徐宗學(xué)，葉陳雷

（1.城市水循環(huán)與海綿城市技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100875；2.北京師范大學(xué) 水科學(xué)研究院，北京 100875）

1 研究背景

隨著我國經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展，城鎮(zhèn)化進(jìn)程不斷推進(jìn)，城市人口持續(xù)增加。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2018年末，全國大陸總?cè)丝?39538 萬人，比2017年末增加530 萬人，其中城鎮(zhèn)常住人口83 137 萬人，占總?cè)丝诒戎兀ǔＷ∪丝诔擎?zhèn)化率）為59.58%，比2017年末提高1.06 個(gè)百分點(diǎn)，而在1981年中國常住人口城鎮(zhèn)化率僅為20.2%［1］，而且未來我國城鎮(zhèn)化率還將進(jìn)一步提高［2］。受城市人類活動(dòng)的影響，城區(qū)氣溫普遍比郊區(qū)氣溫高［3］，“熱島效應(yīng)”［4］和“雨島效應(yīng)”［5］凸顯，使得城市暴雨洪澇更為集中，災(zāi)害形勢(shì)更為嚴(yán)峻［6-7］。近年來“城市看?！鳖l發(fā)，如2012年北京“7·21”特大暴雨、2016年武漢“7·6”大暴雨［8］以及前不久發(fā)生的“5.22”廣州特大暴雨。城市洪澇已成為我國城市發(fā)展的痼疾，嚴(yán)重制約了我國經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展和人民生活水平的提高。

為解決城市洪澇問題，緩解城市水資源短缺的現(xiàn)狀，改善城市水環(huán)境，修復(fù)城市水生態(tài)，2013年，國家提出了“海綿城市”建設(shè)戰(zhàn)略，以期實(shí)現(xiàn)雨水的“自然積存、自然滲透、自然凈化”［9］。2014年11月，《海綿城市建設(shè)技術(shù)指南》發(fā)布。從2015年初至2016年，分2 批次遴選了全國30 個(gè)海綿城市建設(shè)試點(diǎn)城市。海綿城市是指城市能夠像海綿一樣，在適應(yīng)環(huán)境變化和應(yīng)對(duì)自然災(zāi)害等方面有良好的彈性，降雨時(shí)吸水、蓄水、滲水、凈水，需要時(shí)釋水并加以利用。1970年代，英國政府首次提出可持續(xù)排水系統(tǒng)（SUstainable Discharge System，SUDS），提出了徑流源頭控制理念，美國環(huán)境保護(hù)署提出了最佳管理措施（Best Management Practices，BMPs），強(qiáng)調(diào)終端治理以及工程類措施。1990年代美國暴雨管理專家提出了低影響開發(fā)（Low Impact Development，LID），澳大利亞提出了水敏感城市設(shè)計(jì)（Water Sensitive Urban Design，WSUD）［10］。

在城市化及海綿城市建設(shè)的大背景下，城市暴雨洪澇模擬是防洪排澇、建設(shè)海綿城市的核心技術(shù)之一。城市洪澇模擬涉及水文、水動(dòng)力、遙感、地理信息系統(tǒng)、數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)、人工智能等多個(gè)領(lǐng)域；同時(shí)，其它領(lǐng)域新技術(shù)的發(fā)展也為洪澇模擬提供了巨大幫助，如遙感技術(shù)以及豐富的水文氣象數(shù)據(jù)，為分布式水文模型的發(fā)展創(chuàng)造了有利條件；計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)的發(fā)展使洪澇模擬中二維非恒定流計(jì)算效率大幅增加；人工智能技術(shù)的發(fā)展為城市洪澇預(yù)警一體化平臺(tái)建設(shè)提供了契機(jī)。在對(duì)城市洪澇研究的過程中，相關(guān)學(xué)者對(duì)此不斷探索，誕生了以水文學(xué)為主的模型、以水動(dòng)力學(xué)為主的模型及二者的耦合模型以及以地形分析為主的模型［10］。目前，水文水動(dòng)力模型是城市洪澇分析與預(yù)測(cè)的核心工具。本文旨在對(duì)城市洪澇模擬的基本原理、主要技術(shù)手段和當(dāng)前國內(nèi)外廣泛應(yīng)用的模型進(jìn)行系統(tǒng)的梳理，總結(jié)和分析城市洪澇模擬相關(guān)熱點(diǎn)問題，以期為今后相關(guān)研究工作提供參考和支撐。

2 城市洪澇模擬的基本原理和方法

城市洪澇模擬的理論基礎(chǔ)是城市水文循環(huán)規(guī)律，以及水動(dòng)力學(xué)物理機(jī)制［11］。目前，研究城市內(nèi)澇的主要方法是，基于對(duì)城市洪澇機(jī)理的認(rèn)識(shí)，構(gòu)建水文水動(dòng)力模型，綜合考慮模型初始條件、邊界條件和閘泵調(diào)控措施，利用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)（降雨徑流數(shù)據(jù)、流量及水位數(shù)據(jù)等）對(duì)模型進(jìn)行率定和驗(yàn)證，并深入分析城市洪澇風(fēng)險(xiǎn)。相比于自然流域，城市內(nèi)密集的人類活動(dòng)對(duì)水文過程和水動(dòng)力過程帶來更大的復(fù)雜性和不確定性。

2.1 城市水循環(huán)特征與水文模型城市水文學(xué)是水文學(xué)的重要分支，其研究的核心問題是城市水循環(huán)規(guī)律。城市區(qū)域受人類活動(dòng)影響極大，城市水循環(huán)規(guī)律比天然流域水循環(huán)更為復(fù)雜。研究城市水循環(huán)規(guī)律是建立城市水文模型、分析城市洪澇過程與機(jī)理的重要基礎(chǔ)性工作。

從城市化對(duì)產(chǎn)匯流過程及水文效應(yīng)的影響來看，城市下墊面及其產(chǎn)匯流過程受人類活動(dòng)影響極大，自然流域水循環(huán)機(jī)理在城市中產(chǎn)生極大變化。下墊面和局部小氣候的改變還引起水循環(huán)過程的變化，城市化對(duì)降雨的影響具有季節(jié)性［10］；劇烈的人類活動(dòng)使硬化路面逐漸取代原有的植被覆蓋和土壤，削弱了地表截留、蒸散發(fā)和下滲能力，區(qū)域不透水面積增大；排水系統(tǒng)、匯流路徑、地表糙率系數(shù)的變化，導(dǎo)致城市對(duì)極端降水的響應(yīng)更為敏感；城市河道中常建有水閘、泵站、堰、堤防等水工建筑物，具有阻水、輸水、過流等調(diào)控區(qū)域水量、分洪調(diào)度的作用；城市路面陡坡、路肩等局部地形使城市部分匯水單元坡度增加，縮短了匯流時(shí)間；城市不規(guī)則的街道建筑、路面沉降、洼地更進(jìn)一步增加了城市產(chǎn)匯流機(jī)理的復(fù)雜性。

