陳奇良 王永桂 江偉民 夏煒 孫艷濤

摘要：水環(huán)境數(shù)值模型耦合技術(shù)是拓展單個(gè)模型功能，開展復(fù)雜條件下水環(huán)境評(píng)估、預(yù)測(cè)、預(yù)警，支撐環(huán)境管理決策的重要工具。國(guó)內(nèi)外學(xué)者開展了大量的耦合模型工作，但對(duì)耦合模型的理論體系尚缺乏系統(tǒng)的闡述。通過解析水環(huán)境耦合的概念，歸納了水環(huán)境模型的耦合方式。按照耦合度將水環(huán)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(huán)境模型耦合分為基于機(jī)理過程的耦合和基于空間關(guān)系的耦合。對(duì)不同水環(huán)境模型耦合方式的技術(shù)特征、研究進(jìn)展進(jìn)行了描述和對(duì)比，探討了當(dāng)前水環(huán)境模型耦合存在的不足和發(fā)展趨勢(shì)。分析表明松散耦合是當(dāng)前水環(huán)境模型耦合的主要方式，實(shí)現(xiàn)水環(huán)境模型耦合的標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化將是水環(huán)境數(shù)值模型耦合的發(fā)展趨勢(shì)。

關(guān) 鍵 詞：水環(huán)境; 數(shù)值模型; 模型耦合; 研究進(jìn)展; 綜述

中圖法分類號(hào)： V146.5

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.06.002

隨著數(shù)值計(jì)算技術(shù)的不斷發(fā)展，具有動(dòng)力學(xué)機(jī)理的環(huán)境數(shù)值模型成為近年來水環(huán)境領(lǐng)域使用最廣泛的方法。其中，水環(huán)境數(shù)值模型（本文簡(jiǎn)稱水環(huán)境模型）是基于水循環(huán)機(jī)理構(gòu)建的、應(yīng)用于水環(huán)境領(lǐng)域的數(shù)值模型，包括流域水文模型、城市雨水管網(wǎng)模型、水體水動(dòng)力水質(zhì)模型、地下水模型等。水環(huán)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(tài)環(huán)境評(píng)估等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。水環(huán)境是一個(gè)受氣象、陸地和水體中各種要素綜合影響的復(fù)雜系統(tǒng)，縱觀現(xiàn)有模型，仍然缺乏一套能滿足水環(huán)境陸地和水體綜合模擬需求的模型體系[1]。這就需要在實(shí)際應(yīng)用中，根據(jù)應(yīng)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(lǐng)域的模型，支撐水環(huán)境領(lǐng)域的業(yè)務(wù)開展，服務(wù)于水系統(tǒng)的科學(xué)研究是當(dāng)前水環(huán)境模型應(yīng)用的重要手段[2]。自數(shù)值模型應(yīng)用以來，模型耦合技術(shù)一直備受關(guān)注，大量學(xué)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(bào)道對(duì)當(dāng)前主流的模型耦合技術(shù)進(jìn)行綜述?？偨Y(jié)水環(huán)境模型耦合主要技術(shù)方法，探討模型耦合未來的發(fā)展方向，對(duì)于水環(huán)境模型耦合方式的選擇和合理應(yīng)用有著重要的意義。

1 水環(huán)境模型耦合的概念

長(zhǎng)期以來，水環(huán)境領(lǐng)域都在談?wù)撃Ｐ偷鸟詈虾图桑苌儆腥藢ｉT針對(duì)環(huán)境模型的耦合展開研究。耦合（coupling），可以表達(dá)為用于描述兩個(gè)或兩個(gè)以上相互聯(lián)系的對(duì)象，既可以是一種現(xiàn)象也可以表達(dá)對(duì)象之間的聯(lián)立過程[3-4]。水環(huán)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(huán)境模型耦合技術(shù)，認(rèn)為水環(huán)境模型耦合是指將兩個(gè)或多個(gè)有關(guān)聯(lián)的與水有關(guān)的數(shù)值模型（或模型算法）連接起來，以實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜水環(huán)境模擬的過程。通過耦合，能將各個(gè)分離的模型、模型模塊或者模擬不同內(nèi)容的理論算法集成到一個(gè)相互關(guān)聯(lián)的、統(tǒng)一和協(xié)調(diào)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(shí)際應(yīng)用要求。

