孔 宇，孫 巍，李小龍，夏陽光，徐 漢，楊小麗

(1.東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院，江蘇 南京 210096； 2.南京市市政設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，江蘇 南京 210008；3.東南大學(xué)土木工程學(xué)院，江蘇 南京 211189)

針對我國城市化進(jìn)程中的水安全和水環(huán)境問題，習(xí)近平總書記先后提出了建設(shè)“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(guān)政策紛紛出臺(tái)，目前海綿城市建設(shè)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(shè)“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(qiáng)海綿城市建設(shè)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(dòng)性差的淺型水體，具有水環(huán)境容量小、自凈能力弱的特點(diǎn)，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(fēng)險(xiǎn)[4]。此外，南方水系發(fā)達(dá)，區(qū)域水系之間污染物的交換遷移、水系溝通對河道水動(dòng)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(shè)工作必須把研究對象從水體本身擴(kuò)展到整個(gè)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(fù)雜的水文和水動(dòng)力反饋機(jī)制。面對實(shí)際復(fù)雜的水環(huán)境問題時(shí)，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(xué)的語言和方法定量刻畫水體水量和水質(zhì)的時(shí)空分布和變化規(guī)律，具有更強(qiáng)的科學(xué)性和客觀性，在某種程度上能夠彌補(bǔ)傳統(tǒng)決策機(jī)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(lǐng)域內(nèi)的研究應(yīng)用已十分廣泛，但是關(guān)于二者耦合模型應(yīng)用在海綿城市建設(shè)中卻鮮有報(bào)道。本文提出利用SWMM進(jìn)行陸域海綿方案的設(shè)計(jì)與規(guī)劃，并耦合利用MIKE 11模型對“天然海綿體”城市河道進(jìn)行水動(dòng)力和水質(zhì)分析與評估，實(shí)現(xiàn)SWMM和MIKE 11模型優(yōu)勢互補(bǔ)，以期為海綿城市河道工程建設(shè)提供理論支撐和實(shí)際指導(dǎo)。

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(dāng)前，在海綿城市建設(shè)的背景下，SWMM主要應(yīng)用于海綿城市規(guī)劃設(shè)計(jì)的方案評估，具體包括徑流總量控制和面源污染削減兩個(gè)方面。

a.徑流總量控制。SWMM在緩解城市內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)用中，主要以徑流總量和徑流峰值的削減率為指標(biāo)，分析不同LID方案對“瓶頸管段”和“溢流節(jié)點(diǎn)”的緩解作用，以此進(jìn)行方案評估與比選[6-7]。2015年，王文亮等[8]利用SWMM驗(yàn)證了城市徑流總量控制指標(biāo)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(yùn)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(shè)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(jìn)行概化，率先實(shí)現(xiàn)了城區(qū)河道與排水管網(wǎng)系統(tǒng)連接，為后續(xù)學(xué)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(jìn)行徑流污染模擬計(jì)算，并以單位面積負(fù)荷率為指標(biāo)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(jié)果表明下凹式綠地對SS和TN的削減率分別達(dá)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(gòu)建了面源污染負(fù)荷模型，模擬發(fā)現(xiàn)，當(dāng)陸域不透水面積由60%降低到30%時(shí)，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(shè)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(shè)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(shù)路線見圖1。

圖1 SWMM技術(shù)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(yīng)用。但是，SWMM無法模擬河道中污染物的對流擴(kuò)散和生化過程，無法模擬河道自凈能力和進(jìn)行河道水環(huán)境容量計(jì)算，所以SWMM在河道海綿建設(shè)實(shí)際應(yīng)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(gòu)建一維河網(wǎng)模型，用于城市河道水量和水質(zhì)模擬，預(yù)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(jì)算準(zhǔn)確和結(jié)果可視化的優(yōu)點(diǎn)[16]。