從我國的城市特點(diǎn)來看，城市水循環(huán)規(guī)律與洪澇形成機(jī)理具有明顯的地域特征。對(duì)于華東地區(qū)濟(jì)南市這樣的山前平原城市，山區(qū)坡度大，匯流時(shí)間短，在發(fā)生短歷時(shí)強(qiáng)降雨時(shí)地勢(shì)較低的城區(qū)易出現(xiàn)“馬路行洪”現(xiàn)象；對(duì)于華北城市北京等，年降水量較小，主要易澇點(diǎn)多位于城市局部低洼區(qū)，尤其是下凹式立交橋往往“逢雨必澇”、“逢雨必淹”；對(duì)于長江沿岸城市武漢、南京等，進(jìn)入汛期除受到暴雨內(nèi)澇威脅外，還受到外江洪水的威脅；對(duì)于東南沿海城市深圳、福州等，受臺(tái)風(fēng)影響嚴(yán)重，且具有明顯的風(fēng)暴潮、天文大潮現(xiàn)象。

從城市的社會(huì)效應(yīng)來看，城市水循環(huán)具有明顯的自然-社會(huì)二元水循環(huán)特點(diǎn)［12］。城市水文涉及水利、市政、環(huán)境、生態(tài)等領(lǐng)域，城市不斷增加的人口導(dǎo)致需水量增加，城市水資源供需關(guān)系改變；城市工業(yè)廢水與生活污水的排放，引起城市生態(tài)系統(tǒng)功能退化；城市還擁有復(fù)雜的雨污合流與雨污分流管網(wǎng)系統(tǒng)，且常常伴隨著管網(wǎng)堵塞等情形。

水文模型是研究水循環(huán)過程的主要工具，其發(fā)展經(jīng)歷了從集總式水文模型到分布式水文模型的階段。分布式水文模型可以較好地反映實(shí)際的降雨分布及下墊面的空間異質(zhì)性［13］，目前國內(nèi)外主要的分布式水文模型有SHE、SWAT、VIC、SWMM、IHDM 模型等［14］。在城市水文模型中，考慮到城市產(chǎn)匯流過程的復(fù)雜性和空間異質(zhì)性的特點(diǎn)，常將城市研究區(qū)劃分為若干個(gè)子匯水單元，基于單元內(nèi)下墊面地形、用地類型等特征賦予模型參數(shù)，計(jì)算時(shí)段降雨量、蒸散發(fā)、填洼、下滲等初期損失后形成徑流，進(jìn)而得到流域出口斷面的流量過程?，F(xiàn)有的城市水文模型融入了管網(wǎng)等重要排水系統(tǒng)，但是對(duì)集水區(qū)內(nèi)的下滲、蒸散發(fā)等產(chǎn)流機(jī)理仍考慮不足［15］。在城市水文模擬中使用分布式水文模型可以較好地體現(xiàn)流域的空間異質(zhì)性，但是，分布式水文模型是否能準(zhǔn)確揭示城市水循環(huán)物理機(jī)制仍待商榷。

目前，針對(duì)我國城市產(chǎn)流規(guī)律的研究還比較薄弱，城市水文模型是研究模擬水循環(huán)的主要工具，這對(duì)降雨徑流的計(jì)算結(jié)果常作為水動(dòng)力過程的輸入，對(duì)城市洪澇模擬結(jié)果有重要影響。深入研究城市水循環(huán)機(jī)理是解決城市洪澇問題的重要內(nèi)容和基礎(chǔ)性工作。

2.2 城市洪澇過程與水動(dòng)力模型水動(dòng)力學(xué)模型也是描述城市洪澇過程不可或缺的一部分。一般來說，降雨經(jīng)初損形成凈雨后，由城市管網(wǎng)與河網(wǎng)排出，實(shí)際中由于滿管溢出的水或河道漫灘的水形成城市地表淹水。水動(dòng)力學(xué)具有一套成熟的描述管流、明渠水流及二維流動(dòng)的方法與技術(shù)，近年來隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，二維水動(dòng)力模型計(jì)算速度大幅提升，水動(dòng)力模型越來越廣泛地應(yīng)用在城市洪澇模擬當(dāng)中。

根據(jù)水流運(yùn)動(dòng)空間尺度的不同，水動(dòng)力模型可以分為零維、一維、二維模型。零維模型一般是對(duì)檢查井、湖泊、河道汊點(diǎn)等的概化，常考慮其調(diào)蓄功能；一維模型一般用于對(duì)管流和明渠流，對(duì)于管網(wǎng)和河道來說，沿流向方向的縱向長度遠(yuǎn)大于橫向長度；二維模型一般用于模擬地表漫流，在空間上有兩個(gè)變量。城市中的水動(dòng)力條件復(fù)雜，城市排水系統(tǒng)包括地下管網(wǎng)系統(tǒng)、城市內(nèi)河與渠道中修建的水工建筑物，這些工程調(diào)控設(shè)施對(duì)城市排水有著直接的影響。