2 水環(huán)境模型耦合的方法

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

2.1 基于耦合度的水環(huán)境模型耦合

2.1.1 緊密耦合

水環(huán)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(jìn)行耦合求解。這類耦合方式主要是以水動(dòng)力耦合水質(zhì)或泥沙模型為主。在緊密耦合模型中，水動(dòng)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(duì)流擴(kuò)散方程或者泥沙輸移方程中，進(jìn)而求解得到水質(zhì)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(kù)塔法和五階龍格庫(kù)塔質(zhì)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(gè)計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)內(nèi)，會(huì)將條件模型的結(jié)果輸入到另一個(gè)模型中進(jìn)行方程求解，這種方式能更精細(xì)地反映水動(dòng)力變化過程對(duì)水質(zhì)、泥沙等物理過程的影響。如利用圣維南（Saint-Venant）方程組為基礎(chǔ)開發(fā)水動(dòng)力模塊，將水動(dòng)力模塊得到的流速嵌入到水質(zhì)模塊污染物擴(kuò)散方程中，最終聯(lián)立求解，能精確模擬污染物的擴(kuò)散和演進(jìn)情況[11-12]。但由于緊密耦合需要將條件模型結(jié)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(lián)立求解，相當(dāng)于重新構(gòu)建一套新的模型。這對(duì)模型應(yīng)用的專業(yè)程度要求高，且需要進(jìn)行模型的二次開發(fā)，要求應(yīng)用者掌握模型的基本原理，或擁有不同模型的源代碼。實(shí)際模型應(yīng)用中，這種要求很少能滿足，因此緊密耦合模型研究和應(yīng)用相對(duì)較少。

2.1.2 松散耦合

水環(huán)境模型松散耦合中，需要將不同模型獨(dú)立封裝，然后通過調(diào)用可執(zhí)行程序或者動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)的方式進(jìn)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(duì)簡(jiǎn)單，已成為是當(dāng)前廣泛應(yīng)用的模型耦合技術(shù)，如Dixon等提出了水文模型的松散耦合系統(tǒng)[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(yùn)行，用戶不需要知道模型內(nèi)部原理細(xì)節(jié)，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(dú)立運(yùn)行，又能相互配合，共同模擬，解決復(fù)雜的水環(huán)境問題。

開展水環(huán)境的松散耦合，前提是能了解當(dāng)前主流的模式，根據(jù)業(yè)務(wù)應(yīng)用需求和不同模型特點(diǎn)與適用范圍，選擇合適的模型。水環(huán)境數(shù)值模型從理論和方法的提出到現(xiàn)在廣泛的應(yīng)用，已經(jīng)經(jīng)過了長(zhǎng)期的發(fā)展過程，誕生了種類繁多的模型體系。按照水環(huán)境模型的應(yīng)用范圍，可以分為陸地水環(huán)境模型和水體水動(dòng)力水質(zhì)模型兩個(gè)方面。陸地水環(huán)境領(lǐng)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(yīng)用廣泛[16]。水文模型和非點(diǎn)源模型在陸源解析、海綿城市建設(shè)、低影響開發(fā)等方面做出了重要的貢獻(xiàn)。水體水動(dòng)力水質(zhì)模型領(lǐng)域可以分為地表水動(dòng)力水質(zhì)模型和地下水動(dòng)力水質(zhì)模型。其中，地表水動(dòng)力水質(zhì)模型有零維、一維、二維和三維等不同的結(jié)構(gòu)。一維模型（諸如WASP、MIKE11、QUAL2E和QUAL2K等），二三維水動(dòng)力水質(zhì)模型（如EFDC、ECOM、MIKE21、Delft3d、RCA等）廣泛應(yīng)用于河流、湖泊、河口、海洋的水動(dòng)力模擬或水質(zhì)水生態(tài)評(píng)估預(yù)測(cè)中[17]。地下水模型主要用于地下三維水流、溶質(zhì)運(yùn)移和反映運(yùn)移模擬，如Modelflow、HST3D等應(yīng)用廣泛。綜合國(guó)內(nèi)外主流水環(huán)境模型的應(yīng)用范圍、模型功能、開源性，分析其耦合對(duì)象，如表1所列[18]。

