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郑州老城区内涝模拟：双层排水模型让节点超载数降 31.3%，还能认出街区级小积水
> 传统 SWMM 单层管网模型有个结构性简化：它假设径流全部直接进管网，溢流水量只用虚拟蓄水池表示，不模拟道路行泄和地表—管网的真实水量交换。2022 年 EPA 发布的 SWMM 5.2 新增街道与雨水口模块，可按 HEC-22 标准做双向水量耦合。这篇用同一片区域（郑州金水区老城区，74.44 km²）建了两套模型做对照：单层管网 160 个子汇水区，双层模型在街道—雨水口—管网三级汇流的基础上多出 1876 个雨水口。结论很具体：5 年一遇下超载节点个数降 31.3%、总超载时长降 24.9%；积水范围两类模型宏观一致，但只有双层模型能认出经三路—丰产路这类街区级小微积水片区；代价是子汇水区、节点、管线数量分别涨到 2.29、3.53、3.18 倍。
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缺的是哪一块
全球气候变化叠加城市化，短历时高强度暴雨频发，城市内涝问题加剧。郑州作为国家中心城市和高密度建成区近年多次遭极端暴雨侵袭，2021 年"7·20"特大暴雨暴露出排水系统承载能力不足、地表积水退水缓慢等突出问题。金水区作为郑州核心城区，建筑密度高、下垫面硬化严重、排水管网标准普遍偏低。
工具层面，SWMM（Storm Water Management Model）是目前应用最广的城市雨洪管理综合性数学模型，可完整模拟降雨产汇流、管网输水及雨洪调蓄全过程。但传统一维 SWMM 在模拟超负荷降雨下的地表漫流时存在显著局限：它假设径流全部直接进入管网、仅以虚拟柱状蓄水池模拟溢流水量，忽略了道路作为行泄通道的排水作用，以及地表与管网之间的真实水量交互。
Djordjević 等人 1999 年提出双层排水系统概念，同时考虑地表街道与地下管网的排水作用，能较真实地模拟"路面—雨水口—管网"的汇流路径。但早期方法主要基于概化处理，街道与管网的耦合依靠节点虚拟连接，与工程实际中雨水口的水量交换方式存在差异。2022 年 SWMM 5.2 版本新增街道与雨水口模块，才可依据 HEC-22 标准实现双向水量耦合。
作者指出的研究缺口是：当前研究鲜有针对单层、双层模型在内涝积水空间分布、不同积水节点径流过程响应等方面开展系统性对比，两类模型的模拟差异仍有待厘清。
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方法怎么搭的
两套模型的差别在于汇流机制
研究区是郑州市金水区老城区，总面积约 74.44 km²，人口约 94 万，约占全市总人口的 7.5%；地势西南高、东北低，年均气温 14.8 ℃、年均降雨量 640.9 mm，降雨集中在 6—9 月且多以短历时强降雨形式出现。
原文图：研究区土地利用分类。橙黄为建筑用地、黄色为农田、深绿为林地、浅绿为草地、灰色为植被、蓝色为水体，可直观看出建筑用地在建成区高度连片，正是下垫面硬化率高、产流快的直接原因。
建模用的地形与路网资料：
原文图：研究区高程与城市路网。底图为高程（61–109 m），叠加密级路网：深蓝为城市快速路、浅蓝为主干路、绿为次干路、红为支路，黑虚线为研究区边界。地形西南高、东北低与"积水范围由西南向东北蔓延"的结论在此可见端倪。
项 · 单层模型 · 双层模型
汇流机制 · 径流全部直接汇入管网节点 · 分级汇流：邻近管网的子汇水区优先入管；无直接连接的先排入街道，经雨水口收集后入管，超出雨水口捕获能力的沿街道向下游演进
地表—地下交换 · 无（溢流作为系统损耗移除） · 可通过雨水口实现双向水量交换
子汇水区划分 · 泰森多边形法初划，结合土地利用与路网边界合并修正，最终 160 个 · 分级汇流机制下的划分
街道模块 · 无 · 街道概化为明渠，输入横断面、横坡、糙率
雨水口 · 无 · 按 HEC-22 标准分堰流、孔口流核算泄流量；共布设平箅式雨水口 1876 个，规格 0.75 m×0.45 m
管网概化 · — · 排水管道 239 根、地下节点 201 个、出水口 5 个；4 条主要泄洪河道统一概化为矩形明渠，糙率 0.013
两套模型的确定性参数与不确定性参数采用相同取值标准，不确定性参数按 SWMM 用户手册推荐范围确定并率定。验证用 3 场实测降雨。
两种汇流机制的差别可以直接看图：