水動(dòng)力學(xué)方法基于Navier-Stokes 方程對(duì)不同流態(tài)水流進(jìn)行簡(jiǎn)化，建立描述水流運(yùn)動(dòng)的模型方程，采用離散化思想求解模型方程的數(shù)值解，從而得到求解域內(nèi)流場(chǎng)分布。一維水動(dòng)力模型采用圣維南方程組（Saint-Venant Equations）描述，二維水動(dòng)力模型采用淺水方程（Shallow Water Equations）描述，兩者均為擬線性雙曲型偏微分方程組。目前，求解水流運(yùn)動(dòng)的離散方法主要包括有限差分法（Fi?nite Difference Method，F(xiàn)DM）、有限體積法（Finete Volume Method，F(xiàn)VM）以及有限元法（Finite Ele?ment Method，F(xiàn)EM）。FDM 理論相對(duì)簡(jiǎn)單，技術(shù)成熟，可以構(gòu)造高精度的差分格式，但是FDM 僅能處理幾何外形相對(duì)簡(jiǎn)單的計(jì)算域，對(duì)于復(fù)雜外形的適用性較低。FVM 具有良好的守恒性，計(jì)算域網(wǎng)格點(diǎn)存儲(chǔ)的是以該點(diǎn)為中心的控制體積內(nèi)物理量（水位、流量、流速等）的平均值，適合處理復(fù)雜外形的計(jì)算域，且比FDM 更適合處理河道干濕交替問題與復(fù)雜混合流態(tài)問題［16］，但是FVM 難以提高數(shù)值格式的精度。FDM 多用于一維模型；FVM 多用于二維模型，如內(nèi)澇淹水、潰壩洪水等。而有限元法（FEM）在處理河網(wǎng)模擬中常見的干濕交替問題時(shí)穩(wěn)定性較差，更多用于結(jié)構(gòu)力學(xué)與固體力學(xué)等領(lǐng)域，目前在水動(dòng)力學(xué)中的應(yīng)用仍待進(jìn)一步深入。

數(shù)值離散格式的選取是水動(dòng)力計(jì)算的核心問題。目前，一維模型廣泛使用四點(diǎn)Preissmann 隱式差分格式。顯格式（如迎風(fēng)格式、Lax-Wendroff 格式）的計(jì)算較為簡(jiǎn)單，但隨著迭代次數(shù)增加，誤差在傳播過程中易使結(jié)果發(fā)散；隱格式較好地改善了這項(xiàng)不足，但由于隱格式在每一步迭代中需要求解方程組，計(jì)算更為復(fù)雜。二維模型常使用基于非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的Godunov 型有限體積格式，包括Roe 格式、HLL 格式等［17］。Godunov 格式將計(jì)算域作為分塊連續(xù)的流場(chǎng)，將計(jì)算域上離散點(diǎn)的值作為該值在每個(gè)獨(dú)立的塊的平均值，基于平均值對(duì)界面通量重構(gòu)，并通過在相鄰塊的界面處構(gòu)造Riemann 問題來求解界面通量。Godunov 格式適用于求解古典解，還適應(yīng)大梯度、大變形解，且可以自動(dòng)捕捉間斷［17-18］。另外，實(shí)際應(yīng)用中常綜合考慮數(shù)值格式的精度和計(jì)算效率，求解控制方程得到的狀態(tài)變量值，與網(wǎng)格設(shè)置和尺度選擇有關(guān)，增加網(wǎng)格數(shù)在一定范圍內(nèi)可以提高計(jì)算精度，但網(wǎng)格數(shù)的大幅增加使計(jì)算時(shí)間明顯增加。因此，構(gòu)造數(shù)值穩(wěn)定、高精度、滿足實(shí)際計(jì)算效率需求的算法是水動(dòng)力學(xué)的重要問題。

城市受人類活動(dòng)影響極大，城市水動(dòng)力模擬比一般連續(xù)水體運(yùn)動(dòng)需要考慮更多因素。（1）水流在城市地表的運(yùn)動(dòng)極為復(fù)雜，城市建筑物對(duì)水流的阻擋影響洪水波的演進(jìn)傳播，為處理建筑物對(duì)水流運(yùn)動(dòng)的影響，已有相關(guān)研究使用了固壁邊界法、真實(shí)地形法和加大糙率法做了大量工作［19］。（2）在水動(dòng)力數(shù)值求解中，河床及地表干濕交替、界面通量重構(gòu)等均是非恒定流數(shù)值求解的重要問題。城市地表局部地形復(fù)雜多變，地面沉降及洼地會(huì)使得水流運(yùn)動(dòng)路徑改變。這使城市地表徑流比潰壩洪水和河道洪水的干濕交替更為復(fù)雜，其干濕變化可能出現(xiàn)在任意時(shí)刻任意單元網(wǎng)格上，經(jīng)典的Godunov格式存在干濕處理的問題，有研究采用擴(kuò)散波計(jì)算網(wǎng)格單元水深極小時(shí)的流速，也有研究采用修正的Roe 格式，并將底坡項(xiàng)直接積分求解［20］。（3）城市地下管網(wǎng)系統(tǒng)存在著明滿流交替現(xiàn)象，即管流在有壓管和無壓管之間切換，當(dāng)管道未充滿時(shí)，管道相當(dāng)于明渠流，而管道在充滿時(shí)為有壓管流，有相關(guān)研究基于Preissmann 狹縫的激波捕捉法，嘗試用同一組控制方程來描述明流和滿流［21］。（4）城市排水系統(tǒng)相關(guān)理論及模型仍有待進(jìn)一步完善，比如，對(duì)于管網(wǎng)和地表兩個(gè)部分的匯水順序，一種方式將降雨形成徑流匯入管網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行一維非恒定流計(jì)算，對(duì)從管網(wǎng)中溢出的水在地表進(jìn)行二維非恒定流計(jì)算；另一種方式是將所有的降雨在地表進(jìn)行二維非恒定流計(jì)算，在有檢查井的區(qū)域再匯入管網(wǎng)進(jìn)行一維非恒定流計(jì)算［22］。部分雨水匯入低洼地甚至城市的地下空間，部分雨水通過管網(wǎng)排入河流，但在與河流洪水遭遇的情況下，可能出現(xiàn)頂托倒灌。因此，城市洪澇過程模擬中，要考慮因澇成洪和因洪致澇等現(xiàn)象。在利用淺水模型來描述地表淹沒時(shí)，有研究采取耦合管網(wǎng)模型的方法進(jìn)行計(jì)算，也有研究將管網(wǎng)概化到模型參數(shù)中［23-25］。模型中除了要考慮管網(wǎng)、河網(wǎng)、路面、建筑的復(fù)雜連接外，城市水系中還有水閘、泵站、水庫等可調(diào)控設(shè)施，這些水工建筑物一般有相應(yīng)的調(diào)度運(yùn)行方案，它們對(duì)計(jì)算結(jié)果有較大的影響。

