1、智慧城市视角下城市洪涝模拟研究综述摘 要：智 慧 城 市 是 城 市 发 展 的 新 兴 模 式。然 而，近 年 来 频 发 的 城 市 洪 涝 给 智 慧 城 市 的 管 理 和 发 展 带 来 了 严 峻 的挑 战。暴 雨 洪 涝 模 拟 是 城 市 防 洪 减 灾 的 关 键 技 术 之 一，也 是 智 慧 城 市 风 险 应 急 管 理 中 重 要 的 决 策 支 持 依 据。本 文首 先 分 析 了 智 慧 城 市 以 及 智 慧 水 务 的 内 涵，探 讨 了 智 慧 城 市 发 展 和 管 理 对 于 城 市 洪 涝 模 拟 新 的 需 求；在 此 基 础 上梳 理 了 智 慧
2、城 市 发 展 给 城 市 洪 涝 模 型 带 来 的 新 的 数 据 支 撑；面 向 智 慧 城 市 应 急 管 理 决 策，对 比 分 析 了3 种 现 有 的水 文 模 型 方 法，认 为 在 智 慧 城 市 大 数 据 和 技 术 的 支 持 下，基 于 物 理 基 础 的 分 布 式 模 型 是 未 来 城 市 洪 涝 模 拟 的 主 流发 展 方 向。最 后，探 讨 了 建 立 城 市 洪 涝 模 型 的 建 模 机 制、尺 度、基 础 数 据 库 的 建 立、更 新 和 管 理、地 表 与 地 下 管 网 模拟 并 重 等 关 键 问 题，分 析 认 为 精 细 化、与RS 和G
3、IS 技 术 融 合、注 重 时 空 过 程 和 智 慧 服 务 是 智 慧 城 市 背 景 下 城 市 洪涝模拟发展的必然趋势。关 键 词：城市洪涝；基础地理数据；洪涝模型；智慧城市；应急决策支持1 引言智 慧 城 市 承 载“绿 色 发 展、环 境 治 理、生 态 文明，进 而 实 现 可 持 续 发 展 的 历 史 使 命”(牛 文 元,2014)。从 城 市 管 理 角 度 来 看，在 物 联 网、移 动 互 联网、云 计 算 等 新 一 代 信 息 技 术 的 支 撑 下，智 慧 城 市应 当 实 现 可 测 量、可 视 化、多 级 高 效 联 动 的 管 理 运营 模 式，科 学
4、地 调 度 和 决 策，改 善 城 市 的 生 产 和 生活 环 境，提 升 资 源 的 使 用 效 率，保 证 城 市 的 高 效 正常 运 行，进 而 推 进 城 市 向 着“低 碳、绿 色、和 谐 和 可持 续 发 展 的 方 向 发 展”(李 德 仁 等,2014)。智 慧 水 务是 智 慧 城 市 的 重 要 分 支，主 要 基 于 物 联 网 数 据 监 测仪 等 传 感 设 备 自 动 采 集 雨 量、水 位 等 水 情 信 息，通过 移 动 互 联 网 实 时 传 输 给 处 理 平 台，在 大 数 据、云计 算 以 及3S(RS、GPS、GIS)空 间 信 息 技 术 的 支
5、 持 下高 效 完 成 海 量 监 测 数 据 的 分 析、预 测、决 策 以 及 数据 的 可 视 化 和 动 态 实 时 发 布，从 而 实 现 城 市 水 务 的“智 慧”管 理 和“智 慧”服 务。然 而，近 年 来 随 着 全 球气 候 变 化 引 发 的 城 市 极 端 降 雨 事 件 的 增 加 以 及 中国 快 速 城 市 化 进 程，诸 多 城 市 尤 其 是 大 城 市 内 涝 事件 频 发，给 城 市 居 民 生 命 安 全 和 财 产 带 来 了 严 重 的损 失(廖 永 丰 等,2012)，同 时 也 给 智 慧 城 市 的 管 理 和发展带来了严峻的挑战。城 市 暴
6、 雨 洪 涝 模 拟 是 城 市 防 洪 减 灾 的 关 键 技术 之 一，也 是 智 慧 城 市 水 务 规 划 和 风 险 应 急 管 理 重要 的 决 策 支 持 依 据。虽 然 智 慧 城 市 的 发 展 给 城 市洪 涝 的 模 拟 提 供 了 更 多 高 精 度、实 时、丰 富 的 数 据来 源，也 提 供 了 更 加 高 效 的 技 术 支 撑，但 同 时 也 给城 市 洪 涝 的 模 拟 提 出 了 新 的 需 求 和 挑 战。城 市 是一 个 自 然 与 人 文 现 象 耦 合 的 复 杂 巨 系 统，城 市 中 各个 子 系 统 是 相 互 协 调 和 制 约 的，面 向
