河道海绵建设中SWMM-MIKE 11耦合模型的构建及应用思路

孔 宇，孙 巍，李小龙，夏阳光，徐 汉，杨小丽

(1.东南大学能源与环境学院，江苏 南京 210096； 2.南京市市政设计研究院有限责任公司，江苏 南京 210008；3.东南大学土木工程学院，江苏 南京 211189)

针对我国城市化进程中的水安全和水环境问题，习近平总书记先后提出了建设“海绵城市”的号召和“节水优先、空间均衡、系统治理”的治水思路。此后，“海绵城市”相关政策纷纷出台，目前海绵城市建设已上升至国家战略层面[1-3]。城市河道作为海绵城市建设“源头削减—过程控制—末端治理”系统方案的天然海绵体和末端受纳系统，开展海绵河道研究能显著增强海绵城市建设的系统性和整体性，有效改善城市河道水环境。但是，城市河道多为流动性差的浅型水体，具有水环境容量小、自净能力弱的特点，其受到径流污染冲击后，往往面临较高的水质恶化和水华暴发等风险[4]。此外，南方水系发达，区域水系之间污染物的交换迁移、水系沟通对河道水动力条件的改善及其对河道水质的影响也必须考虑。因此，开展河道海绵建设工作必须把研究对象从水体本身扩展到整个汇水区域[5]。汇水区域是物质和能量交换的开放系统，并且内部存在着复杂的水文和水动力反馈机制。面对实际复杂的水环境问题时，传统专家决策不可避免地带有一定的主观性和片面性，而水文水质模型用数学的语言和方法定量刻画水体水量和水质的时空分布和变化规律，具有更强的科学性和客观性，在某种程度上能够弥补传统决策机制的缺陷。其中，暴雨洪水管理模型(storm water management model, SWMM)和MIKE 11模型在各自领域内的研究应用已十分广泛，但是关于二者耦合模型应用在海绵城市建设中却鲜有报道。本文提出利用SWMM进行陆域海绵方案的设计与规划，并耦合利用MIKE 11模型对“天然海绵体”城市河道进行水动力和水质分析与评估，实现SWMM和MIKE 11模型优势互补，以期为海绵城市河道工程建设提供理论支撑和实际指导。

1 SWMM

SWMM是一种包含降雨、海绵等模块的分布式水文模型，具备水文、水力和水质过程模拟分析功能。当前，在海绵城市建设的背景下，SWMM主要应用于海绵城市规划设计的方案评估，具体包括径流总量控制和面源污染削减两个方面。

a.径流总量控制。SWMM在缓解城市内涝风险应用中，主要以径流总量和径流峰值的削减率为指标，分析不同LID方案对“瓶颈管段”和“溢流节点”的缓解作用，以此进行方案评估与比选[6-7]。2015年，王文亮等[8]利用SWMM验证了城市径流总量控制指标及其量化分解方法。2017年，吴晓瑜等[9]以中山市某工业园区为研究对象，利用SWMM建立了优化的LID改造方案。2018年，张勤等[10]选取昆明某片区为研究对象，采用SWMM模拟研究LID措施与雨水调蓄池联合运行的效果，表明组合措施对径流总量和径流峰值均有明显削减作用。以上研究表明，在建设海绵城市的理念下SWMM对于径流总量和径流峰值的控制模拟十分有效[11]。

b.面源污染削减。在既往研究中，黄国如等[12]基于双层排水系统思想，在城镇流域尺度上利用SWMM对3条河道进行概化，率先实现了城区河道与排水管网系统连接，为后续学者研究面源污染提供了新思路。赵磊等[13]利用SWMM对昆明市明通河流域进行径流污染模拟计算，并以单位面积负荷率为指标推算出径流污染是滇池面源污染的主要来源。袁溪等[14]利用SWMM研究了下凹式绿地对径流污染的削减效果，结果表明下凹式绿地对SS和TN的削减率分别达到了72.7%和66.1%。陈新拓等[15]以成都市某黑臭河道为研究对象，基于SWMM构建了面源污染负荷模型，模拟发现，当陆域不透水面积由60%降低到30%时，河道中COD、TP浓度分别下降了17.8%、17.3%。以上研究表明，利用SWMM通过在陆域添加LID措施削减面源污染的效果显著。