2.3 水文水動(dòng)力耦合模型在對(duì)城市洪澇過程進(jìn)行模擬時(shí)，單獨(dú)使用水文模型或水動(dòng)力模型均存在一定的不足。水文模型充分描述了降雨產(chǎn)匯流過程，水文過程的結(jié)果對(duì)洪澇計(jì)算影響較大，且在二維模型連續(xù)性方程中的源匯項(xiàng)要反映地表滲流造成的水量損失［26］。傳統(tǒng)水文學(xué)方法對(duì)城市地表淹沒過程較難描述，而水動(dòng)力模型通過求解控制水流運(yùn)動(dòng)的偏微分方程，可以得到洪澇中的淹沒水深、淹沒范圍、淹沒歷時(shí)等時(shí)空分布信息［8］，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)河道泥沙運(yùn)移及污染物沖刷擴(kuò)散等過程的模擬。水動(dòng)力模型往往需要精確的河道地形數(shù)據(jù)，在二維模型中的計(jì)算效率較慢［27］。因此，綜合利用水文模型與水動(dòng)力模型，互相彌補(bǔ)其不足，建立城市水文水動(dòng)力耦合模型是城市洪澇過程模擬的必由之路。

總體來說，按兩套模型耦合方式的不同，可以將水文水動(dòng)力耦合模型大致分為三類：（1）將水文模型計(jì)算得到的流量作為水動(dòng)力模型的上邊界或旁側(cè)入流。這種耦合模式可以稱為松散耦合，或單向耦合、外部耦合。該模式可操作性強(qiáng)，通過建立水文模型和水動(dòng)力模型之間某些變量的聯(lián)系來實(shí)現(xiàn)耦合。但是，這種模式對(duì)真實(shí)的管網(wǎng)-地表-河道水量交互機(jī)制做了較大程度的概化［28-29］?？紤]城市子流域出口斷面的流量過程作為城市管網(wǎng)與城市河網(wǎng)的邊界條件，這被稱作點(diǎn)狀耦合邊界。但是這種耦合模式將地表漫流導(dǎo)致的淹沒概化為管網(wǎng)溢出水流在出水口的擴(kuò)散過程，以及在管道水量消退后，溢出水量又回流到管道的過程。相關(guān)研究針對(duì)此類問題提出線狀耦合邊界和面狀耦合邊界，分別通過設(shè)置不同類型的耦合邊界形式來描述街道入流過程與地表局部低洼區(qū)的淹沒過程［7］。（2）在水文模型和水動(dòng)力學(xué)模型之間共享邊界條件、模型參數(shù)等數(shù)據(jù)，但兩個(gè)模型獨(dú)立求解、互不影響。這種耦合模式比第一種更為緊密，稱為內(nèi)部耦合。（3）將水文模型和水動(dòng)力學(xué)模型作為一個(gè)整體統(tǒng)籌考慮，對(duì)控制方程聯(lián)立求解。這種耦合模式稱為緊密耦合，或雙向耦合、全耦合。緊密耦合在機(jī)理上最為完善，但聯(lián)立求解方程組的難度較大。通過緊密耦合實(shí)現(xiàn)多過程的交互，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)模擬復(fù)雜的洪澇過程是洪澇模型的重要發(fā)展趨勢(shì)。

考慮到城市下墊面的復(fù)雜性，在建立水文水動(dòng)力耦合模型時(shí)需要包括以下基本模塊。（1）基礎(chǔ)模塊：包括產(chǎn)匯流模塊和水動(dòng)力模塊。產(chǎn)匯流模塊由子流域上的降水、蒸散發(fā)、下滲、截留、填洼、坡面匯流等模塊組成；水力模塊由一維管網(wǎng)、一維河網(wǎng)、二維地表匯流等模塊構(gòu)成；（2）銜接模塊：主要包括檢查井與地表的銜接、河道與地表的銜接、一維水動(dòng)力與二維水動(dòng)力的銜接；（3）功能模塊：主要包括閘、泵、堰等水力模塊，以及實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)調(diào)度控制的RTC（Real-Time Control）模塊。水文水動(dòng)力耦合模型需要考慮的因素、不同模塊之間的相互關(guān)系與耦合機(jī)理如圖1所示。

2.4 典型城市洪澇模型表1列舉了目前部分國內(nèi)科研單位自主研發(fā)的城市洪澇模型及其主要特點(diǎn)。其中包括中國水利水電科學(xué)研究院開發(fā)的洪澇仿真模型［30-34］和洪水風(fēng)險(xiǎn)分析軟件FRAS［35］，珠江水利科學(xué)研究院開發(fā)的HydroMPM 模型［36］，西安理工大學(xué)與英國紐卡斯?fàn)柎髮W(xué)聯(lián)合開發(fā)的GAST 模型［37］與大連理工大學(xué)開發(fā)的HydroInfo 模型［38］。另外，不少單位依托洪水風(fēng)險(xiǎn)圖編制項(xiàng)目，研發(fā)了洪水分析軟件，如中國水科院聯(lián)合多家單位共同研發(fā)了IFMS/Urban 軟件［39-40］。

表2列舉了目前常用的國外研發(fā)的城市洪澇模型，這些模型軟件的應(yīng)用為計(jì)算分析城市洪澇過程提供了幫助。按照公開程度的不同，這些模型大致可以分為三類：（1）完全開源的模型，以SWMM 模型為代表。SWMM 模型是由美國EPA（Environmental Protection Agency，環(huán)境保護(hù)署）推出的城市洪澇模型，它提供了一個(gè)免費(fèi)的GUI，已廣泛被科研工作者所使用。由于源代碼公開，SWMM 模型可以實(shí)現(xiàn)不同需求的二次開發(fā)，從而對(duì)原有功能進(jìn)行補(bǔ)充。另外也有第三方庫提供了模型接口，例如基于Python 開發(fā)的pyswmm 包，在python 環(huán)境下實(shí)現(xiàn)與部分模型參數(shù)的交互。（2）高度商業(yè)化的模型，以InfoWorks ICM 和MIKE 系列模型為代表。InfoWorks ICM 是由英國Wallingford 公司研發(fā)，具有高度的功能集成性，可以在同一界面中模擬城市區(qū)域水文、水動(dòng)力、水質(zhì)過程。還有丹麥水力研究所研發(fā)的MIKE 系列商業(yè)軟件，其中MIKE URBAN、MIKE 11、MIKE 21 等在城市洪澇模擬中應(yīng)用十分廣泛。這類模型軟件一般模塊齊全、前后處理功能完善，能夠模擬各種現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景，但其缺點(diǎn)是難以進(jìn)行開發(fā)創(chuàng)新。InfoWorks ICM 中提供了商業(yè)化模塊ICM Exchange，可以實(shí)現(xiàn)部分二次開發(fā)。（3）半商業(yè)化模型，例如美國弗吉尼亞州海洋研究所（VIMS）開發(fā)的EFDC 模型，它提供了完整的源代碼，但其用戶操作界面EFDC Explorer 被商業(yè)化；又如HEC-RAS，它提供了免費(fèi)的GUI，但其源代碼尚未公開。