從表1可以看出，不同的水環(huán)境模型功能不同，開源性差別較大，適用的區(qū)域各異。在開展水環(huán)境模型的松散耦合過程中，需要針對(duì)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(gè)模型無法模擬的水環(huán)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(dòng)力水質(zhì)模型網(wǎng)格邊界的連接，能同時(shí)進(jìn)行流域輸沙量、氮、磷負(fù)荷量和水體中污染物遷移演進(jìn)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(jìn)行水文和非點(diǎn)源模擬[20]。一般地，利用不同的模型進(jìn)行復(fù)雜水環(huán)境的模擬計(jì)算，可以不考慮模型的開源性;而如果需要對(duì)模型進(jìn)行改動(dòng)，或者將不同模型整合成可供軟件系統(tǒng)調(diào)用的模型模塊，則需要采用開源模型進(jìn)行耦合。松散耦合雖然應(yīng)用廣泛，操作簡(jiǎn)便，但由于將水循環(huán)模擬的機(jī)理過程用不同的模型進(jìn)行描述，通過輸入輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行模型的連接會(huì)帶來較大的不確定性;另一方面，由于松散耦合的模型對(duì)象的開發(fā)單位不同、開發(fā)語(yǔ)言各異，需要根據(jù)模型的接口開展大量的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換工作和IO運(yùn)算，這在一定程度上會(huì)降低耦合模型的整體運(yùn)行效率。

2.2 基于耦合對(duì)象的水環(huán)境模型耦合

根據(jù)耦合的對(duì)象，可以將水環(huán)境模型耦合劃分為基于機(jī)理過程的耦合和基于空間關(guān)系的耦合兩種基本形式。

2.2.1 基于機(jī)理過程的模型耦合

基于機(jī)理過程耦合，即按照水或物質(zhì)循環(huán)與能量流動(dòng)的物理化學(xué)過程，進(jìn)行不同類型的模型或算法的耦合。如水循環(huán)中，降雨是驅(qū)動(dòng)水文徑流的主要因素，徑流沖刷則帶來非點(diǎn)源污染，而非點(diǎn)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(diǎn)源模型和水體水動(dòng)力水質(zhì)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(jié)果的可稱為條件模型，接受另一個(gè)模型結(jié)果輸入的模型可稱為接納模型。

基于機(jī)理過程的模型耦合中，由于條件模型和接納模型模擬的區(qū)域?qū)ο蟛灰恢?，如水文模型模擬陸地地表而水動(dòng)力水質(zhì)模型則模擬河網(wǎng)或管網(wǎng)，因此需要明確不同區(qū)域?qū)ο笾g的相關(guān)性，開展空間匹配。一般地，基于機(jī)理過程的模型耦合包括兩個(gè)核心步驟。

（1） 空間匹配：劃分模型的計(jì)算單元，根據(jù)不同模型之間計(jì)算單元的空間關(guān)系，查找與接納模型的入口計(jì)算單元相匹配的條件模型出口計(jì)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(duì)應(yīng)關(guān)系。

（2） 模型接口中間件構(gòu)建：根據(jù)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(zhuǎn)換中間件，將條件模型結(jié)果轉(zhuǎn)換為接納模型可直接讀取的文件，供接納模型調(diào)用。

基于機(jī)理過程的模型耦合，是水環(huán)境模型耦合應(yīng)用的主要方式。如解決城市內(nèi)澇問題，模擬降雨對(duì)城市管網(wǎng)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(jī)理過程，選擇流域水文模型、地表二維水動(dòng)力模型以及城市管網(wǎng)模型，進(jìn)行模擬工作。Bisht等[24]利用SWMM模型耦合MIKE URBAN模型，進(jìn)行了極端暴雨城市區(qū)域內(nèi)澇的影響模擬;程龍等[25]則耦合SWMM、Mike Urban、Mike21等模型，進(jìn)行了小寨區(qū)域內(nèi)澇的年徑流控制率和管網(wǎng)排水能力分析?；跈C(jī)理過程的耦合能解決復(fù)雜環(huán)境下單項(xiàng)模型無法完成的模擬任務(wù)，在流域和城市規(guī)劃管理、防洪排澇、防災(zāi)減災(zāi)以及大尺度流域研究中，具有極大的應(yīng)用價(jià)值。

