河道海綿建設中SWMM-MIKE 11耦合模型的構建及應用思路

孔 宇，孫 巍，李小龍，夏陽光，徐 漢，楊小麗

(1.東南大學能源與環(huán)境學院，江蘇 南京 210096； 2.南京市市政設計研究院有限責任公司，江蘇 南京 210008；3.東南大學土木工程學院，江蘇 南京 211189)

針對我國城市化進程中的水安全和水環(huán)境問題，習近平總書記先后提出了建設“海綿城市”的號召和“節(jié)水優(yōu)先、空間均衡、系統(tǒng)治理”的治水思路。此后，“海綿城市”相關政策紛紛出臺，目前海綿城市建設已上升至國家戰(zhàn)略層面[1-3]。城市河道作為海綿城市建設“源頭削減—過程控制—末端治理”系統(tǒng)方案的天然海綿體和末端受納系統(tǒng)，開展海綿河道研究能顯著增強海綿城市建設的系統(tǒng)性和整體性，有效改善城市河道水環(huán)境。但是，城市河道多為流動性差的淺型水體，具有水環(huán)境容量小、自凈能力弱的特點，其受到徑流污染沖擊后，往往面臨較高的水質(zhì)惡化和水華暴發(fā)等風險[4]。此外，南方水系發(fā)達，區(qū)域水系之間污染物的交換遷移、水系溝通對河道水動力條件的改善及其對河道水質(zhì)的影響也必須考慮。因此，開展河道海綿建設工作必須把研究對象從水體本身擴展到整個匯水區(qū)域[5]。匯水區(qū)域是物質(zhì)和能量交換的開放系統(tǒng)，并且內(nèi)部存在著復雜的水文和水動力反饋機制。面對實際復雜的水環(huán)境問題時，傳統(tǒng)專家決策不可避免地帶有一定的主觀性和片面性，而水文水質(zhì)模型用數(shù)學的語言和方法定量刻畫水體水量和水質(zhì)的時空分布和變化規(guī)律，具有更強的科學性和客觀性，在某種程度上能夠彌補傳統(tǒng)決策機制的缺陷。其中，暴雨洪水管理模型(storm water management model, SWMM)和MIKE 11模型在各自領域內(nèi)的研究應用已十分廣泛，但是關于二者耦合模型應用在海綿城市建設中卻鮮有報道。本文提出利用SWMM進行陸域海綿方案的設計與規(guī)劃，并耦合利用MIKE 11模型對“天然海綿體”城市河道進行水動力和水質(zhì)分析與評估，實現(xiàn)SWMM和MIKE 11模型優(yōu)勢互補，以期為海綿城市河道工程建設提供理論支撐和實際指導。

1 SWMM

SWMM是一種包含降雨、海綿等模塊的分布式水文模型，具備水文、水力和水質(zhì)過程模擬分析功能。當前，在海綿城市建設的背景下，SWMM主要應用于海綿城市規(guī)劃設計的方案評估，具體包括徑流總量控制和面源污染削減兩個方面。

a.徑流總量控制。SWMM在緩解城市內(nèi)澇風險應用中，主要以徑流總量和徑流峰值的削減率為指標，分析不同LID方案對“瓶頸管段”和“溢流節(jié)點”的緩解作用，以此進行方案評估與比選[6-7]。2015年，王文亮等[8]利用SWMM驗證了城市徑流總量控制指標及其量化分解方法。2017年，吳曉瑜等[9]以中山市某工業(yè)園區(qū)為研究對象，利用SWMM建立了優(yōu)化的LID改造方案。2018年，張勤等[10]選取昆明某片區(qū)為研究對象，采用SWMM模擬研究LID措施與雨水調(diào)蓄池聯(lián)合運行的效果，表明組合措施對徑流總量和徑流峰值均有明顯削減作用。以上研究表明，在建設海綿城市的理念下SWMM對于徑流總量和徑流峰值的控制模擬十分有效[11]。

b.面源污染削減。在既往研究中，黃國如等[12]基于雙層排水系統(tǒng)思想，在城鎮(zhèn)流域尺度上利用SWMM對3條河道進行概化，率先實現(xiàn)了城區(qū)河道與排水管網(wǎng)系統(tǒng)連接，為后續(xù)學者研究面源污染提供了新思路。趙磊等[13]利用SWMM對昆明市明通河流域進行徑流污染模擬計算，并以單位面積負荷率為指標推算出徑流污染是滇池面源污染的主要來源。袁溪等[14]利用SWMM研究了下凹式綠地對徑流污染的削減效果，結果表明下凹式綠地對SS和TN的削減率分別達到了72.7%和66.1%。陳新拓等[15]以成都市某黑臭河道為研究對象，基于SWMM構建了面源污染負荷模型，模擬發(fā)現(xiàn)，當陸域不透水面積由60%降低到30%時，河道中COD、TP濃度分別下降了17.8%、17.3%。以上研究表明，利用SWMM通過在陸域添加LID措施削減面源污染的效果顯著。