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

b.MIKE 11模型的應(yīng)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(qiáng)等[18]基于MIKE 11模型對梁灘河流域河道的水質(zhì)時(shí)空變化特征進(jìn)行分析，模擬結(jié)果表明生活污水是導(dǎo)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(dòng)力和水體污染特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，提出了MIKE 11模型結(jié)合稀釋流量比m值法計(jì)算河道水環(huán)境容量的方法。周紅玉等[20]針對北運(yùn)河流域水污染的嚴(yán)重現(xiàn)狀，利用MIKE 11模型構(gòu)建了水動(dòng)力水質(zhì)耦合模型，對3種水質(zhì)改善方案的效果進(jìn)行了模擬評估，提出提高污水廠排放標(biāo)準(zhǔn)并利用水網(wǎng)構(gòu)建濕地系統(tǒng)可使NH3-N和TP達(dá)到地表水Ⅳ類水標(biāo)準(zhǔn)。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(gòu)建了水動(dòng)力水質(zhì)耦合模型，模擬分析不同補(bǔ)水方案和補(bǔ)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(jié)構(gòu)連通度及不同連通路徑下的河流水質(zhì)狀況進(jìn)行模擬分析，實(shí)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(shè)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(qiáng)大的水動(dòng)力水質(zhì)模擬能力，可應(yīng)用于城市河道、污染源分析、水環(huán)境容量計(jì)算、水質(zhì)改善方案評估等水環(huán)境方面，具體技術(shù)路線見圖2。

圖2 MIKE 11模型技術(shù)路線

解決城市內(nèi)澇和提升河道水質(zhì)需要從海綿設(shè)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(shí)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(shè)施和雨水管網(wǎng)進(jìn)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(shí)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(gòu)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(yīng)用的差異化，已有學(xué)者對SWMM-MIKE 11耦合模型的構(gòu)建和應(yīng)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(jìn)行產(chǎn)匯流計(jì)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(shí)現(xiàn)了SWMM和MIKE 11模型的耦合計(jì)算。欒慕等[24]采用同樣方法構(gòu)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(chǔ)繪制了內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)圖，結(jié)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(dǎo)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(jì)算不同重現(xiàn)期下沿河排口的徑流量和污染物負(fù)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(dòng)力水質(zhì)模型中，進(jìn)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(shí)，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(jìn)行降污處理時(shí)，降污效果隨重現(xiàn)期增大而增強(qiáng)；采取引灤調(diào)水措施時(shí)，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(jià)值。

構(gòu)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(gè)匯水分區(qū)和管網(wǎng)進(jìn)行概化，然后利用MIKE 11模型對河道水系進(jìn)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(jìn)行模擬計(jì)算，實(shí)現(xiàn)SWMM和MIKE 11模型的耦合。在此基礎(chǔ)上，利用SWMM增添陸域海綿設(shè)施，分析和評估海綿設(shè)施對研究區(qū)域水量和水質(zhì)的控制效果，具體技術(shù)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(gòu)建的物理基礎(chǔ)，SWMM-MIKE 11耦合模型是一套可以應(yīng)用于河道海綿建設(shè)的系統(tǒng)模型，要求模型使用者不僅對所研究的各個(gè)要素(降雨、海綿、管網(wǎng)、河道等)之間的聯(lián)系有深刻的認(rèn)識(shí)，還要熟練地掌握各研究對象的變化規(guī)律。同時(shí)，在具備大量資料和數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上輔助以CAD、GIS等統(tǒng)計(jì)分析工具，更準(zhǔn)確地進(jìn)行模型概化和確定模型初始參數(shù)，實(shí)現(xiàn)科學(xué)化和精準(zhǔn)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(gè)方面：環(huán)保局、水利局、氣象局等政府部門的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)資料；設(shè)計(jì)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(guān)文獻(xiàn)的推薦值或經(jīng)驗(yàn)值。實(shí)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(gè)方面。

圖3 SWMM-MIKE 11耦合模型技術(shù)路線

3.2 模型參數(shù)的率定與驗(yàn)證

模型參數(shù)的率定與驗(yàn)證是模型構(gòu)建成功與否的關(guān)鍵，直接關(guān)系到模型的可靠程度。實(shí)際建模過程中，參數(shù)眾多往往無法對每一個(gè)初始參數(shù)值進(jìn)行率定和驗(yàn)證，通過參數(shù)靈敏度分析能夠識(shí)別出對模型輸出結(jié)果影響較大的敏感參數(shù)，提高模型率定和驗(yàn)證的效率。李春林等[27]利用Morris篩選法對SWMM參數(shù)進(jìn)行了局部靈敏度分析，結(jié)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(qiáng)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(dòng)力計(jì)算中的顯著敏感參數(shù)。于永強(qiáng)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(jié)果影響較大水質(zhì)參數(shù)有污染物的擴(kuò)散系數(shù)、綜合衰減系數(shù)等。