2.2.2 基于空間關(guān)系的模型耦合

基于空間關(guān)系的耦合，指同類型模型在應(yīng)用過程中，采用粗單元嵌套細(xì)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(dòng)力水質(zhì)模型領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛。如李若男等[26]利用一維河網(wǎng)水動(dòng)力水質(zhì)模型耦合二維水動(dòng)力水質(zhì)模型，研究水庫(kù)調(diào)度的影響;張防修等[27]通過構(gòu)建主槽一維和灘地二維耦合模型，快速模擬復(fù)式河道大尺度漫灘洪水。基于空間關(guān)系的耦合主要利用邊界搭接實(shí)現(xiàn)不同模型計(jì)算單元的空間耦合，通過邊界搭接相互提供邊界條件，一個(gè)模型出口即為另一個(gè)模型的進(jìn)口。在搭接邊界上，設(shè)定耦合模型共有的過渡單元，該單元中，通過補(bǔ)充物理變量實(shí)現(xiàn)模型的耦合。通常地，在不同分辨率的計(jì)算單元空間搭接過程中，需要設(shè)定水文和流量鏈接條件，確保動(dòng)量和能量守恒。

（1） 設(shè)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(yīng)該是相等的。

（2） 設(shè)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(jì)算網(wǎng)格模擬的流量之和。

基于空間關(guān)系的模型耦合，利用一維模型或者粗尺度計(jì)算單元，能快速模擬長(zhǎng)時(shí)間段大范圍的水量水質(zhì)變化過程，從而回答宏觀的水環(huán)境演變問題。在此基礎(chǔ)上，對(duì)于局部重要區(qū)域或者大型水體，則采用二三維模型進(jìn)行精細(xì)模擬，以回答粗尺度模型無法反映的細(xì)節(jié)問題。如曹菊萍等[28]通過分析太湖流域平原河網(wǎng)特點(diǎn)，建立了耦合一維河網(wǎng)和二維太湖的太湖流域水量水質(zhì)數(shù)學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)了對(duì)流域平原河網(wǎng)地區(qū)河湖水量、水質(zhì)的聯(lián)合計(jì)算，在太湖流域重要河湖河道內(nèi)年度水量分配中進(jìn)行了應(yīng)用。基于空間關(guān)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(shí)現(xiàn)按照水環(huán)境管理業(yè)務(wù)的需求，提供模擬結(jié)果，拓展了水環(huán)境模型的應(yīng)用范圍，提升了其實(shí)際應(yīng)用效果。

3 水環(huán)境模型耦合的發(fā)展

通過模型耦合，雖然能實(shí)現(xiàn)不同模型之間的連接，模擬更加復(fù)雜的水環(huán)境現(xiàn)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(jī)構(gòu)研發(fā)，模型的輸入輸出方法和格式各異、模型的開發(fā)語(yǔ)言多樣，耦合不同機(jī)構(gòu)研發(fā)的模型，極易出錯(cuò)。其次，模型耦合應(yīng)用過程中，使用者的經(jīng)驗(yàn)和認(rèn)知成為影響耦合模型精確度的重要因素，常常出現(xiàn)將不適用于某一區(qū)域或者領(lǐng)域的模型耦合應(yīng)用到不恰當(dāng)?shù)膶?duì)象中，造成模型模擬效果差的問題。

隨著水環(huán)境模型在水環(huán)境管理中的作用愈發(fā)明顯，應(yīng)用不斷增加，模型開發(fā)和應(yīng)用者逐漸認(rèn)識(shí)到，有必要建立一套標(biāo)準(zhǔn)化的規(guī)則，以準(zhǔn)確地指導(dǎo)和規(guī)范不同模型的耦合應(yīng)用。為此，歐盟水框架委員會(huì)建立了開放式模型接口（Open Modeling Interface，簡(jiǎn)稱Open-MI）[29]。OpenMI提供了一種實(shí)現(xiàn)水文、水力、水質(zhì)、水生態(tài)環(huán)境等不同領(lǐng)域模塊構(gòu)成集成系統(tǒng)的連接機(jī)制，用以解決復(fù)雜系統(tǒng)中各計(jì)算模塊之間的連接和數(shù)據(jù)交互問題。通過OpenMI的標(biāo)準(zhǔn)化接口進(jìn)行模型耦合，可以在不受具體的模塊開發(fā)背景或技術(shù)平臺(tái)限制的條件下，實(shí)現(xiàn)不同類型、不同領(lǐng)域、不同標(biāo)準(zhǔn)模塊的相互連接。國(guó)外眾多模型開發(fā)機(jī)構(gòu)，認(rèn)可了OpenMI規(guī)范，大量學(xué)者開展了基于OpenMI的模型的耦合工作[30-31];我國(guó)在這一方面，還處于對(duì)OpenMI的探索和初步應(yīng)用階段[32]，但對(duì)OpenMI的關(guān)注不斷增加?？v觀國(guó)內(nèi)外的模型耦合應(yīng)用可以看出，OpenMI等規(guī)范化接口能方便地對(duì)已有的水環(huán)境模型進(jìn)行改造與移植，從而提高系統(tǒng)開發(fā)效率，降低系統(tǒng)開發(fā)成本，提升水環(huán)境模型耦合的可行性和有效性。隨著水環(huán)境模型耦合需求和不同模型之間的聯(lián)立應(yīng)用不斷增加，水環(huán)境模型耦合的規(guī)范化和標(biāo)準(zhǔn)化，將是未來數(shù)值模型發(fā)展的重要方向之一。

