生了严重的内涝灾害，全市渍水点多达 200 处，其中南湖地区受灾尤为严重，许多居民区的积水深度超过 1m，数日未退；2016 年 7月 9 日夜河南新乡遭遇强降雨天气袭击导致许多商铺被涝水淹没，损失巨大，2016年 7 月 19 日山西、河北、河南等局部地区遭大暴雨导致城市内涝积水严重；2016 年7 月 20 至 21 日首都北京遭遇了入汛以来最强降雨，200 多架航班被迫取消，多条线路的列车晚点，旅客滞留现象严重，160 多条公交线路采取紧急调整措施，受灾人口达 160 多万。几乎每年的夏季都会有全国各座城市发生严重的暴雨内涝灾害、造成巨大损失的新闻见诸报道，即便是新建城区也难以幸免。 2010 年住建部调研统计了我国 300 多个城市的内涝灾害发生情况，该调查报告显示[1]，从 2008 年到 2010 年，我国有超过 60%的城市都遭受过内涝灾害，其中有130 多座城市发生次数超过 3 次，50 多座城市的内涝积水时长超过了 12 个小时。值得指出的是就在报告发布的当年，我国就有 258 座大大小小的城市先后经受了暴雨内涝灾害的考验。每逢暴雨必然发生内涝灾害现在已成为很多大城市普遍存在的弊病，近年来全球气候的异常变化，雨季暴雨天气增多，越来越多的城市都遭受过广泛、频繁的暴雨灾害侵袭，除此原因外，许多城市在遭受小于设计暴雨级别的降雨时也会时常发生内涝灾害，以上种种迹象都表明，我国城市的防洪排水排涝系统必然存在一些问题。

北京“7·21”特大暴雨洪涝灾害发生后，国家住房城乡建设部颁布了《城市排水（雨水）防涝综合规划编制大纲》（以下简称《大纲》）[2]，要求全国各城市结合当地实际情况评估当前排水排涝能力、灾害风险、合理规划近远期排涝排水设施建设、管理办法和保障措施等，并抓紧时间汇总编制城市排水（雨水）防涝综合规划，于2014 年 6 月 30 日前报送至国家住房城乡建设部城市建设司。《大纲》中明确指出，全国 36 座大中型城市必须采取适当的工程管理措施，达到中心城区能够有效抵御 50年一遇暴雨级别的标准。这也是我国城市建设发展 20 年来，住建部再次正式发文对全国各大城市的排水排涝建设规划提出了明确的要求。次年 3 月，国务院办公厅正式发布了《关于做好城市排水及暴雨内涝防治设施建设工作的通知》[3]，这一从国家层面出台的规定表明了我国对于解决城市防洪排涝问题的重视及决心。因此研究城市防洪排水排涝问题，探求如何科学、有效地解决甚至根治城市内涝问题是学术界和工程界的重点课题。

2.内涝特点及成因

（1）内涝特点

①普遍性和频发性，国内很多学者针对目前越来越严重的城市暴雨内涝灾害展开了大量研究，其研究数据显示：近二十年来我国城市内涝灾害带来的经济财产损失呈不断增长的趋势，平均增长速度为每年 5%左右。不仅仅是雨量较多的南方城市，我国北方城市普遍也都遭遇过暴雨内涝灾害的侵袭，据相关新闻报道，近年来北京、天津、沈阳等北方城市都发生过较为严重的内涝灾害，其中北京市更是连年来都遭遇了频繁而严重的暴雨内涝灾害，造成的经济损失更是不可估量。

②时间较为集中，地点相对固定，内涝灾害的直接原因是暴雨天气的发生，因此每年 5~8 月份和 6~8 月份的雨季分别是我国南方城市和北方城市内涝灾害发生的集中时间。城市的易涝点通常都出现在城市的地下交通系统、地下商场、地下车库、地下通道、下凹式立交桥、低洼地区等，其中交通系统是遭受内涝侵害最为严重也是影响最大的区域，交通系统遭受城市内涝灾害造成的局部或者大范围交通瘫痪已经成为每个城市的必然会发生的现象；另外，以地下轨道交通、地下商场、地下车库为主的地下建筑空间也是城市内涝灾害经济财产损失最为严重的区域。

③灾损严重，强降雨引发的城市内涝灾害不仅给城市交通、居民出行、基础建设带来巨大的危害，同时也会产生巨大的经济损失。内涝会破坏输电线、信号塔、管道等基础设施，从而影响了城市的水、电、气、通信、网络等命脉系统的正常运行，阻碍甚至中断社会经济活动的进行。内涝也会造成建筑物、地下商场、地下车库等设施进水，家具、商品、车辆等物品大量的遭到淹水毁坏，带来严重的财产损失。其它由于基础设施的破坏、交通系统的瘫痪等带来的间接损失更是难以估量。据北京市政府灾情通报会的数据显示，“7.21”特大暴雨洪涝灾害共造成了约 160 万人受灾，房屋倒塌超过 1 万间，经济损失高达 116.4 亿元，全国范围内城市内涝带来的人员伤亡及经济损失更是天文数字。

（2）内涝成因

导致城市内涝灾害产生的原因有自然和社会两方面的因素影响，如集中的强降雨或连续性降雨等极端的天气现象的发生是外部自然环境因素的具体表现，城市下垫面性质的改变，排水能力不足则是社会因素的体现。具体可以从以下几方面概括：

①近年来全球气候异常现象日趋频繁，伴随着二氧化碳浓度激增、气候持续变暖，温室效应加剧，厄尔尼诺事件增强等现象，原有的水循环体系遭到破坏，大气环流异常，进而导致全球众多地区极端天气现象频繁发生，强度不断增加。我国的气候具有鲜明的季风特征，大部分地区一年中风向都随着季节规律性的变化，雨季和旱季分明，雨季一般集中在偏南风盛行的夏季 6 月~8 月份，暴雨天气或连续性降雨经常发生。我国东南沿海地区的城市时常会遭遇台风灾害的侵袭，伴随而来的是集中的强降雨天气，并且具有降雨历时短而强度大的鲜明特征。城市的排水排涝系统在面临超过其能力负荷的集中强降雨天气时，无法及时排走雨水，从而产生积水现象，最终引发内涝灾害。

②城市防洪排水排涝系统规划设计明显滞后于城市化建设的步伐，现行的排水系统设计标准过低无法满足当前防涝需求。根据《室外排水设计规范》的要求：城市排水系统的设计标准可取不同的重现期，就一般区域而言可取为 1 年~3 年，重要区域或积水风险较大区域可取为 3 年~5 年，特别重要区域可以采用 10 年或以上的设计标准。但实际情况是，我国绝大多数城市的排水系统设计标准都无法满足该规范的要求。同时，我国的城市的排水排涝系统和防洪系统往往是由城建部门和水利部门分开设计管理的，这些部门设计规划的标准往往各成一套，采用不同的计算方式，同时我国也缺乏相关的设计规划，因此难以将排水和防洪系统有效的衔接起来，这些都是内涝灾害产生的直接原因。

③城市蓄排能力有限，城市的不断发展与扩张带来了道路、房屋、广场等基础设施的面积持续增加，绿地、农田、湿地等天然地面减小，下垫面硬化产生的不透水表面增多不但加大了暴雨的产流量，还加快了地面雨水的汇流速度，进一步考验了排水系统的排水效率。城市建筑的不断向原有的自然水系入侵，这些天然蓄排水体的萎缩进一步削弱了城市的雨水消纳能力。城市下垫面性质的改变导致的城市雨水径流特性的改变，影响并加重了内涝灾害。