SWMM-MIKE11耦合模型的率定和驗(yàn)證，可先進(jìn)行SWMM的率定和驗(yàn)證，然后將SWMM計(jì)算的徑流結(jié)果作為邊界條件導(dǎo)入到MIKE 11模型中，最后進(jìn)行MIKE 11模型的率定和驗(yàn)證。在河道海綿建設(shè)中，應(yīng)根據(jù)具體工程從“海綿”到“河道”分別對SWMM和MIKE 11模型實(shí)際應(yīng)用中難以測量的參數(shù)進(jìn)行率定和驗(yàn)證，從而提高耦合模型的整體可靠性。

3.3 耦合模型應(yīng)用思路

為推進(jìn)SWMM-MIKE 11耦合模型指導(dǎo)海綿城市河道建設(shè)工作，選擇江蘇省首批海綿城市試點(diǎn)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(jì)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(jìn)行概化，共劃分了198個(gè)子匯水區(qū)和473條管段。首先，根據(jù)實(shí)測降雨時(shí)排口流量和水質(zhì)對SWMM進(jìn)行參數(shù)率定和驗(yàn)證；然后，通過SWMM分析在不同降雨重現(xiàn)期下節(jié)點(diǎn)溢流量和管網(wǎng)承載力，進(jìn)行區(qū)域內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)評估；最后，利用SWMM將徑流污染(面源污染)轉(zhuǎn)換為管網(wǎng)點(diǎn)源污染對河道水質(zhì)的沖擊，并計(jì)算沿河各個(gè)排口的徑流量以及污染物量。

b.根據(jù)河網(wǎng)資料和實(shí)測斷面數(shù)據(jù)，利用MIKE 11模型對3條河道進(jìn)行概化，生成河網(wǎng)文件和斷面文件，將由SWMM計(jì)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(shí)測河道控制斷面的水位和水質(zhì)對MIKE 11模型進(jìn)行參數(shù)率定和驗(yàn)證。利用MIKE 11模型，分析河道水質(zhì)污染情況，進(jìn)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(fēng)險(xiǎn)緩解程度和河道水質(zhì)改善效果，為海綿城市河道建設(shè)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(yùn)用到實(shí)際工程中，必須考慮實(shí)際陸域情況、河流水系的復(fù)雜性和監(jiān)測條件的不完整性問題，因?yàn)檫@些問題會(huì)導(dǎo)致耦合模型計(jì)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(shí)效性和一致性，并且善于運(yùn)用衛(wèi)星影像地圖、ArcGIS等軟件進(jìn)行分析提取敏感參數(shù)；其次，要善于把復(fù)雜問題進(jìn)行概化，抓住主要矛盾，運(yùn)用計(jì)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(shí)用性。

此外，由于SWMM和MIKE 11模型分別是兩家機(jī)構(gòu)獨(dú)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(shí)現(xiàn)兩者真正在結(jié)構(gòu)上的耦合。但是建模時(shí)，可以將SWMM和MIKE 11模型各取所長，優(yōu)勢互補(bǔ)，利用SWMM進(jìn)行陸域的內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)模擬評估，將SWMM計(jì)算的管網(wǎng)排口流量運(yùn)用EXCEL做成時(shí)間序列文件，輸入到MIKE 11模型中，再利用MIKE 11模型進(jìn)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(jié) 語

通過構(gòu)建SWMM-MIKE 11耦合模型完成海綿設(shè)施、雨水管網(wǎng)和河道水系的系統(tǒng)建模，進(jìn)行年徑流總量控制率、面源污染負(fù)荷、河道水環(huán)境容量等指標(biāo)的模擬分析，具有良好的應(yīng)用前景。利用耦合模型解決實(shí)際工程問題時(shí)，要善于把復(fù)雜的實(shí)際情況進(jìn)行抽象概化，運(yùn)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(shí)用性。由于SWMM和MIKE 11模型文件結(jié)構(gòu)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(jié)果輸入到MIKE 11模型，以實(shí)現(xiàn)模型優(yōu)勢互補(bǔ)，但是難以實(shí)現(xiàn)SWMM和MIKE 11模型在結(jié)構(gòu)上真正耦合。此外，模型率定和驗(yàn)證過程缺乏統(tǒng)一可靠的參照標(biāo)準(zhǔn)和方法，今后需加強(qiáng)相關(guān)研究，從而更好地為河道海綿建設(shè)提供參考指導(dǎo)。