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水 利 学 报

2025 年 10 月 SHUILI XUEBAO 第 56 卷 第 10 期

文章编号：0559-9350（2025）10-1372-11

SERGHEI-SWMM：并行计算与

可移植性城市洪涝模型及其应用

郑 哪 ，王俊博 ，李小宁 ，李 博 ，李 质 ，刘曙光 1
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（1. 同济大学 土木工程学院，上海 200092；2. 江苏大学 环境与安全工程学院（应急管理学院），江苏 镇江 212013）
摘要：随着气候变化的不确定性日益加剧，极端天气引发的洪涝灾害已成为制约城市韧性提升的重要因素。城市
洪涝模拟模型作为评估洪涝灾害风险、支撑城市防灾减灾系统、提升城市应急管理能力的关键工具，其计算方法
已趋于成熟。然而，当前广泛应用于城市洪涝模拟的管道排水与地表径流耦合模型在多样化的高性能计算硬件架
构上缺乏良好的可移植性。本研究基于 Kokkos 异构并行计算框架，构建了一维管道排水与二维地表径流耦合的水
动力模型 SERGHEI-SWMM。首先，通过基准算例验证，SERGHEI-SWMM 模拟结果与 InfoWorks ICM 等模型的相
对差值均低于 9%。随后，以同济大学校园为研究区域，建立了其一维管道与二维地表耦合的洪涝模型，并结合
洪涝实测数据对模型进行率定及验证。结果表明，该模型能够准确模拟洪涝过程中地表径流与地下管流之间的交
换以及积水的时空演变特征，在不同 CPU 与 GPU 硬件架构上均表现出良好的并行性能与可移植性。本研究成果可
为城市洪涝灾害风险评估提供高效、可靠的技术支撑，也为后续城市洪涝的实时预报预警奠定了基础。
关键词：城市洪涝；耦合模型；可移植性；并行计算；CPU/GPU 异构计算

中图分类号：P333.9 文献标识码：A doi：10.13243/j.cnki.slxb.20250034

1 研究背景

近年来，气候变化与人类活动加剧导致城市洪涝频发 。随着城镇化的深入，城市孕灾环境发生
［1］
剧烈变化，极端暴雨引发洪涝灾害损失的不确定性也随之增大 。其中，下垫面不透水面积比例的大
［2］
幅上升以及排水系统设计标准偏低等因素，进一步提高了城市洪涝发生的可能性 ［3-4］ 。同时，城市人
口和资源高度集中，一旦发生洪涝事件，将严重威胁城市安全 ［5-6］ 。城市洪涝模拟的研究与发展可为
降低城市洪涝灾害损失提供技术支撑，对提升城市洪涝韧性有着重要意义。
基于水动力学的数值模型能够模拟积水深度及淹没范围的动态变化，已成为研究城市洪涝问题的
重要工具 。当前城市洪涝模拟中，通常采用一维管道排水计算与二维地表径流耦合的方法构建一二
［7］
［8］
维耦合模型，以实现对城市管网排水与地表产汇流的全过程精细化模拟 。Storm Water Management
Model（SWMM）作为经典的城市雨水管理开源模型，能较为准确地模拟城市管网排水过程 ，目前已广
［9］
泛应用于一二维耦合模型的构建。李鑫月等 ［10］ 通过耦合 GAST 与 SWMM 模型，分析了极端设计降雨条
件下黄土高原某狭谷城市的洪涝演进过程。郑茂辉等 ［11］ 通过耦合 SWMM 与 LISFLOOD-FP 模型并结合
实测降雨数据，重现了上海市外高桥地区内涝从形成至消退的全过程。Wang 等 ［12］ 基于 Telemac-2D 与
SWMM 模型，构建了地表与管道双向耦合模型，并成功应用于南京某城区的积水模拟。王小杰等 ［13］ 耦
合地表二维水动力模型与 SWMM，根据地表径流与管道之间实际的交互过程，实现了二者的双向

收稿日期：2025-03-14；网络首发日期：2025-09-18
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网络首发地址：https：/link.cnki.net/urlid/11.1882.TV.20250917.1430.001
基金项目：国家重点研发计划项目（2022YFC3803001）；国家自然科学基金青年项目（42207057）；江苏大学高级人才基金项目
（JDKQ20240405）
作者简介：郑哪（1998—），博士生，主要从事城市洪涝模拟研究。E-mail：zhengna@tongji.edu.cn
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