圖1 城市水文水動(dòng)力耦合分析框架

表1 國內(nèi)主要城市洪澇模型

表2 國外主要城市洪澇模型

這些模型為模擬城市洪澇過程提供了極大的幫助，雖然不同模型的水動(dòng)力模塊在模型方程和數(shù)值求解方法上基本類似，但模型中針對(duì)城市產(chǎn)匯流的計(jì)算更多地是針對(duì)國外城市開發(fā)，其下滲產(chǎn)流機(jī)制對(duì)國內(nèi)城市的適用性仍待商榷。因此，結(jié)合我國城市特點(diǎn)與暴雨內(nèi)澇現(xiàn)狀，在研究我國城市水循環(huán)規(guī)律與水動(dòng)力機(jī)制的基礎(chǔ)上，因地制宜研發(fā)適用于我國不同城市特點(diǎn)的洪澇模擬模型，不僅是當(dāng)前研究的重要方向，也是從根本上解決我國城市洪澇問題的必由之路。

3 城市洪澇模擬有關(guān)的熱點(diǎn)研究領(lǐng)域

3.1 遙感技術(shù)應(yīng)用遙感技術(shù)為開展水文水資源領(lǐng)域的研究提供了優(yōu)越的數(shù)據(jù)源和前提條件。目前遙感技術(shù)在水文水資源中的應(yīng)用主要分為直接應(yīng)用與間接應(yīng)用兩個(gè)方面?；谶b感技術(shù)全球性、全天候、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的特點(diǎn)，可以直接應(yīng)用于洪水過程和洪災(zāi)范圍實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、冰川和積雪融化狀態(tài)監(jiān)測(cè)等方面。間接應(yīng)用表現(xiàn)在可以為水文模型提供豐富的下墊面數(shù)據(jù)與氣象數(shù)據(jù)，彌補(bǔ)了由傳統(tǒng)水文站點(diǎn)監(jiān)測(cè)在時(shí)間、空間限制因素造成水文數(shù)據(jù)的缺陷。尤其是在無資料地區(qū)，由于傳統(tǒng)水文數(shù)據(jù)、土地利用/土地覆被數(shù)據(jù)的缺失，基于土壤、地表植被、大氣三者有機(jī)結(jié)合的水文模型無法充分發(fā)揮作用，為遙感技術(shù)的應(yīng)用提供了廣闊的天地。

城市下墊面受人類活動(dòng)影響較大，且具有明顯的空間差異性。城市洪澇模型輸入數(shù)據(jù)主要包括降雨、徑流、水位等水文氣象數(shù)據(jù)，以及地形、土地類型、河道斷面、市政管網(wǎng)等城市基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)，主要由人工實(shí)地勘測(cè)或城市監(jiān)測(cè)站點(diǎn)獲得。由于局部復(fù)雜地形對(duì)測(cè)量條件的限制，以及城市監(jiān)測(cè)技術(shù)及設(shè)備尚不完善，城市洪澇研究需要的數(shù)據(jù)尚有所欠缺。隨著3S 技術(shù)的發(fā)展，城市化進(jìn)程的加快也對(duì)洪澇模擬提出了越來越高的精度需求，遙感技術(shù)為城市洪澇模擬提供了長時(shí)序、大面積、高精度的下墊面信息與城市水文氣象數(shù)據(jù)，為城市水循環(huán)規(guī)律的研究提供了數(shù)據(jù)保障。基于遙感技術(shù)可獲得的城市地表信息數(shù)據(jù)主要包括高精度地形數(shù)據(jù)（DEM（Digital Elevation Model）數(shù)據(jù)），土地利用類型（例如LandSAT 8，空間分辨率30 m，時(shí)間分辨率16 d），精細(xì)化地面信息（由機(jī)載LiDAR、車載LiDAR 等獲得）；基于雷達(dá)遙感技術(shù)的氣象水文數(shù)據(jù)，主要包括降雨數(shù)據(jù)（例如GLDAS（Global Land Data Assimilation System）數(shù)據(jù)，空間分辨率0.25°，時(shí)間分辨率1 d）、土壤濕度數(shù)據(jù)（例如CL?DAS（China Meteorological Administration Land Data Assimilation System）數(shù)據(jù)，空間分辨率0.0625°，時(shí)間分辨率1 h）、蒸散發(fā)數(shù)據(jù)（例如MOD16 數(shù)據(jù)，空間分辨率1 km，時(shí)間分辨率8 d）等。氣象雷達(dá)技術(shù)的應(yīng)用有效彌補(bǔ)了水文氣象地面觀測(cè)資料不足的缺陷，為精細(xì)化降雨徑流模擬提供了良好的數(shù)據(jù)源。

與傳統(tǒng)的水文站點(diǎn)監(jiān)測(cè)相比，遙感技術(shù)可同時(shí)獲得其它地面監(jiān)測(cè)技術(shù)無法獲得的紫外線波段、紅外線波段、微波波段等不可見光信息，以及地面反射率、回波強(qiáng)度、波形等豐富的信息，精細(xì)捕捉傳統(tǒng)方法無法獲得的氣象信息與下墊面信息，極大地豐富了開展城市洪澇模擬研究、氣候變化下城市下墊面變化與城市洪澇風(fēng)險(xiǎn)之間的關(guān)系，以及氣候變化對(duì)城市水循環(huán)影響研究的數(shù)據(jù)來源。遙感技術(shù)以其宏觀、形象、快速、經(jīng)濟(jì)、周期短，以及可提供多時(shí)相數(shù)據(jù)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，為水文工作者從本質(zhì)上認(rèn)識(shí)城市洪澇的時(shí)空演變特征，預(yù)測(cè)城市洪水情勢(shì)提供了大量信息。在分析城市水文循環(huán)規(guī)律時(shí)，除了重點(diǎn)以城區(qū)為研究對(duì)象外，更需要綜合考慮該城市所在區(qū)域更大時(shí)間尺度與空間尺度上的水循環(huán)規(guī)律。例如，在分析北京市氣候演變與水文循環(huán)規(guī)律時(shí)，應(yīng)結(jié)合整個(gè)華北地區(qū)氣象與水文規(guī)律，分析華北地區(qū)氣候演變規(guī)律對(duì)北京城市水循環(huán)規(guī)律的影響。另外，隨著深度學(xué)習(xí)技術(shù)的發(fā)展，尤其是卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在圖像識(shí)別及特征提取等領(lǐng)域上的優(yōu)勢(shì)，將其與遙感技術(shù)相結(jié)合，應(yīng)用在城市洪澇研究中也是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。