由此可见，通过海绵城市建设提高陆域的滞留、渗透作用能显著削弱径流污染对河道水质的冲击，SWMM在海绵城市建设中能够发挥“源头削减”的作用。因此，从水量和水质角度来看，SWMM可以模拟径流总量控制和面源污染削减的效果，具体技术路线见图1。

图1 SWMM技术路线

对海绵城市区域性的系统建模，SWMM通过将河道概化为管道的思路已得到广泛研究和应用。但是，SWMM无法模拟河道中污染物的对流扩散和生化过程，无法模拟河道自净能力和进行河道水环境容量计算，所以SWMM在河道海绵建设实际应用中具有一定的局限性。

2 MIKE 11模型

MIKE 11模型是丹麦DHI公司研发的MIKE Flood洪水模拟组件的重要板块。根据城市水系、水文和水质资料，MIKE 11模型可构建一维河网模型，用于城市河道水量和水质模拟，预测在特定条件下的河道水环境变化情况，具有节约人力、计算准确和结果可视化的优点[16]。

a.MIKE 11模型原理。MIKE 11模型利用核心模块——水动力模块来模拟河道污染物的对流扩散过程，采用六点隐式差分法对一维圣维南方程组进行离散求解[17]。该方法的计算网格由水位点和流量点组成，在相同时间步长下按顺序交替对水位点和流量点进行计算，在水位点之间采用动量方程求解，在流量点之间采用连续方程求解。

b.MIKE 11模型的应用。MIKE 11模型已成为研究河道水环境问题的重要手段。马强等[18]基于MIKE 11模型对梁滩河流域河道的水质时空变化特征进行分析，模拟结果表明生活污水是导致河道水质变差的主要污染源。张斯思等[19]在分析河段水动力和水体污染特点的基础上，提出了MIKE 11模型结合稀释流量比m值法计算河道水环境容量的方法。周红玉等[20]针对北运河流域水污染的严重现状，利用MIKE 11模型构建了水动力水质耦合模型，对3种水质改善方案的效果进行了模拟评估，提出提高污水厂排放标准并利用水网构建湿地系统可使NH3-N和TP达到地表水Ⅳ类水标准。熊鸿斌等[21]基于MIKE 11模型以合肥市十五里河为研究对象构建了水动力水质耦合模型，模拟分析不同补水方案和补水流量下的水质改善效果，为河流的水环境治理提供了新思路。胡如幻[22]通过MIKE 11模型对研究区域水系不同结构连通度及不同连通路径下的河流水质状况进行模拟分析，实现了区域水系沟通——“活水”的末端治理功能。由此可见，MIKE 11模型在河道海绵建设中能够发挥着“末端治理”的作用。与SWMM相比，MIKE 11模型具备强大的水动力水质模拟能力，可应用于城市河道、污染源分析、水环境容量计算、水质改善方案评估等水环境方面，具体技术路线见图2。

图2 MIKE 11模型技术路线

解决城市内涝和提升河道水质需要从海绵设施、雨水管网和河道水系整体系统入手，定量描述水量和水质的时空变化规律，以便基于海绵理念提出区域水量和水质控制规划方案。而MIKE 11模型研究对象是城市河道，无法对海绵设施和雨水管网进行概化建模，也就无法反映陆域面源污染对河道水质的冲击影响。虽然MIKE系列软件的MIKE URBAN可以实现对城市雨水管网的建模，但是无法添加海绵模块,所以构建SWMM-MIKE 11耦合模型对于系统解决城市面临的水安全和环境问题具有重要意义。

