水環境數值模型耦合技術及其研究進展

陳奇良 王永桂 江偉民 夏煒 孫艷濤

摘要：水環境數值模型耦合技術是拓展單個模型功能，開展復雜條件下水環境評估、預測、預警，支撐環境管理決策的重要工具。國內外學者開展了大量的耦合模型工作，但對耦合模型的理論體系尚缺乏系統的闡述。通過解析水環境耦合的概念，歸納了水環境模型的耦合方式。按照耦合度將水環境模型耦合分為緊密耦合和松散耦合，按照耦合形式將水環境模型耦合分為基于機理過程的耦合和基于空間關系的耦合。對不同水環境模型耦合方式的技術特征、研究進展進行了描述和對比，探討了當前水環境模型耦合存在的不足和發展趨勢。分析表明松散耦合是當前水環境模型耦合的主要方式，實現水環境模型耦合的標準化和規范化將是水環境數值模型耦合的發展趨勢。

關 鍵 詞：水環境; 數值模型; 模型耦合; 研究進展; 綜述

中圖法分類號： V146.5

文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.06.002

隨著數值計算技術的不斷發展，具有動力學機理的環境數值模型成為近年來水環境領域使用最廣泛的方法。其中，水環境數值模型（本文簡稱水環境模型）是基于水循環機理構建的、應用于水環境領域的數值模型，包括流域水文模型、城市雨水管網模型、水體水動力水質模型、地下水模型等。水環境模型在流域水文模擬、防洪排澇分析以及水資源和水生態環境評估等領域得到了廣泛的應用。水環境是一個受氣象、陸地和水體中各種要素綜合影響的復雜系統，縱觀現有模型，仍然缺乏一套能滿足水環境陸地和水體綜合模擬需求的模型體系[1]。這就需要在實際應用中，根據應用目的，從諸多模型中選擇合適的模型，開展模型的耦合。耦合不同領域的模型，支撐水環境領域的業務開展，服務于水系統的科學研究是當前水環境模型應用的重要手段[2]。自數值模型應用以來，模型耦合技術一直備受關注，大量學者開展了模型的耦合工作，提出了諸多不同的方法，但尚未有報道對當前主流的模型耦合技術進行綜述。總結水環境模型耦合主要技術方法，探討模型耦合未來的發展方向，對于水環境模型耦合方式的選擇和合理應用有著重要的意義。

1 水環境模型耦合的概念

長期以來，水環境領域都在談論模型的耦合和集成，但很少有人專門針對環境模型的耦合展開研究。耦合（coupling），可以表達為用于描述兩個或兩個以上相互聯系的對象，既可以是一種現象也可以表達對象之間的聯立過程[3-4]。水環境模型耦合，還缺乏明確的定義。本文綜合耦合的定義和水環境模型耦合技術，認為水環境模型耦合是指將兩個或多個有關聯的與水有關的數值模型（或模型算法）連接起來，以實現更復雜水環境模擬的過程。通過耦合，能將各個分離的模型、模型模塊或者模擬不同內容的理論算法集成到一個相互關聯的、統一和協調的新模型之中，使模型整體的功能或性能得到提升，從而符合實際應用要求。

2 水環境模型耦合的方法

耦合具有多種不同的方式，可以根據耦合的精密程度劃分，也可以根據耦合對象劃分，不同的耦合方式，適應的范圍不同[5]。

2.1 基于耦合度的水環境模型耦合

2.1.1 緊密耦合

水環境模型的緊密耦合，又可以稱為嵌入耦合方式，即在求解模型方程組的層次，將一種類型模型變量代入另一種模型變量中，進行耦合求解。這類耦合方式主要是以水動力耦合水質或泥沙模型為主。在緊密耦合模型中，水動力控制方程一般采用非恒定流圣維南方程、Navier-Stokes方程等，通過這些方程解出流速，作為變量代入污染物對流擴散方程或者泥沙輸移方程中，進而求解得到水質模型的污染物濃度和泥沙模型的泥沙濃度[6-8]。耦合模型的常用求解方法有歐拉法、四階龍格庫塔法和五階龍格庫塔質量控制法[9]。緊密耦合的求解過程[10]如圖1所示。

緊密耦合模型在每個計算時間步長內，會將條件模型的結果輸入到另一個模型中進行方程求解，這種方式能更精細地反映水動力變化過程對水質、泥沙等物理過程的影響。如利用圣維南（Saint-Venant）方程組為基礎開發水動力模塊，將水動力模塊得到的流速嵌入到水質模塊污染物擴散方程中，最終聯立求解，能精確模擬污染物的擴散和演進情況[11-12]。但由于緊密耦合需要將條件模型結果嵌入到另一模型的方程中求解，這需要修改模型的控制方程或者再增加新的控制方程后與原控制方程聯立求解，相當于重新構建一套新的模型。這對模型應用的專業程度要求高，且需要進行模型的二次開發，要求應用者掌握模型的基本原理，或擁有不同模型的源代碼。實際模型應用中，這種要求很少能滿足，因此緊密耦合模型研究和應用相對較少。