3.2 城市綜合排水系統(tǒng)模型水文水動(dòng)力模型是模擬城市洪澇過程的基本工具，是對(duì)城市排水系統(tǒng)、下墊面與水文氣候特征的概化，在建模時(shí)應(yīng)統(tǒng)籌考慮城市復(fù)雜系統(tǒng)的產(chǎn)匯流過程。因此，根據(jù)城市實(shí)際情況，構(gòu)建多系統(tǒng)、多模塊、多過程、多維度耦合的城市綜合排水系統(tǒng)模型是當(dāng)前的發(fā)展趨勢(shì)。在對(duì)城市局部區(qū)域進(jìn)行精細(xì)化模擬時(shí)，還需要構(gòu)建精細(xì)化模型，使模擬更趨近現(xiàn)實(shí)狀態(tài)。如本文前述模擬地面積水與退水時(shí)，現(xiàn)有模型大多對(duì)積水過程及其反過程做了較大概化，為提高模型精度，通過源匯項(xiàng)建立一、二維模型方程間的聯(lián)系，可以實(shí)現(xiàn)由滿管導(dǎo)致的淹沒過程更為準(zhǔn)確的描述。其它如管道堵塞、外河倒灌、河道水位頂托等也可以通過對(duì)控制方程聯(lián)立求解實(shí)現(xiàn)。此外，利用空天地一體化監(jiān)測(cè)方法，以高光譜遙感技術(shù)為核心，結(jié)合無人機(jī)技術(shù)，獲取城市高分下墊面信息，從而更精確地計(jì)算二維網(wǎng)格上的水流運(yùn)動(dòng)。

以兩個(gè)典型易澇城市為例具體說明。首先以華東內(nèi)陸城市濟(jì)南市為例。濟(jì)南屬于暖溫帶半濕潤區(qū)域，為大陸季風(fēng)氣候，其降雨具有歷時(shí)短、強(qiáng)度大，在時(shí)間和空間上易集中的特點(diǎn)。濟(jì)南中心城區(qū)地勢(shì)南高北低，南部陡峭的地形使得匯流速度快，對(duì)城市洪澇起放大作用。城區(qū)街道成為匯水通道，中心城區(qū)街道成為行洪渠道，易出現(xiàn)馬路行洪現(xiàn)象［41］。因此，在洪澇過程模擬時(shí)，需考慮街道匯水過程與馬路行洪之間的轉(zhuǎn)換。再以東南沿海城市福州市為例，福州為海洋性季風(fēng)氣候，夏秋受熱帶風(fēng)暴和臺(tái)風(fēng)影響，常造成短歷時(shí)強(qiáng)降雨［42-43］。城區(qū)水系復(fù)雜，河網(wǎng)密集，其上游北部為濕潤山區(qū)，有八一水庫、過溪水庫、登云水庫等主要水庫；城區(qū)下游閩江水位則受風(fēng)暴潮、天文大潮的影響；平原城區(qū)內(nèi)河、入江口設(shè)置有調(diào)控內(nèi)河水位的閘門與泵站，其工況與水庫泄洪方案共同組成城市河湖庫聯(lián)合調(diào)度系統(tǒng)。汛期城市常通過啟閉內(nèi)河及外江水閘來調(diào)控城市水系，這些水工建筑物的調(diào)度工況直接影響城區(qū)的洪澇狀況。另外，城區(qū)的調(diào)度系統(tǒng)除有利于防洪排澇外，還發(fā)揮著改善城市水環(huán)境的作用，實(shí)現(xiàn)雨天防洪排澇、晴天生態(tài)補(bǔ)水。因此，建模時(shí)需統(tǒng)籌考慮城市中觀尺度水系聯(lián)合調(diào)度、風(fēng)暴潮對(duì)城市洪澇的影響，因地制宜，形成一套多過程、多模塊耦合的城市綜合排水模擬體系。

3.3 城市洪澇預(yù)報(bào)調(diào)度系統(tǒng)為應(yīng)對(duì)城市洪澇帶來的損失，改善城市洪澇現(xiàn)狀，我國部分城市已逐步建立了城市洪澇實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)系統(tǒng)，如沿海城市深圳、佛山、福州等。圖2描述了城市洪澇實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)系統(tǒng)的基本框架，包括數(shù)據(jù)層、模型層、預(yù)報(bào)層和決策層。數(shù)據(jù)層是實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，包括城市現(xiàn)狀管網(wǎng)、地形、河道、街道、建筑等基本信息；包括城市水文站、氣象站監(jiān)測(cè)的歷史數(shù)據(jù)；還包括由各類監(jiān)測(cè)設(shè)備傳輸至系統(tǒng)后臺(tái)數(shù)據(jù)庫的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)。模型層包含了城市洪澇淹沒相關(guān)的水文、水動(dòng)力、水質(zhì)等模塊及其相互間的耦合等。模型是保障實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)系統(tǒng)的核心，增加模型預(yù)報(bào)精度、提高模型計(jì)算效率是實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)系統(tǒng)面臨的主要問題。模型通過提供相應(yīng)的接口供系統(tǒng)集成與調(diào)用。預(yù)報(bào)層指的是在未來時(shí)段降雨與邊界條件下，模型輸出的洪澇狀態(tài)數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)可以利用后處理技術(shù)進(jìn)行渲染，直觀反映城市洪澇狀態(tài)。決策層是實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)系統(tǒng)的反饋機(jī)制，是對(duì)預(yù)報(bào)調(diào)度系統(tǒng)的管理。圖2中給出了3 種決策方法：（1）基于經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行的調(diào)度決策，這種方法操作簡(jiǎn)單，但是主觀性較強(qiáng)；（2）基于方案庫的調(diào)度決策，這種方法是預(yù)先通過在系統(tǒng)中建立多套方案，在決策時(shí)通過方案比選來輔助調(diào)度決策；（3）智能調(diào)度，利用優(yōu)化算法調(diào)整構(gòu)建模型中的調(diào)度參數(shù)，實(shí)現(xiàn)調(diào)度決策的自動(dòng)化與智能化，但是，智能調(diào)度對(duì)模型數(shù)據(jù)及計(jì)算機(jī)性能的要求較高，目前仍處于發(fā)展階段。