另一方面，隨著水生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)體系的建設(shè)和發(fā)展，尤其是自動(dòng)化水質(zhì)站點(diǎn)的全面鋪開，實(shí)時(shí)、海量的水生態(tài)環(huán)境數(shù)據(jù)將為水環(huán)境領(lǐng)域的計(jì)算打開新的窗口。非機(jī)理性的統(tǒng)計(jì)學(xué)模型、灰色系統(tǒng)、大數(shù)據(jù)分析以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等算法煥發(fā)出了新的生機(jī)，得到了大量的應(yīng)用[33-34]。機(jī)理模型和非機(jī)理模型優(yōu)勢(shì)各異，機(jī)理模型能反映復(fù)雜條件下不同因素對(duì)水環(huán)境的影響，但存在不確定性大、輸入條件復(fù)雜等問題;非機(jī)理模型則能針對(duì)數(shù)據(jù)之間的相關(guān)性和數(shù)據(jù)本身的特點(diǎn)進(jìn)行分析，但無法回答復(fù)雜條件下的機(jī)理過程問題。因此，充分利用機(jī)理模型和非機(jī)理模型的特點(diǎn)進(jìn)行二者的耦合，以實(shí)現(xiàn)水環(huán)境模型的參數(shù)優(yōu)化、效率優(yōu)化、減少模型結(jié)果的殘差，在近年來多有開展。如鄒銳等[35]構(gòu)建了EFDC-神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（NN）耦合模型，用于撫仙湖流域水質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)分析，取得了較好的模型精度;Shaw 等[36]通過人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化水質(zhì)模型CE-QUAL-W2，并與遺傳算法相結(jié)合，用于多用途水庫(kù)的DO模擬，提高了水質(zhì)模型的模擬效率;Jang等[37]利用蟻群算法（PSO）對(duì)SWAT模型進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了數(shù)值模型的高效優(yōu)化和參數(shù)調(diào)整。這些研究表明，在水文氣象水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)不斷發(fā)展的背景下，機(jī)理模型和非機(jī)理模型的耦合應(yīng)用相比于單一模型，表現(xiàn)出更大的優(yōu)勢(shì)。為提升水環(huán)境模型的模擬與應(yīng)用能力，引入大數(shù)據(jù)分析、人工智能領(lǐng)域的相關(guān)技術(shù)，將成為水環(huán)境模型應(yīng)用發(fā)展的另一重要方向。

4 結(jié) 語(yǔ)

模型耦合是應(yīng)對(duì)復(fù)雜水環(huán)境評(píng)價(jià)、管理和決策需要，進(jìn)行水環(huán)境數(shù)值模擬的主要手段。本文解析了水環(huán)境耦合模型的概念，探討了水環(huán)境模型耦合的方式，分析了緊密耦合、松散耦合、基于機(jī)理過程的耦合和基于空間關(guān)系耦合等耦合技術(shù)進(jìn)展和特點(diǎn)，同時(shí)，分析了水環(huán)境模型耦合的發(fā)展方向。本文的研究表明：松散式耦合具有操作方便、編程簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，是當(dāng)前主流的模型耦合方式;水環(huán)境模型的耦合將向著與大數(shù)據(jù)分析技術(shù)、人工智能技術(shù)深度融合，并呈現(xiàn)出規(guī)范化和標(biāo)準(zhǔn)化的趨勢(shì)發(fā)展。