3 SWMM-MIKE 11耦合模型

基于SWMM和MIKE 11模型功能应用的差异化，已有学者对SWMM-MIKE 11耦合模型的构建和应用开展了一些探索研究。罗福亮等[23]以平原河网区为研究对象，利用SWMM对各子汇水区进行产汇流计算，将各子汇水区的径流过程作为河网入流，为MIKE 11模型提供流量边界条件，实现了SWMM和MIKE 11模型的耦合计算。栾慕等[24]采用同样方法构建SWMM-MIKE 11耦合模型模拟了桐庐县的降雨径流和防洪排涝情况，并以此为基础绘制了内涝风险图，结果表明SWMM-MIKE 11耦合模型对城市河网地区开展防洪排涝规划具有指导意义。许淑敏[25]为了研究降雨径流对天津市海河干流水质的影响，首先利用SWMM计算不同重现期下沿河排口的径流量和污染物负荷量，然后将其作为旁侧入流耦合到MIKE 11模型建立的河道水动力水质模型中，进行河道汇流及自净模拟，并模拟评估了3种水质改善方案的效果差异：利用污水处理厂降污时，不同重现期条件下对河道水质改善效果有限；采用生态湿地进行降污处理时，降污效果随重现期增大而增强；采取引滦调水措施时，降污效果随重现期的增大而减弱。众多研究表明，SWMM-MIKE 11耦合模型对解决城市河道水环境问题具有重要价值。

构建研究区域的SWMM-MIKE 11耦合模型的基本思路为：首先利用SWMM对各个汇水分区和管网进行概化，然后利用MIKE 11模型对河道水系进行概化，最后将管网排口的径流作为流量边界条件耦合到MIKE 11模型中进行模拟计算，实现SWMM和MIKE 11模型的耦合。在此基础上，利用SWMM增添陆域海绵设施，分析和评估海绵设施对研究区域水量和水质的控制效果，具体技术路线见图3。

3.1 模型概化与参数初始值的确定

模型概化是模型构建的物理基础，SWMM-MIKE 11耦合模型是一套可以应用于河道海绵建设的系统模型，要求模型使用者不仅对所研究的各个要素(降雨、海绵、管网、河道等)之间的联系有深刻的认识，还要熟练地掌握各研究对象的变化规律。同时，在具备大量资料和数据的基础上辅助以CAD、GIS等统计分析工具，更准确地进行模型概化和确定模型初始参数，实现科学化和精准化的水文水质建模。目前，SWMM和MIKE 11模型概化和初始参数确定的数据来源主要有4个方面：环保局、水利局、气象局等政府部门的基础数据资料；设计院等企业单位的图纸资料；区域卫星影像和高程图；模型手册等相关文献的推荐值或经验值。实际工程中模型参数初始值的确定往往需要综合考虑以上各个方面。

图3 SWMM-MIKE 11耦合模型技术路线

3.2 模型参数的率定与验证

模型参数的率定与验证是模型构建成功与否的关键，直接关系到模型的可靠程度。实际建模过程中，参数众多往往无法对每一个初始参数值进行率定和验证，通过参数灵敏度分析能够识别出对模型输出结果影响较大的敏感参数，提高模型率定和验证的效率。李春林等[27]利用Morris筛选法对SWMM参数进行了局部灵敏度分析，结果表明对径流总量和径流峰值最敏感的水文水力参数分别是不透水地面洼地蓄水量、管道曼宁系数和地表漫流宽度，对径流污染敏感性较高的水质参数是污染物最大累积量和冲刷系数。蒋元勇等[28]研究表明SWMM敏感参数主要受到降雨强度、土地利用类型和输出变量类型因素的影响。许春东等[29]研究表明河道糙率、坡度是MIKE 11模型水动力计算中的显著敏感参数。于永强等[30]研究同样表明河道糙率对洪峰流量的影响最大，并且选用敏感参数可提高59%以上的率定效率，对模拟结果影响较大水质参数有污染物的扩散系数、综合衰减系数等。