7、智 慧 城 市 的 发展 和 管 理，内 涝 的 发 生 不 再 是 单 一 的 自 然 现 象，会引 发 后 续 的 诸 多 城 市 管 理 问 题，如 交 通 堵 塞、居 民财 产 损 失 等，城 市 洪 涝 的 研 究 需 要 将 视 角 放 在 整 个收稿日期：2014-11；修订日期：2015-03。基 金 项 目：国 家 高 技 术 研 究 发 展 计 划(863 计 划)项 目(2012AA121402，2012AA121403)；国 家 重 点 基 础 研 究 发 展 计 划(973 计 划)项 目(2012CB955903)；国 家 自 然 科 学 基 金 项 目(41301
8、419)；中 山 大 学 中 央 高 校 基 本 科 研 业 务 费 青 年 教 师 培 育 项 目(14lgpy09)。作 者 简介：刘勇(1985-)，男，河南遂平人，博士生，主要从事GIS 应用研究，城市洪涝模拟，E-mail:。通讯作者：柳林(1965-)，男，教授，博士生导师，主要从事GIS 在智慧城市中的应用研究，E-mail:。引 用 格 式：刘 勇,张 韶 月,柳 林,等.2015.智 慧 城 市 视 角 下 城 市 洪 涝 模 拟 研 究 综 述J.地 理 科 学 进 展,34(4):494-504.LiuY,ZhangSY,LiuL,et al.2015.Research
9、on urban flood simulation:a review from the smart city perspectiveJ.Progress in Geography,34(4):494-504.DOI:10.11820/dlkxjz.2015.04.011494-504 页第4 期 刘勇 等：智慧城市视角下城市洪涝模拟研究综述城 市 的 协 调 发 展 上。此 时，准 确 及 时 的 积 水 时 空 间分 布、每 个 积 水 点 积 水 深 度 的 变 化 过 程、最 大 积 水深 度 和 积 水 体 积，以 及 积 水 持 续 时 长 等 详 细 的 内 涝过 程 信 息 的
10、近 实 时 发 布 对 于 城 市 管 理 决 策 来 说 尤为 重 要。而 且 城 市 洪 涝 的 过 程 一 般 历 时 较 短，在 这样 短 时 性 的 要 求 下，仍 需 为 后 续 的 城 市 管 理 提 供 科学 的 决 策 信 息。因 而，计 算 高 效、注 重 内 涝 时 空 过程、实 时 准 确 地 提 供 智 慧 服 务 是 智 慧 城 市 发 展 和 管理对城市洪涝模型新的需求。然 而，由 于 城 市 复 杂 的 下 垫 面 存 在 建 筑 物、街道、路 边 石 等 影 响 地 表 径 流 运 动 的 地 物，构 建 准 确高 效 的 城 市 洪 涝 模 型 一 直 是
11、一 个 具 有 挑 战 性 的 工作(Ghimire et al,2013)。因 而，在 智 慧 城 市 视 角 下探 讨 可 靠 实 用 的 洪 涝 模 拟 技 术 方 法，梳 理 城 市 洪 涝模 型 近 年 来 的 发 展 和 趋 势，对 于 更 好 地 模 拟 城 市 洪涝 过 程，构 建 适 应 城 市 环 境 的 洪 涝 模 拟 模 型，为 智慧 城 市 应 急 管 理 提 供 科 学 的 决 策 依 据 具 有 重 大 的理论和现实意义。2 智 慧 城 市 下 城 市 洪 涝 模 拟 新 的 数 据支撑一 般 而 言，构 建 城 市 洪 涝 模 型 主 要 需 要4 类 数据：降
12、 雨 数 据、地 表 地 形 数 据、地 物 水 文 参 数 以 及 排水 管 网 数 据。为 了 校 验 模 型 参 数，验 证 模 型 的 预 测性，还 需 要 地 表 及 地 下 管 网 的 水 文 监 测 数 据。近 年来，智 慧 城 市 关 键 技 术 的 发 展 为 城 市 洪 涝 的 精 细 化模拟提供了更加详尽准确的数据支撑。2.1 降雨数据无 论 是 自 然 流 域 还 是 城 市 区 域，洪 涝 模 拟 与 预报 的 精 度 很 大 程 度 上 依 赖 于 所 输 入 降 雨 数 据 的 质量(Hapuarachchi et al,2011)。近 年 来，随 着 定 量 降
13、雨 估 计(Quantitative Precipitation Estimates,QPEs)和 定 量 降 雨 预 报(Quantitative Precipitation Fore-casts,QPFs)技 术 的 发 展，无 论 是 降 雨 数 据 的 范 围、时 空 分 辨 率、准 确 性，还 是 降 雨 估 计 的 提 前 量，高 质量 的 降 雨 信 息 很 大 程 度 上 克 服 了 水 文 建 模 的 局 限性，提 高 了 洪 涝 模 拟 的 精 度。智 慧 城 市 中 高 密 度 多类 型 的 传 感 器 为QPEs 和QPFs 提 供 了 更 为 精 准 和详 细 的 数