圖2 城市洪澇實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)調(diào)度決策基本框架

RTC（Real Time Control）在閘泵工況模擬及調(diào)度中應(yīng)用廣泛，常用來在水系統(tǒng)中進(jìn)行實(shí)時(shí)控制及輔助決策［44］。在綜合考慮模型內(nèi)部屬性與外部預(yù)測(cè)的基礎(chǔ)上，推演預(yù)測(cè)時(shí)段內(nèi)系統(tǒng)功能操作及影響。在模型中利用RTC 實(shí)現(xiàn)調(diào)度方案對(duì)水力系統(tǒng)的控制時(shí)，主要有兩種控制機(jī)制。一是前饋控制，即根據(jù)水力系統(tǒng)內(nèi)部信息調(diào)節(jié)閘泵等系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)備，再將調(diào)節(jié)后的影響傳遞給當(dāng)前水位來達(dá)到控制的效果。二是反饋控制，利用水力系統(tǒng)外部信息調(diào)節(jié)系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)備，且這種調(diào)節(jié)不會(huì)直接影響系統(tǒng)外部信息。兩者均基于城市洪澇預(yù)報(bào)調(diào)度系統(tǒng)對(duì)當(dāng)前狀態(tài)進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制。在此基礎(chǔ)上，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)模型系統(tǒng)的優(yōu)化調(diào)度，該體系較為復(fù)雜，包含模型系統(tǒng)、目標(biāo)函數(shù)、邊界條件、約束條件和優(yōu)化算法?；诟呕呐潘Ｐ?，優(yōu)化調(diào)度模塊，使其在預(yù)測(cè)時(shí)間范圍內(nèi)更好地滿足城市防汛目標(biāo)與水力約束，從而產(chǎn)生優(yōu)化的控制方案與調(diào)洪策略。

需要提及的是，為提高城市洪澇預(yù)報(bào)精度，利用數(shù)值天氣模型實(shí)現(xiàn)對(duì)分布不均勻降雨的預(yù)測(cè)，在水文水動(dòng)力模型中耦合高分辨率天氣預(yù)報(bào)模式是一個(gè)重要方向。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模型應(yīng)用愈加廣泛。國內(nèi)外著名的中尺度大氣數(shù)值天氣模式包括Eta、MM5、WRF、RAMS等［45-46］。常用的WRF（Weather Research and Forecasting Model，WRF）模型是高分辨率中尺度天氣預(yù)報(bào)模式，在模擬對(duì)流型強(qiáng)降水方面得到顯著發(fā)展。聯(lián)合使用天氣數(shù)值模型和水文水動(dòng)力模型，也是進(jìn)行城市雨洪計(jì)算、城市洪澇情勢(shì)精準(zhǔn)預(yù)報(bào)的重要方向。

3.4 洪澇過程模擬與智慧水務(wù)在人工智能技術(shù)蓬勃發(fā)展的背景下，“智慧水務(wù)”概念應(yīng)運(yùn)而生。智慧水務(wù)是智慧城市的重要組成部分，是完善城市水務(wù)管理的重要載體［47］。城市暴雨洪澇模擬是城市防洪減災(zāi)的關(guān)鍵技術(shù)之一，也是智慧城市風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)急管理中重要的決策支持依據(jù)［48］。

城市洪澇模擬亦是智慧水務(wù)中不可或缺的一環(huán)。以深度學(xué)習(xí)為代表的人工智能技術(shù)為城市洪澇模擬帶來新的變革。深度學(xué)習(xí)中的前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等主要模型架構(gòu)在智慧水務(wù)中得到廣泛應(yīng)用。使用循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)適于建立城市易澇點(diǎn)或河道水位與若干致災(zāi)因子之間的非線性關(guān)系，建模時(shí)模型輸入層常為氣象、水文、地形等直接或間接因子，以及部分上游站點(diǎn)數(shù)據(jù)；輸出層常為水位或流量數(shù)據(jù)，模擬時(shí)常選擇擅長處理時(shí)間序列數(shù)據(jù)的RNN、LSTM 等模型，已有學(xué)者做過相關(guān)研究［49］。使用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在城市遙感影像識(shí)別分析，以及下墊面特征提取等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。目前，TensorFlow、PyTorch 等優(yōu)秀的深度學(xué)習(xí)框架可以方便地實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)處理和深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型構(gòu)建。深度學(xué)習(xí)模型已被越來越多應(yīng)用在城市洪澇相關(guān)工作，但不應(yīng)忽視的是，與傳統(tǒng)水文水動(dòng)力模型相比，深度學(xué)習(xí)方法主要是基于歷史洪澇經(jīng)驗(yàn)來建立模型，在描述城市洪澇物理機(jī)制上比較薄弱，模型參數(shù)更多地是具有深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的數(shù)學(xué)意義，而缺乏反映城市水循環(huán)運(yùn)動(dòng)的物理意義。此外，該類模型還存在對(duì)城市環(huán)境的變化（如下墊面變化等）沒有足夠的適應(yīng)性等問題。因此，借助深度學(xué)習(xí)模型對(duì)城市洪澇模擬的研究仍待進(jìn)一步發(fā)展。

城市洪澇模擬對(duì)計(jì)算速度有極大需求，尤其是在二維地表淹沒計(jì)算，單純對(duì)模型概化及算法優(yōu)化仍難以滿足對(duì)計(jì)算效率的需求。隨著處理器多核時(shí)代到來，GPU（Graphics Processing Unit）并行計(jì)算技術(shù)在山洪預(yù)報(bào)、水庫實(shí)時(shí)調(diào)度、分布式水文模型、城市洪澇模擬等領(lǐng)域已取得廣泛應(yīng)用［50-51］。高性能GPU 并行計(jì)算技術(shù)能夠大幅加快城市洪澇過程計(jì)算效率，如基于NVIDIA 公司研發(fā)的CUDA 平臺(tái)的GPU 并行計(jì)算技術(shù)在處理二維淺水方程或是處理深度學(xué)習(xí)中復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)時(shí)均有廣泛應(yīng)用。目前，城市洪澇模擬中廣泛使用的MIKE、InfoWorks ICM 等模型均引入了二維網(wǎng)格的GPU 并行計(jì)算技術(shù)。

