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原文題目：Spatial resolution considerations for urban hydrological modelling
作者：Krebs G, Kokkonen T, Valtanen , M. Valtanen, H. Setälä, H. Koivusalo
第一作者單位：Department of Civil and Environmental Engineering, School of Engineering, Aalto University, Espoo, Finland
期刊：Journal of Hydrology
發表時間：May 2014
利用水文模型可以模擬城市排水系統，評估低影響開發(LID)手段的效果，但對於大城市而言，如果要達到較高的空間分辨率便需要收集更多數據，且參數率定所需的數據也更多。為了能夠對模型進行簡化，本文以高精度的城市水文模型為基礎，研究了具有不同地正妹版征的三個匯水片區，並研究了怎樣對模型進行簡化具有更好的效果。這三個匯水片區均位於荷蘭拉赫蒂，在高精度情形下對其概化後的平面圖見圖1。在中可以看出這三個匯水片區分別位於市中心、近郊與遠郊，而其不透水面占比分別為86%，54%與19%。
圖1 研究案例區域概化後的平面圖
模型採用的降雨輸入從城市不同位置的三個雨量計中分別獲取，同時運用SWMM軟件進行建模，並進行參數率定。文章對模型進行簡化的主要方式是忽略管徑小於一定數值（200mm，300mm，500mm，無窮大）的管段。在管段進行簡化後，對於子匯水區則存在簡化與不簡化兩種處理方式。這些不同的方式見圖2。其中，(A)為未進行簡化的高精度模型（HR）；(B)為刪除小管徑管段，但保留子匯水區的模型，其中子匯水區的出水口由於管段刪減進行了集中（LR-IS）；(C)為刪除小管徑管段，且簡化子匯水區的模型。簡化後的子匯水區其出水口則與(B)類似（LR-WA）。
圖2 對模型不同的簡化方式
基於不同的簡化方式，研究建立了不同的簡化模型。這些簡化模型所使用的參數為原高精度模型的參數（LR-IS）或平均化的高精度模型參數（LR-WA）。對HR共選取了坡度、寬度、不透水率、地表曼寧系數、管道曼寧系數與窪地蓄積量等參數進行靈敏度分析。其中坡度與不透水率變化的是絕對值，其餘幾個變化的是相對值。其靈敏度分析結果見圖3。
圖3 對HR的參數靈敏度分析結果
從圖3的分析得出不透水率、地表與管道曼寧系數、窪地蓄積量為靈敏參數，以此作為率定基礎，得到HR模型。再按照管徑簡化、子匯水區簡化得到不同的LR-IS模型與LR-WA模型。選取一場降雨作為輸入，對三個匯水區的HR模型進行模擬，其出口流量-時間關係見圖4。
圖4 HR模型在某場降雨情形下的匯水區出口流量-時間曲線及與觀測值的對比
圖4中E為納什效率系數，rQ oQm為對不同時刻的模擬流量與實測流量進行線性回歸後的相關係數。可以看出HR模型對於匯水區1,2能夠較好地反映實際出水口流量情況，而對匯水區3的模擬稍差。
對於匯水區2，在另一場降雨輸入下，對於忽略300mm以下管徑管段與忽略所有管段的簡化模型的模擬結果見圖5。其中除了兩種簡化模型外，還包括了觀測值與HR模型的模擬值。可以看出，忽略300mm以下管徑對於模擬結果的影響較小（納什效率系數與相關係數均超過0.95），而當忽略所有管段時，若不平均化匯水區，其影響較為有限，但在平均化匯水區後，則影響相對較大（E下降至0.55）。對於匯水區1和匯水區3，以及其他的簡化情景見原文的附錄。其中匯水區3的下降趨勢更為明顯，但對於當地的城市建設而言，其更多的是匯水區1與匯水區2的樣式，故不會對當地的實際應用產生影響。利用上述模擬結果，文章得出，在屋頂與雨水管網系統直接連接的LID情形下，採用忽略300m以下管徑的LR-IS模型對於案例區域是一個較為滿意的簡化方案。
圖5對於忽略300mm以下管徑管段與忽略所有管段的簡化模型的模擬結果
基於數據可得性與計算效率的考慮，城市排水系統模型往往需要進行一定程度的簡化。本文提出了一種基於管徑的簡化方案，並對子匯水區的劃分也進行了一定程度的考量。其對於模型簡化的方法與得到的結論對於未來的模型構建具有一定的參考價值，但在實際運用的情形下也需要因地制宜，考慮城市的空間布局與實際的城市建設狀況。同時，也可以此為基礎研究多因素結合作用下城市排水系統模型的性能，從而做到模型計算效率與模擬精度的平衡。