14、 据 源，更 有 效 地 保 证 了 城 市 洪 涝 模 拟 的 准确 性 和 提 前 量，能 够 提 前 为 城 市 暴 雨 应 急 管 理 提 供更 准 确 的 决 策 支 持。雷 达 和 卫 星 观 测 网 络 的 不 断发 展 使 得 降 雨 数 据 的 时 空 分 辨 率 有 了 很 大 程 度 的提 高，尽 管 会 存 在 一 定 的 系 统 误 差；越 来 越 多 新 技术(如 数 据 同 化 等)的 出 现 也 进 一 步 提 高 了QPEs 的准 确 性(Sinclair et al,2005)。基 于 微 波 和 红 外 波 段的 高 级 算 法 也 推 进 了 高 分 辨
15、 率 遥 感 数 据 在 降 雨 信息 获 取 的 应 用(Kubota et al,2007)；同 时，混 合 利 用多 源 信 息(雷 达、卫 星 和 观 测 站 点 数 据)的 新 技 术(Gjertsen et al,2004)更 大 程 度 地 提 高 了QPEs 的 精度 和 时 空 分 辨 率。目 前，QPFs 技 术 的 发 展 使 得 降雨 预 报 能 够 达 到16 小 时 的 提 前 量，可 以 满 足 快 速洪 涝 预 报 对 精 度 及 提 前 量 的 要 求(Rezacova et al,2007)。2.2 地形数据和地表水文参数区 别 于 自 然 流 域，城 市
16、区 域 内 复 杂 的 地 物 如 建筑 物、道 路、涵 洞、明 渠 等 相 互 交 错，给 城 市 洪 涝 的模 拟 带 来 了 很 大 的 困 难。另 外，水 力 学 的 变 量 如 径流 深 度 和 速 度 等 极 易 受 到 城 市 微 地 物 的 影 响，地 形数 据 很 小 的 误 差 就 有 可 能 导 致 淹 没 区 域 的 不 同，因此 城 市 洪 涝 模 型 对 地 形 数 据 的 敏 感 性 极 高(Wilsonetal,2005)。20 世 纪90 年 代 之 前，地 形 数 据 的 获 取比 较 困 难，准 确 性 低 且 空 间 分 辨 率 较 为 粗 糙(Wil-
17、sonetal,2005)。近 年 来，随 着 智 慧 城 市 空 间 信 息 技术 的 发 展，机 载 激 光 测 高(Marksetal,2000)、合 成 孔径 雷 达 干 涉 测 量(Smith,2002)等 遥 感 技 术 的 发 展 显著 地 提 高 了 地 形 数 据 精 度 以 及 获 取 速 度(Bates,Wilson 2004)，推 进 了 高 空 间 分 辨 率 洪 涝 模 拟 模 型的 快 速 发 展(Bates,Horritt et al,2004;LeFavour etal,2005)。此 外，尽 管 高 精 度 地 形 数 据(如LiDAR)获 取 较 为 方
18、便，然 而 在 快 速 城 市 化 进 程 中 的 中 国 城市，区 域 下 垫 面 日 新 月 异，利 用 遥 感 的 方 法(孙 绍骋,2002)实 时 更 新 地 形 数 据 的 成 本 过 高，而 智 慧 城市 中 大 量 的 传 感 器 监 测 数 据 可 以 快 速 地 发 现 并 局部 更 新 原 有 的 地 形 数 据，能 够 有 效 地 保 证 城 市 洪 涝模拟中地形数据的准确性和时效性。一 直 以 来，水 文 模 型 中 的 水 文 参 数 大 多 依 靠 野外 调 查 获 得，这 给 模 型 的 建 立 和 校 准 带 来 了 很 大 的困 难。随 着 遥 感 技 术
19、的 发 展，不 同 的 传 感 器 被 用 来收 集 地 表 的 多 种 信 息(如 土 地 利 用 类 型、植 被 覆 盖类 型 等)，为 水 文 模 型 中 汇 水 区 水 文 物 理 参 数 提 供了 更 有 效 的 获 取 方 法，大 大 提 高 了 模 型 的 准 确 性 和构建速度。2.3 验证数据城 市 区 域 的 水 文 监 测 站 点 大 多 布 置 于 城 市 上下 游 河 道，用 于 监 测 河 道 的 径 流 量 和 水 位，然 而，城495地 理 科 学 进 展第34 卷市 洪 涝 模 型 主 要 关 注 城 市 内 部 区 域 的 水 流 运 动 过程，基 于 这
