海绵城市实施的新模式框架：新兴挑战和未来发展外文翻译资料

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海绵城市实施的新模式框架：新兴挑战和未来发展

摘 要

海绵城市概念正在成为一种新型的综合城市供水系统，旨在解决城市供水问题。然而，它的实施遇到了各种挑战。缺乏一个综合的综合模型来帮助海绵城市规划、实施和生命周期评估是最具挑战性的因素之一。本综述简要分析了现有城市水管理模型的机会，并讨论了近年来研究在当前综合模型在海绵城实施中的应用中的局限性。此外，它还提出了一个新的海绵城市模型框架，整合了米城市、LCA、W045-BEST和MCA等四种主要子模型，以模拟海绵城市基础设施选项的环境、社会和经济方面。介绍了子模型层、输入层、模块层、输出层、语言层和编程语言层的新结构。因此，该模型不仅可以评估雨水基础设施的排水能力，还可以关注城市供水系统的多标准分析，包括评估海绵城市生态系统服务的可能性。在集成模型的简化和创新之间取得平衡，提高空间数据共享系统的效率，定义模型复杂性水平的可接受性，并改善多个利益相关者的公司，强调一个适当的海绵城市设计和建设模型的未来可能方向。

关键词 海绵城市；综合城市水模型；水文性能；多准则分析；模型开发

1. 引言

由于人口增长和城市化问题，世界范围内对水资源可持续性的担忧增加了（Carle等人，2005；Lee Joong和Heaney James，2003）。根据联合国（2010）统计，到2030年，预计全球约80%的人将居住在城市地区。城市水系统的复杂性和新型可持续城市水管理概念在水文科学研究中越来越广泛（Salvadore等人，2015）。今天的传统城市水管理系统，即所有组件都是独立建设的，并不具备有效运作的能力，特别是在城市化和气候变化需求方面（Butler和Schutze，2005；rauch等人，2005）。实现综合城市水管理系统（IUWM）的多样化方法的例子包括美国的最佳管理实践、澳大利亚的水敏感城市设计、英国的可持续城市排水系统以及中国的海绵城市。这些系统的目标是（1）充分关注系统的所有组件，使其工作良好，（2）在集中和分散的环境下实施水系统，（3）在城市区域创建多种生态友好型服务，包括：水资源保护、洪水减灾、相关设施和微气候改善（Bach等人，2014；Brown等人，2009；Nguyen等人，2018）。

已经开发出综合的城市水模型，其重点是城市水系统管理各个组成部分之间的相互作用。过渡到综合城市水模型特别关注城市水系统之间的相互作用，这应该是城市发展和社会因素的优先考虑因素（Rauch等人，2017；Deletic等人，2019）。早在20世纪70年代，瑞士格拉特谷就进行了城市综合水系统的研究（Gujer等人，1982），但该研究没有记录任何建模结果。在1993年的第一次INTERURBA会议上，首次报告了关于城市综合水模型的新兴研究，这标志着这些综合模型发展的一个里程碑（Lijklema等人，1993）。

综合城市水模型是规划和城市排水系统管理的必要工具。1971年，美国环境保护署（EPA）开发了雨水管理模型（SWMM），它是评估雨水管理系统的最常用的工具之一（Deng等人，2018）。基于SWMML构建的一系列商业雨水模型，例如Mike-Urban，InfoWorks和DAnCE4Water，在全球范围内得到广泛使用。尽管这些模型为计划者和政策制定者带来了好处，但是由于城市供水系统实际上非常复杂，因此这些模型面临许多挑战。而且，缺乏对所有组件之间交互的理解，即对整个系统的理解，以及计算硬件中数据需求和限制的费用，影响了模型的性能（Candela等人，2011；rauch等人，2005；Vanrolleghem等人，2005）。对模型不确定性的理解不足，也会导致模型有出现故障的风险（Dotto等人，2011）。然而，随着软件包功能和技术的最新进步，这些模型近年来表现得更好。在过去的几十年里，通过组合和改进了传统的单模型包，集成模型获得了动力（Bach等人，2014）。