原文图 4：单层与双层排水系统结构对比。左侧单层排水：地面径流直接进入雨水井，节点水位超出地面标高后形成的"虚拟积水"作为系统损耗移除。右侧双层排水：地表街道构成独立汇流通道，街道积水经雨水口被管道系统捕获，实现地表与管网的双向水量交换。图例区分地表街道、雨水口、地下管道、雨水井、街道节点、街道积水，以及街道汇流（实线箭头）与捕获流量（虚线箭头）。
再落到实际管网概化上：
原文图 5：研究区排水系统概化。绿点为街道节点、橙点为地下节点、黑色三角为排水口（位于图幅边缘指向外），红粗线为地下管道节点、黑细线为街道路段，灰底为子汇水区。可看出双层的街道系统与地下管网在空间上是两套并行的网络。
积水等级怎么划
参考城市道路内涝评估通用积水深度分级标准，选取 0.15、0.3、0.5、1.0 m 作为临界阈值；结合研究区路网尺度与市政雨水口常规汇流特征，确定单个节点平均汇水单元面积为 1000 m²。通过积水深度与汇水单元面积换算容积，划分五类节点积水严重程度等级。
分析时点取设计降雨工况下第 80 分钟（径流峰值时刻）。
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结果数字
管道与节点超载
5 年一遇重现期下，双层模型相对单层模型：
对象 · 指标 · 降幅
管道 · 超载个数 · 9.49%
管道 · 总超载时长 · 13.39%
管道 · 最大超载时长 · 12.48%
节点 · 超载个数 · 31.34%
节点 · 总超载时长 · 24.89%
节点 · 最大超载高度 · 40.08%
节点超载的降幅明显大于管道，且指标偏差随重现期增加持续扩大。演化呈阶段性：1a→3a 是快速增长段（单层模型超载节点个数、总超载时长增幅高达 169.77%、209.44%），3a→5a 增速明显放缓（增幅降至 15.52%、32.53%）。单层模型的节点最大超载高度持续高强度增长，而双层模型可利用地表滞蓄空间的缓冲调控作用抑制高重现期下节点水位的过度抬升。
原文图 7：不同设计降雨重现期（1a、3a、5a）下单层与双层模型的管道超载对比。左轴为超载管道个数（蓝方块）与总超载时长（红圆点），右轴为最大超载时长（橙三角）。实线为单层模型、虚线为双层模型。可见单层模型的总超载时长在 1a→3a 之间跳增，双层模型三条曲线始终低于对应单层值，且 3a→5a 增幅明显放缓。
原文图 8：不同重现期下单层与双层模型的节点超载对比。左轴为超载节点个数（蓝方块）与总超载时长（红圆点），右轴为最大超载高度（橙三角）。随重现期增大，单层模型的最大超载高度持续高强度增长，双层模型的增长幅度被明显抑制。
模型验证情况（3 场实测降雨率定与验证的积水点对照）：
原文图：单层与双层模型的模拟积水点与金水区实测积水点对照。绿色圆点为 20160801 场次模拟积水点、橙色圆点为 20170818 场次模拟积水点、星形为金水区实测积水点。底图区分街道路段与子汇水区，比例尺 1 km。
积水空间分布
两类模型对积水点位的宏观空间分布格局整体一致，都表现为随重现期增大、积水范围由西南向东北梯度蔓延，覆盖中南部大部分建成区及东北部主干道沿线。中南部区域因下垫面硬化率高、路网密集、人口集聚，排水负荷显著高于北部，各重现期下该区域积水节点数量占比均超过 60%。
5a 重现期时积水节点数量增速显著放缓，单层、双层模型较 3a 分别增长 15.5% 和 28.8%。
精细化识别能力出现分岔：单层模型受汇水单元概化精度偏低、管网节点布设密度不足等制约，仅能识别大范围连片积水区域，无法刻画街巷级局部积水；双层模型可精准识别经三路—丰产路、花园路—东风路和人民公园东门等街区尺度小微离散积水片区。
上面这组对照是基于第 80 分钟径流峰值时刻的节点蓄水容积统计得来，分级标准即前述 0.15、0.3、0.5、1.0 m 四个阈值换算出的五类。
两个典型节点的径流过程
论文挑了两个成因不同的节点做对照：
节点 · 位置与成因 · 特征
S1 · 农业路与政七街交叉口。路网向心式布局、地形向交叉口汇流形成天然汇水洼地 · 老城区典型的**管网排水压力型**内涝节点
S2 · 文化路与连霍高速交汇处。文化路下穿连霍高速立交段，形成深约 5 m 的凹形通道 · 周边区域的绝对汇水中心，极端降雨下最大积水深度可达 1.2 m，典型**地形控制型**内涝节点
5a 重现期下：
指标 · S1 · S2
涨水历时延长 · 约 15% · 25% 以上