20、些 监 测 数 据 很 难 准 确 地 校 准 模 型。由 于缺 乏 内 涝 历 史 监 测 数 据，很 多 洪 涝 模 型 的 验 证 往 往只 能 基 于 市 政 部 门 内 涝 抢 险 的 少 量 文 字 记 录，以 发生 内 涝 位 置 点 多 少 来 评 估 模 型 的 精 度(仇 劲 卫 等,2000;李 娜 等,2002;王 林 等,2004;刘 俊 等,2006)。其 他 一 些 模 型 直 接 用 水 力 学 模 型 的 结 果 作 为 准 确值，以 此 来 校 准 和 评 估 模 型(Ghimire,2013;Zhang,Wang et al,2014)。这 些 验 证 数
21、 据 缺 乏 城 市 内 部 积水 点 的 积 水 和 排 水 过 程，不 能 够 评 估 模 型 对 内 涝 动态 过 程 的 模 拟 能 力。随 着 智 慧 城 市 的 发 展，城 市 中高 密 度 的 多 种 传 感 器 监 测 了 城 市 日 常 运 转，这 些 时空 大 数 据 可 以 为 城 市 洪 涝 模 型 提 供 更 为 精 细 和 丰富 的 验 证 数 据(郑 姗 姗 等,2014)，如 电 子 水 尺 等 传 感器 设 备 能 够 准 确 监 测 分 钟 级 路 面 积 水 深 度 的 变 化过 程(Liu et al,2015)；利 用 计 算 机 图 形 学 的 方
22、法 可以 从 内 涝 点 的 视 频 监 控 数 据 提 取 内 涝 事 件 中 地 面积 水 和 退 水 的 整 个 过 程，无 论 从 时 间 上 还 是 空 间 上都 能 够 为 城 市 洪 涝 模 型 提 供 更 丰 富 的 验 证 信 息，从而 提 高 模 型 的 模 拟 精 度，进 一 步 提 高 城 市 洪 涝 预 报的准确性，服务于智慧城市的管理和应急决策。城 市 下 垫 面 的 复 杂 性 加 大 了 城 市 洪 涝 模 拟 的难 度，因 而 数 据 支 撑 作 用 显 得 尤 为 重 要。智 慧 城 市物 联 网、移 动 互 联 网 等 技 术 的 发 展 为 城 市 洪
23、涝 的 模拟 提 供 了 精 细 化 数 据 的 获 取 途 径，保 证 了 城 市 洪 涝模 拟 的 精 度 和 稳 定 性，同 时 智 慧 城 市 的 大 数 据 和 云计 算 等 技 术 的 发 展 也 为 海 量 的 城 市 精 细 化 数 据 的管 理 和 分 析 提 供 了 有 力 技 术 支 撑。然 而，目 前 大 多数 城 市 基 础 数 据 的 收 集 和 整 理 工 作 在 不 同 的 部 门进 行，数 据 的 共 享 效 率 很 低，如 果 没 有 相 关 数 据 的获 取、共 享 和 管 理 工 作 的 相 关 机 制，智 慧 城 市 下 数据 支 撑 的 效 果 也
24、很 难 实 现，为 此，智 慧 城 市 下 城 市洪 涝 的 模 拟 应 当 重 视 和 加 强 支 撑 数 据 的 共 享 和管理。综 上，随 着 智 慧 城 市 信 息 化 的 日 益 加 速，利 用遥 感 测 量、地 理 信 息 系 统 和 全 球 定 位 系 统 等 技 术 手段，实 现 水 资 源 的 空 间 信 息 管 理 已 成 趋 势，这 将 给城 市 洪 涝 的 模 拟 和 验 证、城 市 水 务 管 理 提 供 越 来 越多 的 数 据 支 撑，有 效 地 推 进 城 市 洪 涝 模 拟 方 法 的 革新，对于城市管理和智慧服务具有重要意义。3 面向智慧城市应急管理的模型评
25、述20 世 纪70 年 代 以 来，随 着 城 市 降 雨 水 量 和 水质 管 理 的 需 求，城 市 洪 涝 模 型 应 运 而 生，并 得 到 了迅 速 的 发 展(Zoppou,2001)。依 据 计 算 方 法 不 同，城市 洪 涝 模 型 可 以 被 分 为3 种 类 型(胡 伟 贤 等,2010;Zhang,Pan,2014)：水 文 模 型、水 动 力 模 型 和 简 化 模型。在 智 慧 城 市 需 求 的 视 角 下 分 析 和 讨 论 这 些 模型 在 城 市 洪 涝 模 拟 和 预 报 中 的 适 用 性，可 有 效 地 指导不同城市构建适应自身需求的城市洪涝模型。3.