海绵城的实施对我们的社会，特别是发展中国家的城市地区，有许多好处（Chan等人，2018；Jia等人，2017；Li等人，2017；Mei等人，2018；Zhang和Chui，2019；Zhang等人，2018）。海绵城市实施过程包括四个阶段（图1.1）。第一阶段是分析区域环境，包括水资源问题和现有的水资源管理，以确定海绵城实施的需求。下一阶段是根据气候变化情景、人口增长情景和需水情景来开发方案。第三阶段表示通过建模软件的选择和开发来模拟海绵城测量的性能。最后一个阶段是海绵城的规划和实施。

为了获得海绵城市的良好效益，海绵城市测量的规划和发展是非常重要的。然而，这是一项困难的工作，因为城市供水系统在未来高度复杂和不确定，有各种方面需要审查，包括城市发展、城市水基础设施规划和测量可行性评估。一种跨学科的方法正在开发一个综合性的海绵城市模型来处理跨学科的规划问题。与其他概念（如SuDS、WSUD、BPM）相比，中国的海绵城市建设具有其独特的方面，因为海绵城市不仅解决雨水，还解决洪水灾难、水修复和水净化。然而，预测综合海绵城绩效的模拟和评估工具仍然有限。这就需要开发一个新的综合模型来评估这种新型城市水管理方案的效率和可持续性——考虑社会、环境和人类健康相关因素的海绵城。这个模型应该足以代表真实的城市水环境，并能够使这些综合方法，使海绵城市的概念可行。海绵城市模型应该能够整合子模型，并包括以下内容：（1）确定了海绵城市建设的合适区域；（2）比较了绿色基础设施、城市发展和气候变化场景；（3）模拟了减少雨水径流、缓解洪水和改善水质的最佳方法；（4）确保海绵城市是环保的。这样做将使所有利益相关者和社区的生活更容易，并将有助于海绵城的大规模实施。

一系列的论文说明了综合城市水模型的发展、障碍和机遇。Bach等人（2014）回顾了30年的研究和对城市综合水模型的采用，并根据这些模型的整合程度将其分为四组。综述论文还提到，用户友好性、行政碎片、模型复杂性和沟通是影响到城市综合水模型采用的关键因素（Bach等人，2014）。Zomorodian等人（2018）分析了系统动力学（SD）应用在解决综合城市水资源管理建模的复杂性方面的可行性。Salvadore等人（2015）比较了43种水文建模方法，并确定了未来城市水文建模发展的蓝图。研究表明，应用遥感数据、测量模型参数和空间校准方法可以降低高度的不确定度。最近，一些整合开发了用于评估海绵城市绩效的模型。例如，SWMM和分析层次过程（AHP）方法可以量化海绵城市的盖子实践的好处（Li等人，2019）。结合能源分析和GIS模型，应用于海绵城市建设的选定关键区域（Zhao等人，2018）。此外，我们还利用Landsat-8TIRS等空间数据来评估海绵城的LID实践对热景观的影响（Hou等人，2019）。通过将SWMM与地理信息系统中的空间数据管理工具的集成，创新了水下综合模型，能够评估雨水系统的排水能力，设计海绵城市基础设施（Deng等人，2018）。所有这些研究都为综合模型开发及其在水管理中的应用提供了有用的方法。然而，对于发展海绵城市实施的综合综合模型，仍然缺乏具有综合观点的研究。

图1. 海绵城市实施过程总结

本文着重分析了以往关于海绵城市方法的综合模型来建立一种新的海绵城市模型。本文旨在：（1）分析当前基于海绵城市的模型的机会和障碍，（2）提供新的分类综合城市水模型，（3）建立一个新的海绵城市概念模型框架来更好地解决海绵城市概念的多重可持续性目标，（4）澄清新兴挑战和机遇海绵城市模型发展，（5）建议海绵城市模型未来研究/研究的可能性。