SWMM-MIKE11耦合模型的率定和验证，可先进行SWMM的率定和验证，然后将SWMM计算的径流结果作为边界条件导入到MIKE 11模型中，最后进行MIKE 11模型的率定和验证。在河道海绵建设中，应根据具体工程从“海绵”到“河道”分别对SWMM和MIKE 11模型实际应用中难以测量的参数进行率定和验证，从而提高耦合模型的整体可靠性。

3.3 耦合模型应用思路

为推进SWMM-MIKE 11耦合模型指导海绵城市河道建设工作，选择江苏省首批海绵城市试点片区——丁家庄作为研究区域，面积3.94 km2，有北十里长沟东支、丁家庄沟和柳塘沟3条河道，河道里程共计约5.3 km。主要思路为：

a.基于SWMM和ArcGIS软件对陆域下垫面和雨水管网进行概化，共划分了198个子汇水区和473条管段。首先，根据实测降雨时排口流量和水质对SWMM进行参数率定和验证；然后，通过SWMM分析在不同降雨重现期下节点溢流量和管网承载力，进行区域内涝风险评估；最后，利用SWMM将径流污染(面源污染)转换为管网点源污染对河道水质的冲击，并计算沿河各个排口的径流量以及污染物量。

b.根据河网资料和实测断面数据，利用MIKE 11模型对3条河道进行概化，生成河网文件和断面文件，将由SWMM计算得到的各排口流量作为边界流量条件耦合到MIKE 11模型中；根据实测河道控制断面的水位和水质对MIKE 11模型进行参数率定和验证。利用MIKE 11模型，分析河道水质污染情况，进行河道自净模拟及水环境容量评估。

c.采取基于海绵理念的源头削减和沟通水系的末端治理措施，并利用SWMM-MIKE 11耦合模型分别评估不同降雨重现期下区域内涝风险缓解程度和河道水质改善效果，为海绵城市河道建设工作决策提供参考。

3.4 耦合模型存在问题

SWMM-MIKE 11耦合模型要运用到实际工程中，必须考虑实际陆域情况、河流水系的复杂性和监测条件的不完整性问题，因为这些问题会导致耦合模型计算误差较大。所以，耦合模型建模过程中，首先必须保证SWMM和MIKE 11模型的参数来源资料的时效性和一致性，并且善于运用卫星影像地图、ArcGIS等软件进行分析提取敏感参数；其次，要善于把复杂问题进行概化，抓住主要矛盾，运用计算平均值或综合系数等方法，提高建模的效率和模型的实用性。

此外，由于SWMM和MIKE 11模型分别是两家机构独立开发的两套代码框架，并且SWMM为开源，MIKE 11模型为闭源，所以难以实现两者真正在结构上的耦合。但是建模时，可以将SWMM和MIKE 11模型各取所长，优势互补，利用SWMM进行陆域的内涝风险模拟评估，将SWMM计算的管网排口流量运用EXCEL做成时间序列文件，输入到MIKE 11模型中，再利用MIKE 11模型进行河道水环境的模拟评估，以确保耦合模型的整体性和系统性。

4 结 语

通过构建SWMM-MIKE 11耦合模型完成海绵设施、雨水管网和河道水系的系统建模，进行年径流总量控制率、面源污染负荷、河道水环境容量等指标的模拟分析，具有良好的应用前景。利用耦合模型解决实际工程问题时，要善于把复杂的实际情况进行抽象概化，运用ArcGIS等辅助软件和综合系数等分析方法，以提高建模的效率和模型的实用性。由于SWMM和MIKE 11模型文件结构不同，并且MIKE 11模型是闭源的商业软件，目前SWMM-MIKE 11模型的耦合是将SWMM模拟结果输入到MIKE 11模型，以实现模型优势互补，但是难以实现SWMM和MIKE 11模型在结构上真正耦合。此外，模型率定和验证过程缺乏统一可靠的参照标准和方法，今后需加强相关研究，从而更好地为河道海绵建设提供参考指导。