2.1.2 松散耦合

水環境模型松散耦合中，需要將不同模型獨立封裝，然后通過調用可執行程序或者動態鏈接庫的方式進行銜接。由于這種耦合方式不需要理解源碼中的模型求解過程，模型耦合操作相對簡單，已成為是當前廣泛應用的模型耦合技術，如Dixon等提出了水文模型的松散耦合系統[13]，Alcaraz等則研究了地下水模型的松散耦合方式[14]。在松散耦合過程中，模型以黑箱方式運行，用戶不需要知道模型內部原理細節，只需要理解模型的輸入輸出接口，這極大地提高了模型之間耦合的靈活性。通過松散耦合，各種模型既能獨立運行，又能相互配合，共同模擬，解決復雜的水環境問題。

開展水環境的松散耦合，前提是能了解當前主流的模式，根據業務應用需求和不同模型特點與適用范圍，選擇合適的模型。水環境數值模型從理論和方法的提出到現在廣泛的應用，已經經過了長期的發展過程，誕生了種類繁多的模型體系。按照水環境模型的應用范圍，可以分為陸地水環境模型和水體水動力水質模型兩個方面。陸地水環境領域可以按照自然地表和人工地表，分為流域水文模型和城市水文模型，其中流域水文模型中BASIN、SWAT、STORM、HSPF、新安江模型、SAC模型等比較知名[15];城市水文模型中，SWMM、inforworks等應用廣泛[16]。水文模型和非點源模型在陸源解析、海綿城市建設、低影響開發等方面做出了重要的貢獻。水體水動力水質模型領域可以分為地表水動力水質模型和地下水動力水質模型。其中，地表水動力水質模型有零維、一維、二維和三維等不同的結構。一維模型（諸如WASP、MIKE11、QUAL2E和QUAL2K等），二三維水動力水質模型（如EFDC、ECOM、MIKE21、Delft3d、RCA等）廣泛應用于河流、湖泊、河口、海洋的水動力模擬或水質水生態評估預測中[17]。地下水模型主要用于地下三維水流、溶質運移和反映運移模擬，如Modelflow、HST3D等應用廣泛。綜合國內外主流水環境模型的應用范圍、模型功能、開源性，分析其耦合對象，如表1所列[18]。

從表1可以看出，不同的水環境模型功能不同，開源性差別較大，適用的區域各異。在開展水環境模型的松散耦合過程中，需要針對不同的需要選擇合適的模型。通過松散耦合，能充分利用不同模型的功能，解決單個模型無法模擬的水環境問題。如王曉青等將SWAT模型與MIKE11模型耦合起來，通過空間上建立流域水文單元與水動力水質模型網格邊界的連接，能同時進行流域輸沙量、氮、磷負荷量和水體中污染物遷移演進模擬[19];Yang等將新安江模型和SWAT模型耦合起來，利用新安江模型模擬水文徑流過程并疊加于SWAT模型的污染物和泥沙模塊，進行水文和非點源模擬[20]。一般地，利用不同的模型進行復雜水環境的模擬計算，可以不考慮模型的開源性;而如果需要對模型進行改動，或者將不同模型整合成可供軟件系統調用的模型模塊，則需要采用開源模型進行耦合。松散耦合雖然應用廣泛，操作簡便，但由于將水循環模擬的機理過程用不同的模型進行描述，通過輸入輸出數據進行模型的連接會帶來較大的不確定性;另一方面，由于松散耦合的模型對象的開發單位不同、開發語言各異，需要根據模型的接口開展大量的數據轉換工作和IO運算，這在一定程度上會降低耦合模型的整體運行效率。

2.2 基于耦合對象的水環境模型耦合

根據耦合的對象，可以將水環境模型耦合劃分為基于機理過程的耦合和基于空間關系的耦合兩種基本形式。

2.2.1 基于機理過程的模型耦合

基于機理過程耦合，即按照水或物質循環與能量流動的物理化學過程，進行不同類型的模型或算法的耦合。如水循環中，降雨是驅動水文徑流的主要因素，徑流沖刷則帶來非點源污染，而非點源污染又是引起水體污染物濃度變化的主要因子。因此，氣象模型、流域水文模型、非點源模型和水體水動力水質模型之間的耦合，均可以看作是過程耦合[21-23]。過程耦合中，向其它模型輸入模擬結果的可稱為條件模型，接受另一個模型結果輸入的模型可稱為接納模型。