由此可見，通過海綿城市建設提高陸域的滯留、滲透作用能顯著削弱徑流污染對河道水質(zhì)的沖擊，SWMM在海綿城市建設中能夠發(fā)揮“源頭削減”的作用。因此，從水量和水質(zhì)角度來看，SWMM可以模擬徑流總量控制和面源污染削減的效果，具體技術路線見圖1。

圖1 SWMM技術路線

對海綿城市區(qū)域性的系統(tǒng)建模，SWMM通過將河道概化為管道的思路已得到廣泛研究和應用。但是，SWMM無法模擬河道中污染物的對流擴散和生化過程，無法模擬河道自凈能力和進行河道水環(huán)境容量計算，所以SWMM在河道海綿建設實際應用中具有一定的局限性。

2 MIKE 11模型

MIKE 11模型是丹麥DHI公司研發(fā)的MIKE Flood洪水模擬組件的重要板塊。根據(jù)城市水系、水文和水質(zhì)資料，MIKE 11模型可構建一維河網(wǎng)模型，用于城市河道水量和水質(zhì)模擬，預測在特定條件下的河道水環(huán)境變化情況，具有節(jié)約人力、計算準確和結果可視化的優(yōu)點[16]。

a.MIKE 11模型原理。MIKE 11模型利用核心模塊——水動力模塊來模擬河道污染物的對流擴散過程，采用六點隱式差分法對一維圣維南方程組進行離散求解[17]。該方法的計算網(wǎng)格由水位點和流量點組成，在相同時間步長下按順序交替對水位點和流量點進行計算，在水位點之間采用動量方程求解，在流量點之間采用連續(xù)方程求解。

b.MIKE 11模型的應用。MIKE 11模型已成為研究河道水環(huán)境問題的重要手段。馬強等[18]基于MIKE 11模型對梁灘河流域河道的水質(zhì)時空變化特征進行分析，模擬結果表明生活污水是導致河道水質(zhì)變差的主要污染源。張斯思等[19]在分析河段水動力和水體污染特點的基礎上，提出了MIKE 11模型結合稀釋流量比m值法計算河道水環(huán)境容量的方法。周紅玉等[20]針對北運河流域水污染的嚴重現(xiàn)狀，利用MIKE 11模型構建了水動力水質(zhì)耦合模型，對3種水質(zhì)改善方案的效果進行了模擬評估，提出提高污水廠排放標準并利用水網(wǎng)構建濕地系統(tǒng)可使NH3-N和TP達到地表水Ⅳ類水標準。熊鴻斌等[21]基于MIKE 11模型以合肥市十五里河為研究對象構建了水動力水質(zhì)耦合模型，模擬分析不同補水方案和補水流量下的水質(zhì)改善效果，為河流的水環(huán)境治理提供了新思路。胡如幻[22]通過MIKE 11模型對研究區(qū)域水系不同結構連通度及不同連通路徑下的河流水質(zhì)狀況進行模擬分析，實現(xiàn)了區(qū)域水系溝通——“活水”的末端治理功能。由此可見，MIKE 11模型在河道海綿建設中能夠發(fā)揮著“末端治理”的作用。與SWMM相比，MIKE 11模型具備強大的水動力水質(zhì)模擬能力，可應用于城市河道、污染源分析、水環(huán)境容量計算、水質(zhì)改善方案評估等水環(huán)境方面，具體技術路線見圖2。

圖2 MIKE 11模型技術路線

解決城市內(nèi)澇和提升河道水質(zhì)需要從海綿設施、雨水管網(wǎng)和河道水系整體系統(tǒng)入手，定量描述水量和水質(zhì)的時空變化規(guī)律，以便基于海綿理念提出區(qū)域水量和水質(zhì)控制規(guī)劃方案。而MIKE 11模型研究對象是城市河道，無法對海綿設施和雨水管網(wǎng)進行概化建模，也就無法反映陸域面源污染對河道水質(zhì)的沖擊影響。雖然MIKE系列軟件的MIKE URBAN可以實現(xiàn)對城市雨水管網(wǎng)的建模，但是無法添加海綿模塊,所以構建SWMM-MIKE 11耦合模型對于系統(tǒng)解決城市面臨的水安全和環(huán)境問題具有重要意義。