26、1 水文模型一 般 而 言，水 文 模 型 把 城 市 区 域 按 出 水 口 划 分为 多 个 汇 水 子 区，每 个 汇 水 子 区 作 为 一 个 独 立 的 计算 单 元，运 用“黑 箱”或 者 经 验 的 方 法 计 算 每 个 汇 水子 区 的 产 流 和 汇 流 过 程，然 后 通 过 管 网 或 者 河 道 演算 到 城 市 研 究 区 的 出 水 口(胡 伟 贤,2010)。代 表 性的 城 市 水 文 模 型 主 要 包 括 SWMM(Storm WaterManagement Model)(Rossman,2010)、UCURM(Uni-versity of Cincin
27、nati Urban Runoff Model)(Papada-kis et al,1972)、ILLUDAS(Illinois Urban DrainageArea Simulator)(Terstriep et al,1974)等。由 于 这 类模 型 对 数 据 要 求 较 低 以 及 计 算 高 效，在 城 市 洪 涝 模拟 和 规 划 中 得 到 了 广 泛 的 应 用(刘 俊 等,2006;史蕊,2010;黄 国 如 等,2011)。然 而，以SWMM 模 型为 例，在 实 践 中 诸 多 学 者 认 为 SWMM 建 模 具 有 很大 的 主 观 性，子 汇 水 区 的 划 分
28、方 式 和 汇 水 区 之 间 流经 路 径 的 不 同 会 对 模 拟 结 果 和 时 间 过 程 曲 线 有 很大 的 影 响(赵 冬 泉 等,2008)。为 了 提 高 子 汇 水 区 划分 的 客 观 性，减 小SWMM 建 模 的 复 杂 性，一 些 学 者将 地 理 信 息 系 统(GIS)与SWMM 进 行 了 耦 合 开 发(史 蕊,2010;黄 国 如 等,2011;孟 超 等,2012)。尽 管如 此，快 速 城 市 化 背 景 下 城 市 下 垫 面 日 新 月 异，城市 的 微 地 物、雨 水 口 堵 塞 等 极 易 影 响 水 流 路 径，因而 很 难 按 照 经 验
29、 的 水 文 学 方 法 得 到 城 市 各 个 汇 水区 的 产 流 和 汇 流 规 律。同 时，为 了 得 到 更 为 准 确 的模 拟 结 果，研 究 区 域 需 要 进 一 步 细 分，这 也 给 模 型参 数 的 率 定 带 来 了 呈 几 何 形 式 增 长 的 难 度(胡 伟贤,2010)。最 为 重 要 的 是，这 类 模 型 由 于 对 计 算 单元 进 行 了 概 化 处 理，不 能 够 提 供 模 型 非 节 点 处 洪 涝的 动 态 过 程，如 地 表 积 水 深 度 的 变 化 过 程 以 及 流 速等，而 这 些 信 息 对 于 内 涝 后 的 交 通 疏 导 等
30、城 市 管 理尤 为 重 要，因 而，这 类 模 型 并 不 能 很 好 地 为 智 慧 城市的应急决策和管理提供足够的积水过程信息。3.2 水力学模型相 比 于 水 文 模 型，在 复 杂 的 城 市 下 垫 面 区 域，具 有 高 空 间 分 辨 率 的 水 力 学 模 型 在 模 拟 城 市 洪 涝方 面 有 着 更 好 的 准 确 性 和 可 信 度。这 类 模 型 把 城496第4 期 刘勇 等：智慧城市视角下城市洪涝模拟研究综述市 区 域 划 分 成 空 间 格 网(常 见 的 如 不 规 则 三 角 形 和正 方 形 网 格)，基 于 水 流 运 动 的 偏 微 分 方 程、边
31、界 条件 来 计 算 相 邻 格 网 之 间 的 水 量 交 互。依 据 模 型 表达 地 表 和 径 流 过 程 维 度 的 不 同，水 力 学 模 型 可 以 分为1D、2D 模型。尽 管1D 模 型 计 算 效 率 非 常 高，但 是 这 类 模 型在 实 践 中 存 在 诸 多 的 局 限 性(Bates et al,2000)，如不 能 够 模 拟 水 波 的 横 向 扩 散 等。相 应 地，基 于 圣 维南 方 程 及 其 简 化 形 式 的2D 模 型 的 发 展 很 好 地 解 决了1D 模 型 的 不 足。由 于 大 部 分 的2D 模 型 都 是 基于 物 理 机 制 的，