2. 海绵城市常规模型的可能应用

2.1 当前综合城市水模型的可能应用

大多数综合城市水模型集中于评估城市水资源管理解决方案的潜在水文性能和水质评估，同时忽视了对环境效益、经济效益和社会效益的全面评估，如改善人类健康、经济增长、降低犯罪率等（Zomorodian等人，2018）。发达国家已经开发了支持城市水管理计划的模型。美国开发了许多模型，包括SWMM，MIKE，SUSTAIN，MapShed，SWAT，PondNet等，以支持最佳管理实践计划。英国建立了-些模型，例如UWOT，Sobek-Urban和WaterMet2，以协助可持续城市排水系统。为了提高水敏感城市设计计划的效率，澳大利亚已经创新了一些有效的集成模型，包括DAnCE4Water，UrbanBests，UrbanCycle，UrbanDeveloper和Aquacycle。DAnCE4Water能够评估一系列综合规划，各种城市供水基础设施系统以及社会系统的动态（Lowe等人，2017；Rauch等人，2017；Zischg等人， 2019； Urich等人，2013）。

开发集成模型的一般方法有三种：（1）修改传统的集成模型；（2）将现有的子集成模型组合成更综合的集成模型；（3）创新新的集成模型。综合城市水模型通常通过计算连接两个或多个子模型序列，以说明城市水体的不同组成部分（Rauch等人，2002）。每个集成模型都根据Bach等人（2014）开发了自己独特的方法和方法 。城市水管理涉及各种过程，包括水文学、液压、污染、处理、下游影响、储存行为、用水量、地下水相互作用和洪水；以及不同的城市水成分，即水运输网络、处理厂、分散技术、接收水体和建筑环境。所有这些过程都需要考虑来进行集成建模（Bach等人，2014）。综合建模基于几种类型的模型应用，包括生命周期评估、操作和控制、风险和影响评估、社会影响、经济问题、生态影响、概念设计和战略规划。

其中包括城市水处理模型、城市废水收集模型、城市废水处理模型、城市降雨和地表径流模型、河流模型、城市水分配模型、环境评估模型、经济评估模型和社会评估模型。城市综合水模型可以根据其功能和综合程度被划分为不同的群体。根据其功能，可将IUWM模型分为综合城市水处理模型或综合城市水质模型、综合城市供水模型、综合城市水多标准分析模型和综合城市水管理模型，如图2所示。

图2. 城市水综合模型的子模型

另一方面，根据 Bach等人（2014），依照不同的集成度，将城市综合水模型分为四类。分别包括：（i）基于组件的模型（ICBM）综合模型；（ii）：综合供水模型的综合城市排水模型（IUDM）；（iii）综合城市水循环模型（IUWCM）和（iv）综合城市供水系统模型（IUWSM）（图3）虽然洲际弹道导弹是最低的一体化水平，而洲际弹道导弹是最高的一体化水平，这就强调了水流在城市环境中的重要性。对于上述四个组，这些模型的范围更广。

图3. 城市综合水模型的分类（改编自巴赫等人，2014年）

综合水模型的一个局限性是，它们不能全面评估城市水战略的经济、社会、环境效益和生态系统服务，而利益相关者往往依靠这种评估来作出决定（Castonguay等人，2018）（图4）。例如，包括BSM2，EPANET和Stimela在内的ICBM模型被认为是一种工厂范围的集成形式，它并不关注城市水的泛滥问题。诸如InforWorksCS、SWMM和MIKE-URBAN之类的IUDM和IUWCM，仅将城市发展与城市水基础设施联系在一起，而没有考虑城市水管理基础设施的环境、经济和社会影响（Schellart等人，2010；Burger等人，2014；DHI， 009）。尽管DAnCE4Water模型被定义为最高集成级别模型，但它只部分考虑了城市水基础设施与环境、社会和经济方面之间的相互作用。

图4. 现有综合水管理模式的局限性

此外，案例研究还存在一些关键障碍，这些案例应用了现有的综合水资源管理模型，例如SWMM、LCA和SUSTAIN，来用于评估海绵城市的绩效（Gao等人，2015）。它们是（1）时空数据的不确定性，（2）综合数据的局限性评估海绵城市的生态系统服务，（3）缺乏对海绵城市测量的长期收益的评估，以及（4）在使用降雨数据等长期序列数据进行模拟时的局限性。因此，开发一个综合的海绵城市综合模型将大大减少这些局限性，如表1所示。

表1 应用不同的城市水综合模型进行海绵城市评价

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