3 SWMM-MIKE 11耦合模型

基于SWMM和MIKE 11模型功能應用的差異化，已有學者對SWMM-MIKE 11耦合模型的構建和應用開展了一些探索研究。羅福亮等[23]以平原河網(wǎng)區(qū)為研究對象，利用SWMM對各子匯水區(qū)進行產(chǎn)匯流計算，將各子匯水區(qū)的徑流過程作為河網(wǎng)入流，為MIKE 11模型提供流量邊界條件，實現(xiàn)了SWMM和MIKE 11模型的耦合計算。欒慕等[24]采用同樣方法構建SWMM-MIKE 11耦合模型模擬了桐廬縣的降雨徑流和防洪排澇情況，并以此為基礎繪制了內(nèi)澇風險圖，結果表明SWMM-MIKE 11耦合模型對城市河網(wǎng)地區(qū)開展防洪排澇規(guī)劃具有指導意義。許淑敏[25]為了研究降雨徑流對天津市海河干流水質(zhì)的影響，首先利用SWMM計算不同重現(xiàn)期下沿河排口的徑流量和污染物負荷量，然后將其作為旁側(cè)入流耦合到MIKE 11模型建立的河道水動力水質(zhì)模型中，進行河道匯流及自凈模擬，并模擬評估了3種水質(zhì)改善方案的效果差異：利用污水處理廠降污時，不同重現(xiàn)期條件下對河道水質(zhì)改善效果有限；采用生態(tài)濕地進行降污處理時，降污效果隨重現(xiàn)期增大而增強；采取引灤調(diào)水措施時，降污效果隨重現(xiàn)期的增大而減弱。眾多研究表明，SWMM-MIKE 11耦合模型對解決城市河道水環(huán)境問題具有重要價值。

構建研究區(qū)域的SWMM-MIKE 11耦合模型的基本思路為：首先利用SWMM對各個匯水分區(qū)和管網(wǎng)進行概化，然后利用MIKE 11模型對河道水系進行概化，最后將管網(wǎng)排口的徑流作為流量邊界條件耦合到MIKE 11模型中進行模擬計算，實現(xiàn)SWMM和MIKE 11模型的耦合。在此基礎上，利用SWMM增添陸域海綿設施，分析和評估海綿設施對研究區(qū)域水量和水質(zhì)的控制效果，具體技術路線見圖3。

3.1 模型概化與參數(shù)初始值的確定

模型概化是模型構建的物理基礎，SWMM-MIKE 11耦合模型是一套可以應用于河道海綿建設的系統(tǒng)模型，要求模型使用者不僅對所研究的各個要素(降雨、海綿、管網(wǎng)、河道等)之間的聯(lián)系有深刻的認識，還要熟練地掌握各研究對象的變化規(guī)律。同時，在具備大量資料和數(shù)據(jù)的基礎上輔助以CAD、GIS等統(tǒng)計分析工具，更準確地進行模型概化和確定模型初始參數(shù)，實現(xiàn)科學化和精準化的水文水質(zhì)建模。目前，SWMM和MIKE 11模型概化和初始參數(shù)確定的數(shù)據(jù)來源主要有4個方面：環(huán)保局、水利局、氣象局等政府部門的基礎數(shù)據(jù)資料；設計院等企業(yè)單位的圖紙資料；區(qū)域衛(wèi)星影像和高程圖；模型手冊等相關文獻的推薦值或經(jīng)驗值。實際工程中模型參數(shù)初始值的確定往往需要綜合考慮以上各個方面。

圖3 SWMM-MIKE 11耦合模型技術路線

3.2 模型參數(shù)的率定與驗證

模型參數(shù)的率定與驗證是模型構建成功與否的關鍵，直接關系到模型的可靠程度。實際建模過程中，參數(shù)眾多往往無法對每一個初始參數(shù)值進行率定和驗證，通過參數(shù)靈敏度分析能夠識別出對模型輸出結果影響較大的敏感參數(shù)，提高模型率定和驗證的效率。李春林等[27]利用Morris篩選法對SWMM參數(shù)進行了局部靈敏度分析，結果表明對徑流總量和徑流峰值最敏感的水文水力參數(shù)分別是不透水地面洼地蓄水量、管道曼寧系數(shù)和地表漫流寬度，對徑流污染敏感性較高的水質(zhì)參數(shù)是污染物最大累積量和沖刷系數(shù)。蔣元勇等[28]研究表明SWMM敏感參數(shù)主要受到降雨強度、土地利用類型和輸出變量類型因素的影響。許春東等[29]研究表明河道糙率、坡度是MIKE 11模型水動力計算中的顯著敏感參數(shù)。于永強等[30]研究同樣表明河道糙率對洪峰流量的影響最大，并且選用敏感參數(shù)可提高59%以上的率定效率，對模擬結果影響較大水質(zhì)參數(shù)有污染物的擴散系數(shù)、綜合衰減系數(shù)等。