基于機理過程的模型耦合中，由于條件模型和接納模型模擬的區域對象不一致，如水文模型模擬陸地地表而水動力水質模型則模擬河網或管網，因此需要明確不同區域對象之間的相關性，開展空間匹配。一般地，基于機理過程的模型耦合包括兩個核心步驟。

（1） 空間匹配：劃分模型的計算單元，根據不同模型之間計算單元的空間關系，查找與接納模型的入口計算單元相匹配的條件模型出口計算單元，建立條件模型輸出單元和接納模型輸入單元之間的一一對應關系。

（2） 模型接口中間件構建：根據接納模型的初邊界輸入條件格式要求以及條件模型的輸出文件格式，建立格式轉換中間件，將條件模型結果轉換為接納模型可直接讀取的文件，供接納模型調用。

基于機理過程的模型耦合，是水環境模型耦合應用的主要方式。如解決城市內澇問題，模擬降雨對城市管網排蓄水的影響，就需要基于暴雨-徑流激增-城市積水-管道排水的機理過程，選擇流域水文模型、地表二維水動力模型以及城市管網模型，進行模擬工作。Bisht等[24]利用SWMM模型耦合MIKE URBAN模型，進行了極端暴雨城市區域內澇的影響模擬;程龍等[25]則耦合SWMM、Mike Urban、Mike21等模型，進行了小寨區域內澇的年徑流控制率和管網排水能力分析。基于機理過程的耦合能解決復雜環境下單項模型無法完成的模擬任務，在流域和城市規劃管理、防洪排澇、防災減災以及大尺度流域研究中，具有極大的應用價值。

2.2.2 基于空間關系的模型耦合

基于空間關系的耦合，指同類型模型在應用過程中，采用粗單元嵌套細單元，或者一維嵌套二三維的耦合形式。這類耦合方式在水動力水質模型領域應用非常廣泛。如李若男等[26]利用一維河網水動力水質模型耦合二維水動力水質模型，研究水庫調度的影響;張防修等[27]通過構建主槽一維和灘地二維耦合模型，快速模擬復式河道大尺度漫灘洪水。基于空間關系的耦合主要利用邊界搭接實現不同模型計算單元的空間耦合，通過邊界搭接相互提供邊界條件，一個模型出口即為另一個模型的進口。在搭接邊界上，設定耦合模型共有的過渡單元，該單元中，通過補充物理變量實現模型的耦合。通常地，在不同分辨率的計算單元空間搭接過程中，需要設定水文和流量鏈接條件，確保動量和能量守恒。

（1） 設定水位連接條件，即耦合模型空間搭接邊界上，模擬的水位應該是相等的。

（2） 設定流量連接條件，即一維模型斷面模擬的流量，是連接處二維模型所有計算網格模擬的流量之和。

基于空間關系的模型耦合，利用一維模型或者粗尺度計算單元，能快速模擬長時間段大范圍的水量水質變化過程，從而回答宏觀的水環境演變問題。在此基礎上，對于局部重要區域或者大型水體，則采用二三維模型進行精細模擬，以回答粗尺度模型無法反映的細節問題。如曹菊萍等[28]通過分析太湖流域平原河網特點，建立了耦合一維河網和二維太湖的太湖流域水量水質數學模型，實現了對流域平原河網地區河湖水量、水質的聯合計算，在太湖流域重要河湖河道內年度水量分配中進行了應用。基于空間關系的耦合，能解決粗尺度模型的精度問題和精確模型的效率問題，從而實現按照水環境管理業務的需求，提供模擬結果，拓展了水環境模型的應用范圍，提升了其實際應用效果。

3 水環境模型耦合的發展

通過模型耦合，雖然能實現不同模型之間的連接，模擬更加復雜的水環境現象。但在模型耦合的過程中，仍然存在諸多問題有待解決。首先是接口的一致性問題，由于不同的模型由不同的機構研發，模型的輸入輸出方法和格式各異、模型的開發語言多樣，耦合不同機構研發的模型，極易出錯。其次，模型耦合應用過程中，使用者的經驗和認知成為影響耦合模型精確度的重要因素，常常出現將不適用于某一區域或者領域的模型耦合應用到不恰當的對象中，造成模型模擬效果差的問題。