32、因 此 模 型 校 验 并 不 需 要 长 时 间 的 历史 观 测 数 据，适 合 于 观 测 数 据 不 完 善 的 城 市 区 域。随 着 遥 感 和 计 算 机 技 术 的 发 展，这 类 基 于 物 理 基 础的 分 布 式 模 型 得 到 了 长 足 的 发 展。然 而，运 用 有 限差 分(Meis et al,1981)、有 限 元(Zienkiewicz et al,1965)或 者 有 限 体 积 法(Hirsch,1990)求 解 圣 维 南 方程 会 导 致 结 果 的 不 稳 定 和 收 敛 问 题(Hunter et al,2007)。另 外，在 实 践 中，模 型
33、 建 模 所 需 的 很 多 基 础数 据 难 以 获 取(Hunter,Bates et al,2005;Neal et al,2009;Chen et al,2012;Zhang,Pan,2014)，如 详 细 的节 点 位 置、管 径，以 及 连 接 关 系 错 综 复 杂 的 管 道 信息，河 道 形 态 等 数 据。事 实 上，在 中 国 快 速 城 市 化的 背 景 下，这 些 数 据 对 于 大 多 数 城 市 尤 其 是 老 城 区很 难 获 取。因 此，建 立 一 个 物 理 机 制 的 水 力 学 模 型对 于 很 多 城 市 来 说 是 比 较 困 难 的 一 件 工 作
34、。此 外，水 力 学 模 型 中 微 分 方 程 的 求 解 需 要 花 费 大 量 的 时间，这 与 城 市 暴 雨 的 短 历 时 性 形 成 了 一 定 的 矛 盾。很 多 学 者 也 因 此 开 发 了 很 多 方 法 来 提 高 水 力 学 模型 的 效 率，包 括 网 格 粗 化(Yu et al,2006)，并 行 计 算(Lamb et al,2009;Sanders et al,2010;Yu,2010)，自适 应 网 格 算 法(Hunter,Horritt et al,2005;Wang etal,2011)等。然 而，粗 化 网 格 的 方 法 会 造 成 结 果 精度
35、 的 丢 失，因 此 一 些 学 者 用 亚 网 格 的 处 理 方 法 来 尽量 多 的 保 存 原 有 的 信 息(Yu et al,2006;Yu,2010)。在 诸 多 方 法 中，尽 管 非 结 构 网 格 化 的 方 法 能 够 有 效的 表 述 地 表 地 物，然 而 在 模 型 构 建 中，数 据 的 预 处理 比 较 复 杂，尤 其 是 在 城 市 区 域(Chen et al,2012)。因 而，尽 管 分 布 式 水 力 学 模 型 能 够 提 供 地 表 径 流 和积 水 的 动 态 过 程，然 而 由 于 此 类 模 型 需 求 数 据 复杂，建 模 难 度 大，计
36、算 效 率 不 高，因 而 限 制 了 这 类 模型 在 智 慧 城 市 内 涝 应 急 管 理 和 决 策 方 面 的 应 用 和推广(Zhang,Wangetal,2014)。3.3 简化模型近 些 年 来，许 多 快 速 洪 水 淹 没 模 型 开 始 付 诸 使用。根 据 能 否 输 出 洪 水 淹 没 过 程 可 将 这 些 模 型 分为 两 类：第 一 类 模 型 只 能 模 拟 最 终 的 洪 涝 淹 没 范围，计 算 依 据 基 于 重 力 和 地 形 主 导 的 水 力 平 衡 和 水力 交 换，如Krupka(2009)基 于 研 究 区 的DEM 构 建 了洪 水 存 储
37、 单 元 矩 阵，构 建 了 快 速 洪 水 淹 没 模 型(rap-idfloodinundationmodel)；Lhomme 等(2008)将 研 究区 域 划 分 为 多 种 影 响 区 域(ImpactZones)，构 建 了 快速 洪 水 传 播 模 型(rapid flood spreading model)；Zhang,Pan(2014)基 于 对 分 布 式 水 文 模 型 的 简 化，提出 了 基 于GIS 的 城 市 暴 洪 涝 模 拟 方 法。其 他 的 此类 模 型 还 有 基 于GIS 的 城 市 淹 没 模 型(GISbasedur-baninundationmo
38、del)(Chenetal,2009)，串 连 计 算 模型(flood-connected domain calculation)(FCDC)(Zhang,Wangetal,2014)等。尽 管 这 些 模 型 有 很 高的 计 算 效 率，但 是 仅 能 得 到 淹 没 范 围，不 能 够 提 供智慧城市应急管理所需求的水流和洪水淹没过程。第 二 类 简 化 模 型 一 般 基 于Zanobetti 等(1970)提出 的 存 储 单 元 概 念，也 叫 元 胞 自 动 机 模 型(CA)。目前，已 有 诸 多 的CA 模 型 被 用 来 模 拟 网 状 河 流(Thomas et al,