智慧水務(wù)需要不斷提升數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)水平，完善城市洪澇建模分析數(shù)據(jù)源?；谖锫?lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)儀等傳感設(shè)備自動(dòng)采集雨量、水位等城市重要的水情信息，利用移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)實(shí)時(shí)傳輸給處理平臺(tái)，在大數(shù)據(jù)、云計(jì)算以及3S 技術(shù)的支持下完成對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析與災(zāi)情預(yù)測(cè)，以及對(duì)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)可視化和動(dòng)態(tài)管理［48］。目前，城市可以利用的長序列降水測(cè)站、管道監(jiān)測(cè)、河道測(cè)站的監(jiān)測(cè)資料仍較為缺乏，且尚未形成完善的監(jiān)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)。

目前，智慧水務(wù)更多應(yīng)用于實(shí)現(xiàn)水利信息的存儲(chǔ)、查詢等初期應(yīng)用，離真正的“智慧”、“智能”尚有一段差距。結(jié)合智慧水務(wù)工作的深入，城市洪澇模擬未來的工作主要包括以下方面。（1）提升監(jiān)測(cè)技術(shù)，完善城市水文、氣象、水質(zhì)等數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)體系，為解決城市洪澇問題提供扎實(shí)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。（2）積極探索城市洪澇過程的深度學(xué)習(xí)模型算法，平衡“算的準(zhǔn)”與“算的快”之間的關(guān)系，為實(shí)際需求做支撐。（3）構(gòu)建城市智慧水務(wù)平臺(tái)，綜合考慮水利、市政、環(huán)境、生態(tài)等諸多領(lǐng)域。本文第3.3 節(jié)所述城市洪澇實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)調(diào)度系統(tǒng)即為智慧水務(wù)平臺(tái)的重要組成部分，完善的智慧水務(wù)平臺(tái)為城市洪澇的監(jiān)測(cè)、預(yù)測(cè)、指揮、調(diào)度提供了重要幫助。

4 結(jié)語

本文對(duì)現(xiàn)階段城市洪澇過程模擬方法、主要模型和相關(guān)熱點(diǎn)研究領(lǐng)域進(jìn)行了系統(tǒng)梳理和總結(jié)，以期為相關(guān)研究工作提供參考。主要結(jié)論和建議如下。

（1）城市洪澇模擬研究中，圍繞城市化水文效應(yīng)、城市化下墊面水文響應(yīng)機(jī)制、管網(wǎng)明滿流交互、干濕界面交替、以及高階數(shù)值格式上開展了大量工作。不應(yīng)忽略的是，無論是水文模型中建立分布式水文模型，還是水動(dòng)力模型中通過優(yōu)化數(shù)值格式求解雙曲型偏微分方程組，均是數(shù)學(xué)物理方法在洪澇過程模擬中的應(yīng)用，人們對(duì)城市水循環(huán)規(guī)律及水流運(yùn)動(dòng)本質(zhì)規(guī)律的認(rèn)識(shí)卻并未因此提高。加強(qiáng)城市研究區(qū)域水循環(huán)規(guī)律的研究，厘清在城市化影響下，城市產(chǎn)匯流以及水流運(yùn)動(dòng)規(guī)律的研究，是深化人們對(duì)城市洪澇過程認(rèn)識(shí)、實(shí)現(xiàn)城市洪澇過程精準(zhǔn)模擬的基礎(chǔ)工作。

（2）單獨(dú)使用水文模型或水動(dòng)力模型分析城市暴雨洪澇問題均有一定的不足，需要綜合考慮水文、水動(dòng)力過程及其耦合機(jī)制。水文水動(dòng)力耦合機(jī)制的關(guān)鍵在于通過優(yōu)化模型耦合邊界，對(duì)描述水文和水動(dòng)力過程的模型方程聯(lián)立求解，實(shí)現(xiàn)水文水動(dòng)力緊密耦合機(jī)制，以反映實(shí)際城市洪澇中多過程、多模塊間的相互作用。目前常用的洪澇模型更多是國外研發(fā)，其水文循環(huán)機(jī)制在我國的適用性仍待進(jìn)一步的驗(yàn)證。研究城市水循環(huán)機(jī)理、深入分析下墊面對(duì)降雨的響應(yīng)機(jī)理，結(jié)合城市氣象水文特征，因地制宜地開發(fā)適合我國城市特點(diǎn)的洪澇模型十分必要。

（3）借助多學(xué)科交叉，城市洪澇過程模擬取得了長足的發(fā)展?；谶b感技術(shù)的多源數(shù)據(jù)融合、多源數(shù)據(jù)同化，為城市洪澇模擬提供了豐富的數(shù)據(jù)；基于深度學(xué)習(xí)技術(shù)的大數(shù)據(jù)模型為城市洪澇模擬提供了新的發(fā)展方向，與水文水動(dòng)力模型互相彌補(bǔ)、印證；基于GPU 并行計(jì)算技術(shù)，使水動(dòng)力二維計(jì)算效率大幅增加，使城市實(shí)時(shí)淹沒計(jì)算成為可能；基于人工智能發(fā)展及智慧水務(wù)建設(shè)的智慧水系統(tǒng)平臺(tái)開發(fā)，建立完善的數(shù)據(jù)-模型-預(yù)測(cè)-指揮一體化智能系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)城市未來洪澇過程的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)并輔助決策，通過合理的調(diào)度對(duì)城市水系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)度。在未來的研究中，需要不斷提高城市水文氣象監(jiān)測(cè)技術(shù)，完善監(jiān)測(cè)技術(shù)體系。前期大量的數(shù)據(jù)積累可為后續(xù)研究提供豐富、扎實(shí)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，功在當(dāng)代，利在千秋。構(gòu)建城市完善的智慧水務(wù)體系，加強(qiáng)與智慧路網(wǎng)、智慧電網(wǎng)等智慧城市其它組分間的聯(lián)系，需要相關(guān)行業(yè)一起，為早日真正將我國城市建設(shè)為智慧城市而努力。

我國快速城市化帶來了城市的發(fā)展與繁榮，也帶來了一些新的問題，城市洪澇問題就是城市化過程中必然會(huì)發(fā)生的問題之一。海綿城市建設(shè)是解決城市洪澇問題的手段之一，智慧城市建設(shè)也是減輕城市洪澇災(zāi)害的有效途徑，無論是海綿城市建設(shè)，還是智慧城市的建設(shè)，都離不開城市洪澇模擬模型的開發(fā)和應(yīng)用。廣大城市水科學(xué)研究人員，有必要借海綿城市與智慧城市建設(shè)的東風(fēng)，盡快開發(fā)具有我國自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)、適合我國城市特點(diǎn)的城市洪澇模擬模型。