一个用于渗透性铺装、绿色屋顶和生物滞留系统的水文建模的耦合Darcy-Richards框架

《Environmental Modelling & Software》：A coupled Darcy-Richards framework for hydrological modeling of permeable pavements, green roofs, and bioretention systems

低影响开发（LID）系统长期性能评估与耦合数值模型研究。该模型结合一维混合型Richards方程求解器与概念化降雨-径流模块，验证显示与Hydrus-1D在砂土和粘土中压力头与含水量模拟误差均小于0.02 m和0.003 m。通过255天现场数据校准（NSE=0.93，R2=0.94）和验证（NSE=0.729，R2=0.80），证实模型能准确模拟渗透铺装水文过程。长期30年模拟揭示不同气候区LID系统在径流分配、蒸发效率及流量持续时间上的显著差异，为气候适应性城市排水设计提供依据。

　　随着全球城市化进程的加速和气候变化的加剧，城市水文系统面临着前所未有的挑战。传统的城市排水系统设计往往无法应对这些动态变化，特别是在极端降水事件和长期气候趋势的影响下。为了改善这一状况，低影响开发（LID）技术被广泛认为是一种有效的解决方案。LID技术通过在源头实施雨水滞留、渗透和再利用措施，旨在减少地表径流、增强地下水补给，并缓解城市洪涝问题。然而，现有的LID技术评估工具往往过于简化，缺乏对长期水文响应的准确模拟能力。因此，研究开发一种基于物理原理、能够实现长期连续模拟的模型，对于评估LID系统的实际效果具有重要意义。

LID技术主要包括渗透性铺装、绿色屋顶和生物滞留系统等。这些措施通过促进雨水的自然下渗，减少地表径流的形成，从而缓解城市排水系统的压力。然而，LID系统的实际表现会受到多种因素的影响，包括土壤特性、降雨模式以及维护水平。因此，理解这些系统在长期运行中的表现，对于确保其在不同气候条件下的有效性至关重要。特别是在面对未来可能更加频繁和剧烈的极端天气事件时，LID系统的长期性能评估显得尤为关键。

当前，大多数LID系统模型仍然依赖于经验性或半经验性的方法，如土壤保持服务-曲线数（SCS-CN）模型或Green-Ampt模型。这些模型虽然在一定程度上能够模拟土壤水分的动态变化，但它们在处理非饱和流和湿干转换条件时存在局限性。因此，研究者们开始探索基于Darcy-Richards方程的模型，以更精确地捕捉LID系统在长期运行中的非线性水文行为。Darcy-Richards方程能够反映土壤水分的非线性保留特性以及水力传导率的变化，同时考虑重力和毛细力的作用，为研究城市水文系统提供了更为科学的基础。

本研究提出了一种全新的、基于物理原理的模型框架，该框架结合了一维混合形式的Richards方程求解器与概念性降雨-径流模型。该模型能够模拟LID系统的事件型和连续型运行，包括入渗、土壤水分再分布以及地表径流的生成，无需依赖外部软件。此外，模型还设计了一个简洁的堵塞与维护概念性模型，仅需两个额外参数即可评估模拟条件的真实性。该模型还支持用户直接输入降水和潜在蒸散发的时间序列，或用于驱动流域尺度的水文模型。同时，模型能够处理分层土壤结构，适用于不同气候条件下的多种LID设计。

在模型验证方面，研究团队将该模型与Hydrus-1D进行了对比，结果显示在多种土壤类型下，模型的模拟结果与基准模型具有高度一致性。具体而言，在压力头和水分含量的模拟中，均方根误差（RMSE）保持在较低水平，表明模型的准确性较高。此外，在对一个渗透性沥青铺装现场的255天现场数据进行校准和验证时，模型的校准结果表现出良好的相关性，而验证结果也显示出较高的精度。这些结果验证了模型在实际应用中的可靠性，并表明其在模拟LID系统长期性能方面具有优势。

进一步地，研究团队利用该模型对美国四个不同气候区域的LID系统进行了长达30年的连续模拟，时间跨度从1995年至2025年。模拟结果揭示了不同区域在径流滞留、蒸发效率和流持续时间方面的显著差异，表明LID系统在不同气候条件下对雨水的处理能力存在变化。这种差异不仅与降雨量和温度模式有关，还受到地表堵塞和维护措施的影响。研究还发现，每日和亚日尺度的输入条件对长期水文响应的模拟具有重要影响，特别是在极端事件和长期气候趋势的作用下。

该模型的开发不仅有助于提升LID系统的模拟精度，还为城市规划和水资源管理提供了重要的工具。通过长期连续模拟，研究者能够更全面地评估LID系统在不同气候条件下的表现，从而为政策制定者和城市管理者提供科学依据。此外，模型的开源特性使得其在学术界和工程界具有更广泛的应用前景，为LID技术的推广和优化提供了支持。

研究团队在开发该模型的过程中，克服了传统模型在长期模拟和复杂条件下的局限性。通过将一维混合形式的Richards方程求解器与概念性降雨-径流模型相结合，模型能够在不依赖外部软件的情况下，完成对LID系统的全面模拟。同时，模型还引入了堵塞与维护的概念性模块，使得其能够更好地反映LID系统在长期运行中的实际表现。这些改进不仅提升了模型的准确性，还增强了其在不同气候条件下的适用性。

此外，该模型的实现方式为用户提供了一种灵活的工具，使其能够根据具体需求调整输入参数和模型设置。这种灵活性使得模型适用于多种LID设计，包括渗透性铺装、绿色屋顶和生物滞留系统等。通过模拟不同气候条件下的长期水文响应，研究团队能够更深入地理解LID系统在应对气候变化和城市化压力方面的潜力。

在实际应用中，该模型被用于验证和测试LID系统的性能，特别是在一个位于德克萨斯州圣安东尼奥的渗透性铺装现场。该现场的测试数据表明，模型能够准确模拟LID系统的实际运行情况，并与传统的SWMM模型进行对比，显示出更高的精度和可靠性。这些结果为LID技术的实际应用提供了重要支持，并为未来的研究提供了方向。

总的来说，本研究提出的模型框架为LID系统的长期性能评估提供了一种新的方法。该模型结合了物理原理和概念性模型，能够在不依赖外部软件的情况下完成对LID系统的全面模拟。同时，模型还考虑了堵塞与维护的影响，使得其能够更好地反映LID系统在实际运行中的表现。这些改进不仅提升了模型的准确性，还增强了其在不同气候条件下的适用性。研究团队的成果为城市水文管理提供了重要的工具，并为实现气候适应型城市规划奠定了基础。