SWMM-MIKE11耦合模型的率定和驗證，可先進行SWMM的率定和驗證，然后將SWMM計算的徑流結果作為邊界條件導入到MIKE 11模型中，最后進行MIKE 11模型的率定和驗證。在河道海綿建設中，應根據(jù)具體工程從“海綿”到“河道”分別對SWMM和MIKE 11模型實際應用中難以測量的參數(shù)進行率定和驗證，從而提高耦合模型的整體可靠性。

3.3 耦合模型應用思路

為推進SWMM-MIKE 11耦合模型指導海綿城市河道建設工作，選擇江蘇省首批海綿城市試點片區(qū)——丁家莊作為研究區(qū)域，面積3.94 km2，有北十里長溝東支、丁家莊溝和柳塘溝3條河道，河道里程共計約5.3 km。主要思路為：

a.基于SWMM和ArcGIS軟件對陸域下墊面和雨水管網(wǎng)進行概化，共劃分了198個子匯水區(qū)和473條管段。首先，根據(jù)實測降雨時排口流量和水質(zhì)對SWMM進行參數(shù)率定和驗證；然后，通過SWMM分析在不同降雨重現(xiàn)期下節(jié)點溢流量和管網(wǎng)承載力，進行區(qū)域內(nèi)澇風險評估；最后，利用SWMM將徑流污染(面源污染)轉(zhuǎn)換為管網(wǎng)點源污染對河道水質(zhì)的沖擊，并計算沿河各個排口的徑流量以及污染物量。

b.根據(jù)河網(wǎng)資料和實測斷面數(shù)據(jù)，利用MIKE 11模型對3條河道進行概化，生成河網(wǎng)文件和斷面文件，將由SWMM計算得到的各排口流量作為邊界流量條件耦合到MIKE 11模型中；根據(jù)實測河道控制斷面的水位和水質(zhì)對MIKE 11模型進行參數(shù)率定和驗證。利用MIKE 11模型，分析河道水質(zhì)污染情況，進行河道自凈模擬及水環(huán)境容量評估。

c.采取基于海綿理念的源頭削減和溝通水系的末端治理措施，并利用SWMM-MIKE 11耦合模型分別評估不同降雨重現(xiàn)期下區(qū)域內(nèi)澇風險緩解程度和河道水質(zhì)改善效果，為海綿城市河道建設工作決策提供參考。

3.4 耦合模型存在問題

SWMM-MIKE 11耦合模型要運用到實際工程中，必須考慮實際陸域情況、河流水系的復雜性和監(jiān)測條件的不完整性問題，因為這些問題會導致耦合模型計算誤差較大。所以，耦合模型建模過程中，首先必須保證SWMM和MIKE 11模型的參數(shù)來源資料的時效性和一致性，并且善于運用衛(wèi)星影像地圖、ArcGIS等軟件進行分析提取敏感參數(shù)；其次，要善于把復雜問題進行概化，抓住主要矛盾，運用計算平均值或綜合系數(shù)等方法，提高建模的效率和模型的實用性。

此外，由于SWMM和MIKE 11模型分別是兩家機構獨立開發(fā)的兩套代碼框架，并且SWMM為開源，MIKE 11模型為閉源，所以難以實現(xiàn)兩者真正在結構上的耦合。但是建模時，可以將SWMM和MIKE 11模型各取所長，優(yōu)勢互補，利用SWMM進行陸域的內(nèi)澇風險模擬評估，將SWMM計算的管網(wǎng)排口流量運用EXCEL做成時間序列文件，輸入到MIKE 11模型中，再利用MIKE 11模型進行河道水環(huán)境的模擬評估，以確保耦合模型的整體性和系統(tǒng)性。

4 結 語

通過構建SWMM-MIKE 11耦合模型完成海綿設施、雨水管網(wǎng)和河道水系的系統(tǒng)建模，進行年徑流總量控制率、面源污染負荷、河道水環(huán)境容量等指標的模擬分析，具有良好的應用前景。利用耦合模型解決實際工程問題時，要善于把復雜的實際情況進行抽象概化，運用ArcGIS等輔助軟件和綜合系數(shù)等分析方法，以提高建模的效率和模型的實用性。由于SWMM和MIKE 11模型文件結構不同，并且MIKE 11模型是閉源的商業(yè)軟件，目前SWMM-MIKE 11模型的耦合是將SWMM模擬結果輸入到MIKE 11模型，以實現(xiàn)模型優(yōu)勢互補，但是難以實現(xiàn)SWMM和MIKE 11模型在結構上真正耦合。此外，模型率定和驗證過程缺乏統(tǒng)一可靠的參照標準和方法，今后需加強相關研究，從而更好地為河道海綿建設提供參考指導。