Page 128 - 2025年第56卷第10期

2.5 模型耦合与代码封装 SERGHEI-SWMM 采用松散耦合策略，将地表径流模块与管道排水模块以
顺 序 计 算 的 方 式 集 成 ， 该 耦 合 方 式 可 为 模 型 后 续 功 能 扩 展 提 供 较 高 的 灵 活 性 。 同 时 ， SERGHEI-
SWMM 通过在源码层面对地表与管道模块的计算流程进行直接耦合，有效减少了计算结果的重复读取
与频繁传输。在 SERGHEI-SWMM 中，交换水量 Q e 计算完成后，地表水深和雨水井节点水深的更新过
程包括以下两种情形：（1）当地表径流通过雨水井节点进入排水管道时，该节点对应的地表网格水深
t
需要扣除交换水量 Q e 与网格面积 A 的比值，即 h t + 1 = h - Q e /A，t 表示当前时间步。同时，该交换水量
Q e 作为入流项添加到对应雨水井节点；（2）当排水管道因过载发生溢流时，溢流水量 Q e 按节点添加到
t
对应地表网格的水深，即 h t + 1 = h + Q e /A，此时，需将交换水量作为出流项添加到雨水井节点。
在代码封装方面，SERGHEI-SWMM 模型采用 Kokkos 框架，通过 GPU 调用指令实现设备选择，确
保代码根据不同硬件设备进行针对性编译与优化。随后，根据所选设备灵活配置内存空间，从而在统
一的数据结构基础上开展高效计算。在计算阶段，地
表径流模块、管道排水模块以及一维与二维水量交换
过程均采用 Kokkos 框架提供的并行模式（如 Kokkos：：
parallel_for、Kokkos：：parallel_reduce）实现并行计算
与数值累加（图 2），同时借助 Kokkos：：fence 等机制
对数据进行同步与复制。该设计不仅提升了模型的计
算效率，也增强了其在不同硬件平台上的可移植性，
为城市洪涝模拟的跨平台应用提供了重要技术支持。
在 SERGHEI-SWMM 中，耦合时间步长根据地表
图 2 SERGHEI-SWMM 架构
径流模块与管道排水模块的时间步长决定。在城市洪
涝过程中，地表径流流动特征复杂且多变，而城市排水主干管通常较长，内部流态变化相对缓慢。因
此，通常情况下，管道水流计算的时间步长大于地表径流计算的时间步长 ［36］ 。然而，当管道内出现高
流速或超临界流等复杂流态条件时，其时间步长同样受到严格限制。为保证两个模块的数值稳定性及
物理一致性，SERGHEI-SWMM 采用两者时间步长中的较小值作为耦合时间步长。

3 模型验证与案例应用

3.1 基准算例验证 为验证 SERGHEI-SWMM 中一维与二维水量交换计算的准确性，本节选取两个现
有的一二维耦合模型作为参考进行对比。参考模型一为英国 Wallingford Software 开发的 InfoWorks ICM
模型，该模型经过 20 多年的发展，已被广泛应用于流域综合管理的城市排水模拟 ［37］ ；参考模型二为
王小杰等 ［13］ 开发的一二维双向耦合模型，该模型通过耦合地表二维水动力模型与 SWMM，能够准确模
拟城市洪涝演进过程。本节采用喻海军 ［38］ 提出的基准算例进行验证（图 3），该算例包含 1 个入水口节
点（N1）、1 个排水口节点（N6）、4 个雨水井节点（N2—N5）以及 6 条管道（L1—L6），6 条管道的长度各
为 100 m，糙率为 0.013，算例的具体设置信息详
见文献［38］。在本模型中，雨水井面积设为 0.06 m ，
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周长设为 1.0 m，堰流系数 C w 与孔流系数 C o 均取
0.5。入水口节点流量设定为 1.0 m /s，地表初始无
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积水，模拟时长为 48 h，模拟过程中存在管道溢

流与地表水回流现象。
算 例 模 拟 计 算 在 搭 载 Intel Core i9-12900K 处
理器的设备上进行，计算稳定阶段，地表径流模
块与管道排水模块采用的时间步长分别约为 0.02
和 18 s。 表 2 为 模 拟 结 束 时 刻 各 管 道 的 流 量 模 拟 图 3 基准算例模拟区域示意图（单位：m）

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