隨著中國(guó)對(duì)生態(tài)環(huán)保、水利等領(lǐng)域數(shù)據(jù)計(jì)算要求的提升，水環(huán)境數(shù)值模型在我國(guó)各領(lǐng)域的應(yīng)用將不斷增加。為提高中國(guó)水環(huán)境模型領(lǐng)域的自主研發(fā)能力，避免資源的浪費(fèi)，提高模型的復(fù)用性，建立中國(guó)國(guó)家或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的水環(huán)境模型指導(dǎo)規(guī)范顯得尤為迫切;而基于OpenMI構(gòu)建耦合模型，參與到耦合模型的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范制定工作中，也是中國(guó)水環(huán)境模型領(lǐng)域的一項(xiàng)重要工作。

參考文獻(xiàn)：

[1] 王永桂，張瀟，張萬順.基于河長(zhǎng)制的流域水環(huán)境精細(xì)化管理理念與需求[J].中國(guó)水利，2018（4）：26-28.

[2] 蔣洪強(qiáng)，吳文俊，姚艷玲，等.耦合流域模型及在中國(guó)環(huán)境規(guī)劃與管理中的應(yīng)用進(jìn)展[J].生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào)，2015（3）：539-546.

[3] SOMOT S，SEVAULT F，DéQUé M，et al.21st century climate change scenario for the Mediterranean using a coupled atmosphere-ocean regional climate model[J].Global & Planetary Change，2008，63（2）：112-126.

[4] FERRANTE A，Elghobashi S.On the physical mechanisms of two-way coupling in particle-laden isotropic turbulence[J].Physics of Fluids，2003，15（2）：315.

[5] FUSARELLI L D.Tightly coupled policy in loosely coupled systems：institutional capacity and organizational change[J].Journal of Educational Administration，2002，40（6）：561-575.

[6] 夏軍，翟曉燕，張永勇.水環(huán)境非點(diǎn)源污染模型研究進(jìn)展[J].地理科學(xué)進(jìn)展，2012（7）：110-121.

[7] 李云良，張奇，姚靜，等.湖泊流域系統(tǒng)水文水動(dòng)力聯(lián)合模擬研究進(jìn)展綜述[J].長(zhǎng)江流域資源與環(huán)境，2015（2）：263-270.

[8] WANG Y，ZHANG W，ZHAO Y，et al.Modelling water quality and quantity with the influence of inter-basin water diversion projects and cascade reservoirs in the Middle-lower Hanjiang River[J].Journal of Hydrology，2016（541）：1348-1362.

[9] 馮建強(qiáng)，孫詩(shī)一.四階龍格—庫(kù)塔法的原理及其應(yīng)用[J].數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)與研究，2017（17）：3-5.

[10] 左其亭，夏軍.陸面水量-水質(zhì)-生態(tài)耦合系統(tǒng)模型研究[J].水利學(xué)報(bào)，2002，33（2）：61-65.

[11] 賴錫軍，汪德爟.非恒定水流的一維、二維耦合數(shù)值模型[J].水利水運(yùn)工程學(xué)報(bào)，2002（2）：48-51.

[12] GALELLI S，CASTELLETTI A，GOEDBLOED A.High-performance integrated control of water quality and quantity in urban water reservoirs[J].Water Resources Research，2016，51（11）：9053-9072.

[13] DIXON B，UDDAMERI V.Loosely coupled hydrologic model[M].Newjersy：Wiley Onlin Library，2016.

[14] ALCARAZ M，VáZQUEZ-SUé E，VELASCO V，et al.A loosely coupled GIS and hydrogeological modeling framework[J].Environmental Earth Sciences，2017，76（11）：382.

[15] 袁樹堂，謝飛帆，劉新有.SWAT模型在金沙江上游小流域徑流模擬中的應(yīng)用[J].人民長(zhǎng)江，2015，46（13）：17-20.

[16] 陳煉鋼，施勇，錢新，等.閘控河網(wǎng)水文-水動(dòng)力-水質(zhì)耦合數(shù)學(xué)模型：Ⅰ.理論[J].水科學(xué)進(jìn)展，2014，25（4）：534-541.

[17] 李云生，劉偉江，吳悅穎，等.美國(guó)水質(zhì)模型研究進(jìn)展綜述[J].水利水電技術(shù)，2006，37（2）：68-73.