39、2002;Parsons et al,2007)、河 道(Coulthardetal,2002)、泛 洪 区 河 流(LISFLOOD-FP)(Bates et al,2000)、城 市 区 域(Fewtrell et al,2008,2011)。这些 模型 将地 表划 分为 规整 的网 格，基于 统一 的 方 程 来 计 算 网 格 间 的 流 量，大 多 数 是 基 于 圣 维南 方 程 的 简 化(Batesetal,2010)。其 中LISFLOOD-FP 模 型 得 到 了 诸 多 的 改 进 和 发 展。Horritt 等(2001,2002)提 出LISFLOOD-FP 模 型，
40、并 与 有 限 元的 方 法 进 行 了 比 较，认 为 基 于 栅 格 的 模 型 具 有 简 单快 速 的 优 势。Hunter,Bates 等(2005)运 用 不 同 的 数据 对LISFLOOD-FP 模 型 进 行 了 参 数 调 整。为 了 解决LISFLOOD-FP 模 型 中 需 要 较 小 时 间 步 长 带 来 的计 算 效 率 较 低 的 问 题，Hunter,Horritt 等(2005)提 出了 自 动 时 间 步 长 的 方 法。随 后，经 过 一 系 列 的 改进，LISFLOOD-FP 模 型 被 用 于 城 市 区 域，如Few-trell 等(2008)研
41、 究 了LISFLOOD-FP 模 型 在 城 市 区域 中 的 尺 度 效 应。Fewtrell 等(2011)利 用 高 分 辨 率的 地 形 数 据 测 试 了 扩 散 波 和 惯 性 方 程 在 LIS-FLOOD-FP 模 型 中 的 应 用，重 申 了 高 分 辨 率 地 形 数据 在 城 市 洪 涝 模 拟 中 的 重 要 性，并 且 通 过 计 算 认 为使 用 惯 性 方 程 可 以 提 高 模 型 的 计 算 效 率。Sampson等(2012)在 一 个 小 的 城 市 区 域 比 较 了LISFLOOD-FP 模 型 和ISIS-FAST 模 型，结 果 认 为 在 不
42、 同 的 情 境下两个模型表现各有不同。表1 对 比 分 析 了 上 述 各 类 模 型 的 优 缺 点。相 对497地 理 科 学 进 展第34 卷集 总 式 水 文 模 型 而 言，基 于 物 理 机 制 的 分 布 式 水 文模 型 往 往 具 有 较 高 的 准 确 性 和 可 信 度。随 着 城 市中 物 联 网 和 移 动 互 联 网 设 施 的 完 善，智 慧 城 市 的 发展 能 够 为 城 市 洪 涝 模 型 的 构 建、验 证 提 供 海 量 实 时准 确 的 大 数 据，同 时 计 算 机 软 硬 件 性 能 的 飞 速 发展，以 及 云 计 算 技 术 的 发 展 保
43、证 了 城 市 洪 涝 模 拟 的计 算 效 率，这 无 疑 给 分 布 式 模 型 带 来 了 极 大 的 发 展空 间。同 时，基 于 元 胞 自 动 机 的 模 拟 模 型 主 要 的 需求 数 据 为 高 精 度 地 形 数 据，没 有 水 文、水 动 力 模 型的 需 要 数 据 限 制 性 那 么 大，构 建 模 型 相 对 水 力 学 模型 简 单，而 且 能 够 模 拟 径 流 的 时 空 过 程。因 此，应对 城 市 管 理 的 部 分 问 题，基 于 元 胞 自 动 机 的 城 市 洪涝 模 型 是 一 个 可 能 发 展 的 方 向。但 是 总 体 来 讲，只要 数 据
44、和 技 术 支 持，在 智 慧 城 市 的 背 景 下，基 于 物理 机 制 的 分 布 式 水 文 模 型 理 应 是 未 来 城 市 洪 涝 模拟的主流发展方向。4 智 慧 城 市 背 景 下 城 市 洪 涝 模 拟 关 键问题探讨4.1 建模机制通 常 认 为，相 对 于 经 验 公 式 和 概 念 模 型，具 有物 理 基 础 的 数 理 方 程 更 能 真 实 地 表 述 水 流 运 动 的真 实 过 程，而 且 其 模 型 参 数 一 般 可 以 通 过 实 测 或 从实 际 资 料 推 算 得 到，具 有 一 定 的 客 观 性。然 而，“从分 布 式 物 理 模 型 近30 年