峰值最大削减 · 38.5% · 46.9%
平均削峰率 · 37.5%（各重现期大致相同） · 44.5%（低重现期仅 30.2%，高重现期大幅提升）
单层模型的径流过程线始终呈尖瘦型，且尖瘦程度非线性加剧——5a 重现期下涨水段坡度较 1a 增大 40% 以上、峰值流量增长 1.2～1.5 倍，集中入管特征显著。双层模型通过地表空间滞蓄缓释径流，涨水过程趋缓、峰值削平，过程线整体转为矮胖型。
两个节点的位置与地形关系：
原文图 11：两个典型积水节点在研究区中的位置。S1 位于中部（农业路与政七街交叉口），周边路网密集、地形向路口汇流；S2 位于北部（文化路与连霍高速交汇的下穿立交段）。底图区分道路、建筑与研究区边界，比例尺 1 km。
峰值流量的直接对照：
原文图 13：1a、3a、5a 重现期下 S1、S2 节点的峰值流量（m³/s）对比。蓝斜纹为单层模型、橙格纹为双层模型。S1 双层模型的削峰幅度在各重现期大致稳定（平均 37.5%）；S2 双层模型在低重现期削峰有限（30.2%），到 5a 提升至 44.5%——3a 时双层 S2 的峰值（7.5 m³/s）甚至低于同期 S1（8.4 m³/s）。
错峰效应：双层模型峰现时间普遍滞后于单层模型。
节点 · 1a 延迟 · 3a 延迟 · 5a 延迟
S1 · 0.2 h · 0.1 h · 0.1 h
S2 · 0.3 h · 0.2 h · 0.2 h
峰现延迟时长随重现期增大小幅缩减（低重现期调蓄空间调控作用充分，高重现期汇流速率加快、调蓄对峰现时间的调控能力减弱）。S2 的延迟幅度整体大于 S1——S1 地处主干道交叉口，汇流路径短且通畅、响应更快；S2 受填洼滞蓄与迂回汇流共同作用，径流汇集进程延缓。
原文图 14：1a、3a、5a 重现期下 S1、S2 节点的峰现时间（h）对比。蓝斜纹为单层模型、橙格纹为双层模型。每根橙柱都高于同组的蓝柱，且 S2 的延迟幅度大于 S1。
退水历时的代价：退水历时定义为节点流量自上升段首次达到管道最大承载流量、至下降段回落至该阈值的时间间隔。5a 重现期下，S1 单层需 2.8 h、双层需 3.3 h；S2 单层需 3.2 h、双层需 5.3 h。双层模型退水至同流量水平时，S2 比 S1 多 2.0 h——S2 汇水面积更大、径流补给总量更大，双层模型滞蓄的水量更多需要更长时间缓慢释放；且 S2 周边受东风渠行洪水位顶托影响，管道排水受下游水位制约，退水过程进一步受阻。
原文图 15：1a、3a、5a 重现期下 S1、S2 节点的退水历时（h）对比。5a 重现期下双层 S2 达 5.3 h，是同期双层 S1（3.3 h）的 1.6 倍，也是图中最长的退水历时。
作者还提到一项空间验证：双层模型积水点命中率较单层模型提高 8.6%，模拟分布与实测结果更吻合。
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作者承认的限制
- 计算成本显著增加。 与单层模型相比，双层模型的子汇水区、节点及管线数量分别增至 2.29、3.53 和 3.18 倍，并新增 1876 个雨水口，数据整理、参数核查与计算成本显著增加。
- 双层模型对输入资料要求更高。 虽然增强了地表—地下过程表达能力，但"对道路断面、雨水口过流能力及实测资料约束提出更高要求"。
- 两类模型各有适用边界。 双层模型更适用于道路行泄明显、需分析街区尺度积水与退水过程的高密度建成区；单层模型参数少、建模快，适用于管网能力核查、方案初筛及资料不足区域。作者明确"两类模型应依据研究目标、空间尺度和数据基础合理选取"，而非一概用双层。
- 验证只有 3 场实测降雨。 参数率定和验证用的是 3 场实测降雨，作者把"加强多场暴雨下水深、流量和退水过程监测"列为未来工作。
- 未做参数敏感性分析。 关键参数敏感性及不确定性分析都被列入后续方向。
- 仍是 1D 框架。 论文的拓展方向是"1D 管网—1D 街道—2D 地表协同模拟"，说明当前街道与地表仍是一维概化，未做到二维地表漫流。
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一句话判断
同一个区域、同一套参数标准，只把"径流怎么进管网"这一条改掉——从假设全部直灌，换成经街道行泄和雨水口双向交换——超载节点降三成、还能认出街巷级小积水；代价是模型体量翻两三倍、对道路断面和实测资料的要求同步提高，所以这是个按目标和数据基础取舍的工程选择，而不是单纯的模型升级。