[18] 李一平，龔然，保羅.地表水環(huán)境數(shù)值模擬與預(yù)測(cè)-EFDC建模技術(shù)及案例實(shí)訓(xùn)[M].北京：科學(xué)出版社，2019：9-10.

[19] 王曉青，李哲.SWAT與MIKE21耦合模型及其在澎溪河流域的應(yīng)用[J].長(zhǎng)江流域資源與環(huán)境，2015，24（3）：426-432.

[20] 張曉波，盛海峰.城市市政排水與區(qū)域排澇水動(dòng)力耦合模型研究[J].人民長(zhǎng)江，2015，46（18）：15-19.

[21] SEMIROMI M T，KOCH M.Analysis of spatio-temporal variability of surface-groundwater interactions in the Gharehsooriver basin，Iran，using a coupled SWAT-MODFLOW model[J].Environmental Earth Sciences，2019，78（6）：201.

[22] 初京剛，張弛，周惠成.SWAT與MODFLOW模型耦合的接口及框架結(jié)構(gòu)研究及應(yīng)用[J].地理科學(xué)進(jìn)展，2011（3）：81-88.

[23] GUZMAN J A，MORIASI D N，GOWDA P H，et al.A model integration framework for linking SWAT and MODFLOW[J].Environmental Modelling & Software，2015，73（C）：103-116.

[24] DEEPAK S B，CHANDRANATH C，PAWAN U，et al.Modeling urban floods and drainage using swmm and mike urban：a case study[J].Natural Hazards，2016，84（2），749-776.

[25] 程龍，王盼，詹存.小寨區(qū)域海綿城市數(shù)值模擬研究[J].西北水電，2018（3）：79-84

[26] 李若男，陳求穩(wěn)，蔡德所，等.水庫(kù)運(yùn)行對(duì)下游河道水環(huán)境影響的一維-二維耦合水環(huán)境模型[J].水利學(xué)報(bào)，2009，40（7）：769-775.

[27] 張防修，韓龍喜，王明，等.主槽一維和灘地二維側(cè)向耦合洪水演進(jìn)模型[J].水科學(xué)進(jìn)展，2014，25（4）：560-566.

[28] 曹菊萍，李昊洋，彭焱梅，等.太湖流域重要河湖河道內(nèi)年度水量分配擬定初步探索[J].中國(guó)水利，2019（5）：13-21

[29] CASTRONOVA A M，GOODALL J L，ERCAN M B.Integrated modeling within a hydrologic information system：An OpenMI based approach[J].Environmental Modeling & Software，2013（39），263-273.

[30] MOORE R V，TINDALL C I.An overview of the open modelling interface and environment（the OpenMI）[J].Environmental Science & Policy，2005，8（3）：279-286.

[31] BUAHIN C A，HORSBURGH J S.Evaluating the simulation times and mass balance errors of component-based models：An application of OpenMI 2.0 to an urban stormwater system[J].Environmental Modelling & Software，2015，72（C）：92-109.

[32] 顏停霞，許金朵，林晨，等.OpenMI技術(shù)在水文模型集成中的研究進(jìn)展[J].南水北調(diào)與水利科技，2016，14（5）：13-17.

[33] LI B，ZENG Y F，ZHANG B B.A risk evaluation model for karst groundwater pollution based on geographic information system and artificial neural network applications[J].Environmental Earth Sciences，2018，77（9）：344.

[34] SANGHOON L，KANG-KUN L，HEESUNG Y.Using artificial neural network models for groundwater level forecasting and assessment of the relative impacts of influencing factors[J].Hydrogeology Journal，2018，27（1-4）：567-579

[35] 鄒銳，張曉玲，劉永，等.撫仙湖流域負(fù)荷削減的水質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)分析[J].中國(guó)環(huán)境科學(xué)，2013，33（9）：1721-1727.

[36] SHAW A R，SMITH SAWYER H，LEBOEUF E J，et al.B.Hydropower optimization using artificial neural network surrogate models of a high-fidelity hydrodynamics and water quality model[J].Water Resources Research，2017，53（11）：9444-9461.

[37] JANG W，LEE Y G，KIM S.Evaluation of multi-objective PSO algorithm for SWAT auto-calibration[J].Journal of Korea Water Resources Association，2018，51（9）：803-812.

（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