45、 的 研 究 与 应 用 情 况 来 看，其对 水 文 过 程 的 模 拟 精 度 并 不 乐 观，甚 至 不 及 简 单 的集 总 式 模 型，效 果 远 远 没 有 预 想 的 那 样 好”(张 金 存等,2007)。这 也 引 发 了 诸 多 学 者 关 于 物 理 机 制 的讨 论。Beven(2002)认 为，物 理 机 制 的 利 用 应 当 从 已经 建 立 的 物 理 定 律 中 推 导，而 且 开 发 和 应 用 水 文 模型 的 目 标 应 该 在 准 确 性 与 其 他 重 要 的 考 虑 因 素 之间 达 到 平 衡，如 模 型 水 力 计 算 的 负 荷，获 取 模
46、型 需求 数 据 的 成 本，模 型 构 建 的 难 易 程 度 以 及 用 户 的 需求(Beven,2001)。Hunter 等(2007)和Smith 等(2004)也 认 为，洪 水 淹 没 模 型 应 该 在 精 度 上 是 可 靠 的，在计 算 成 本 和 需 求 数 据 也 是 可 行 的，并 能 够 依 据 需 求提 供 水 流 运 动 的 详 细 信 息。张 金 存 等(2007)也 因 此论 述 了 概 念 性 分 布 式 水 文 模 型 的 开 发 价 值。然 而，目 前 绝 大 多 数 城 市 对 城 市 内 部 水 文 的 监 测 非 常 薄弱，这 给 提 取 适 合
47、 城 市 自 身 的 水 文 经 验 公 式 带 来 了极 大 的 困 难。同 时，随 着 中 国 快 速 城 市 化 进 程 推进，本 来 就 很 复 杂 的 城 市 下 垫 面 日 新 月 异，地 表 微地 物 对 于 城 市 地 表 汇 流 过 程 的 影 响 又 进 一 步 限 制了 经 验 公 式 的 适 用 性 和 通 用 性。因 此，虽 然 前 文 中诸 多 基 于 圣 维 南 方 程 简 化 形 式 的 元 胞 自 动 机 模 型得 到 了 广 泛 的 发 展 和 应 用，但 是 在 实 践 中 仍 然 会 存在 长 期 争 论(Fewtrell et al,2008;Neal
48、 et al,2009;表1 代表性城市洪涝模拟模型方法对比Tab1 Comparisonofrepresentativeurbanfloodsimulationmodels模型名称/类型SWMM/水文模型(Gironsetal,2010)二维水动力模型(解以扬等,2005)RFSM/简化模型(Lhommeetal,2008)FCDC/简化模型(Zhang,Wangetal,2014)LISFLOOD-FP/简 化 模 型(Batesetal,2000)CA 模型(Ghimireetal,2013)地形划分单元子汇水区无 结 构 不 规 则 网格基 于 地 形 划 分 的影 响 区 域(imp
49、actzones)三角网格DEM 网格DEM 网格汇流算法非线性水库圣维南方程计 算 影 响 区 域 自 身的 淹 没，多 余 的 水 量通 过 最 低 点 流 入 相邻的影响区域搜 索 洪 水 连 接 点，低于 水 面 高 程 的 区 域被淹没简化的圣维南方程基 于 坡 度 和 水 力 学方 程 计 算 元 胞 间 的交换水量模型输入降 雨 数 据，DEM，土 壤属 性，土 地 利 用，详 细的管网数据降 雨 数 据，DEM，土 地利用，详细的管网数据DEM，影 响 区 域 最 低点位置，入流总体积DEM，水 面 高 程 或 者洪水体积，进入点位置降 雨 数 据，DEM，入 流曲 线，河 道
50、 参 数，时 间步长降 雨 数 据，DEM，时 间步长模型输出管 道 水 位 流 速 的时 空 演 化，节 点的积水体积变化径 流 的 时 空 演 化过程最终淹没范围最终淹没范围径 流 的 时 空 演 化过程径 流 的 时 空 演 化过程构建难易程度一般难一般一般一般容易计算效率快慢快快较快较快能否模拟积水过程否能否否能能498第4 期 刘勇 等：智慧城市视角下城市洪涝模拟研究综述Batesetal,2010)，即 模 型 简 化 到 什 么 程 度 仍 然 具 有物 理 的 真 实 性？事 实 上，一 些 基 于 简 单 重 力 规 则 的经 验 算 法(Di Gregorio et al,