隨著水環境模型在水環境管理中的作用愈發明顯，應用不斷增加，模型開發和應用者逐漸認識到，有必要建立一套標準化的規則，以準確地指導和規范不同模型的耦合應用。為此，歐盟水框架委員會建立了開放式模型接口（Open Modeling Interface，簡稱Open-MI）[29]。OpenMI提供了一種實現水文、水力、水質、水生態環境等不同領域模塊構成集成系統的連接機制，用以解決復雜系統中各計算模塊之間的連接和數據交互問題。通過OpenMI的標準化接口進行模型耦合，可以在不受具體的模塊開發背景或技術平臺限制的條件下，實現不同類型、不同領域、不同標準模塊的相互連接。國外眾多模型開發機構，認可了OpenMI規范，大量學者開展了基于OpenMI的模型的耦合工作[30-31];我國在這一方面，還處于對OpenMI的探索和初步應用階段[32]，但對OpenMI的關注不斷增加。縱觀國內外的模型耦合應用可以看出，OpenMI等規范化接口能方便地對已有的水環境模型進行改造與移植，從而提高系統開發效率，降低系統開發成本，提升水環境模型耦合的可行性和有效性。隨著水環境模型耦合需求和不同模型之間的聯立應用不斷增加，水環境模型耦合的規范化和標準化，將是未來數值模型發展的重要方向之一。

另一方面，隨著水生態環境監測網絡體系的建設和發展，尤其是自動化水質站點的全面鋪開，實時、海量的水生態環境數據將為水環境領域的計算打開新的窗口。非機理性的統計學模型、灰色系統、大數據分析以及神經網絡等算法煥發出了新的生機，得到了大量的應用[33-34]。機理模型和非機理模型優勢各異，機理模型能反映復雜條件下不同因素對水環境的影響，但存在不確定性大、輸入條件復雜等問題;非機理模型則能針對數據之間的相關性和數據本身的特點進行分析，但無法回答復雜條件下的機理過程問題。因此，充分利用機理模型和非機理模型的特點進行二者的耦合，以實現水環境模型的參數優化、效率優化、減少模型結果的殘差，在近年來多有開展。如鄒銳等[35]構建了EFDC-神經網絡（NN）耦合模型，用于撫仙湖流域水質風險分析，取得了較好的模型精度;Shaw 等[36]通過人工神經網絡優化水質模型CE-QUAL-W2，并與遺傳算法相結合，用于多用途水庫的DO模擬，提高了水質模型的模擬效率;Jang等[37]利用蟻群算法（PSO）對SWAT模型進行參數優化，實現了數值模型的高效優化和參數調整。這些研究表明，在水文氣象水質監測數據不斷發展的背景下，機理模型和非機理模型的耦合應用相比于單一模型，表現出更大的優勢。為提升水環境模型的模擬與應用能力，引入大數據分析、人工智能領域的相關技術，將成為水環境模型應用發展的另一重要方向。

4 結 語

模型耦合是應對復雜水環境評價、管理和決策需要，進行水環境數值模擬的主要手段。本文解析了水環境耦合模型的概念，探討了水環境模型耦合的方式，分析了緊密耦合、松散耦合、基于機理過程的耦合和基于空間關系耦合等耦合技術進展和特點，同時，分析了水環境模型耦合的發展方向。本文的研究表明：松散式耦合具有操作方便、編程簡單的特點，是當前主流的模型耦合方式;水環境模型的耦合將向著與大數據分析技術、人工智能技術深度融合，并呈現出規范化和標準化的趨勢發展。

隨著中國對生態環保、水利等領域數據計算要求的提升，水環境數值模型在我國各領域的應用將不斷增加。為提高中國水環境模型領域的自主研發能力，避免資源的浪費，提高模型的復用性，建立中國國家或行業標準的水環境模型指導規范顯得尤為迫切;而基于OpenMI構建耦合模型，參與到耦合模型的國際標準和規范制定工作中，也是中國水環境模型領域的一項重要工作。

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（編輯：劉 媛）

Review on water environment numerical models coupling technology

CHEN Qiliang1，WANG Yonggui2，JIANG Weimin1，XIA Wei1，SUN Yantao1

（1.Sixth Design Institute，Shanghai Municipal Engineering Design Institute Group Co.，Ltd.，Hefei 230061，China; 2.Hubei Key Laboratory of Critical Zone Evolution，School of Geography and Information Engineering，China University of Geosciences，Wuhan 430074，China）

Abstract：

Water environment numerical model coupling technology is an important method for complicated environmental assessment，prediction，early warning and support of environmental management decisions.A lot of researches on coupling models have been done at home and abroad.However，the theoretical frame of coupling model is still lack of systematic elaboration.The concept and category of coupling mode of water environment model is analyzed.With concluding the types of water environment model coupling，it is found that the tight coupling and loose coupling are the two main coupling modes from the perspective of coupling degree.From the view of coupled mode，the coupling based on mechanism processes and spatial correlation are two major coupling types.Comparing the technical characteristics of different coupling types，it is found that the loose coupling is the main way of coupling water environment models.It is considered that the gradually standardization is the main development trend of water environment model coupling in the future.

Key words：

water environment;numerical model;model coupling technology;research advance;Review