楊 芳，宋利祥，李旭東，張 煒

（1.水利部珠江水利委員會(huì)珠江水利科學(xué)研究院，510611，廣州；2.水利部粵港澳大灣區(qū)水安全保障重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（籌），510611，廣州；3.水利部珠江河口治理與保護(hù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，510611，廣州）

一、“四預(yù)”系統(tǒng)中水利專業(yè)模型定位和作用

1.珠江流域水旱災(zāi)害特點(diǎn)

珠江由西江、北江、東江及珠江三角洲諸河組成，珠江三角洲呈“三江匯流、八口出海、河網(wǎng)密布、徑潮交匯”的特征，是全球最復(fù)雜河口之一。珠江流域地處熱帶、亞熱帶氣候區(qū)，4—6 月鋒面暴雨較多，常導(dǎo)致中下游及珠江三角洲出現(xiàn)峰高、量大、歷時(shí)長(zhǎng)、范圍廣的洪水；7—9 月多發(fā)臺(tái)風(fēng)雨，降雨較為集中且強(qiáng)度大但持續(xù)時(shí)間短，洪水來(lái)勢(shì)迅猛，峰高而量相對(duì)較小。在全國(guó)七大流域片區(qū)，珠江流域極端和特強(qiáng)降水過(guò)程出現(xiàn)概率最高，流域內(nèi)多數(shù)區(qū)域極端最大日降水量在100～500 mm之間。

旱情疊加咸情，威脅城鎮(zhèn)供水安全，是珠江流域干旱的一大特點(diǎn)。珠江流域整體屬于豐水地區(qū)，但水資源時(shí)空分布不均，干旱時(shí)有發(fā)生。位于下游及三角洲地區(qū)的大灣區(qū)城鎮(zhèn)地區(qū)主要依賴河道型水源，工程調(diào)蓄供水能力不足，水文氣象干旱極易發(fā)展成社會(huì)經(jīng)濟(jì)干旱。珠江河口區(qū)也是咸潮活躍區(qū)域，咸潮上溯影響取水口水質(zhì)，進(jìn)一步加劇供水壓力。如在2009—2010 年、2021—2022 年干旱中，均發(fā)生了較強(qiáng)的咸潮上溯，嚴(yán)重威脅三角洲地區(qū)供水。

當(dāng)前，流域防洪工程體系及水資源配置工程體系尚未完善，亟需通過(guò)加強(qiáng)水旱災(zāi)害防御預(yù)報(bào)、預(yù)警、預(yù)演、預(yù)案“四預(yù)”能力，實(shí)現(xiàn)水工程精細(xì)化調(diào)度，最大程度發(fā)揮水工程的防災(zāi)減災(zāi)效益。然而，流域性洪水、臺(tái)風(fēng)暴潮增水、咸潮上溯等的形成演化過(guò)程極為復(fù)雜，水利專業(yè)模型在精細(xì)化程度、計(jì)算速度、處理各類邊界不確定性等方面還存在一定不足，需要結(jié)合數(shù)字孿生平臺(tái)，從算據(jù)、算法、算力等方面不斷提升模型性能。

2.水利專業(yè)模型在“四預(yù)”系統(tǒng)中的定位

水利專業(yè)模型是支持“四預(yù)”決策的重要技術(shù)，包括基于物理機(jī)制的模型和數(shù)據(jù)挖掘模型兩類。從數(shù)字孿生流域加強(qiáng)“算據(jù)”“算法”“算力”建設(shè)三大核心任務(wù)看，水利專業(yè)模型提供的是“算法”支撐；從“四預(yù)”系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)看，水利專業(yè)模型為“算據(jù)”（各類基礎(chǔ)數(shù)據(jù)作為輸入）和業(yè)務(wù)需求（業(yè)務(wù)相關(guān)水安全要素作為輸出）建立了聯(lián)系；從“四預(yù)”功能看，水利專業(yè)模型直接服務(wù)于預(yù)報(bào)和預(yù)演兩個(gè)環(huán)節(jié)。而預(yù)警以預(yù)報(bào)結(jié)果為依據(jù)，預(yù)案則基于預(yù)演的結(jié)果進(jìn)行編制。所以，“四預(yù)”效果很大程度上取決于水利專業(yè)模型的表現(xiàn)。

3.“四預(yù)”系統(tǒng)對(duì)水利專業(yè)模型的要求

智慧水利建設(shè)需要開(kāi)展智慧化模擬，明確要求“在數(shù)字孿生流域的基礎(chǔ)上，集成耦合多維多時(shí)空尺度高保真數(shù)學(xué)模型，構(gòu)建數(shù)字孿生流域模擬仿真平臺(tái)，支撐水安全全要素預(yù)報(bào)、預(yù)警、預(yù)演、預(yù)案的模擬分析”。《水利業(yè)務(wù)“四預(yù)”基本技術(shù)要求（試行）》則明確“盡量縮短作業(yè)時(shí)間，提高時(shí)效性”?？梢?jiàn)服務(wù)“四預(yù)”功能模擬系統(tǒng)對(duì)模型的要求至少包括以下五個(gè)方面：一是“高保真”，二是“全要素”，三是“多時(shí)空尺度”，四是具有較好的時(shí)效性，五是模型通用性及開(kāi)放性。

“高保真”要求模型計(jì)算精度高。隨著水利專業(yè)模型的迅速發(fā)展，各類模型層出不窮。如何評(píng)估和選擇同一領(lǐng)域內(nèi)不同的模型，以業(yè)務(wù)需求為導(dǎo)向，提高模型計(jì)算精度，實(shí)現(xiàn)“高保真”目標(biāo)，是“四預(yù)”系統(tǒng)在模型研發(fā)和選擇上的一個(gè)重要方面。

“全要素”意味著跟業(yè)務(wù)需求高度相關(guān)的重要因素都應(yīng)納入“四預(yù)”系統(tǒng)的考量。例如，珠江流域干旱的重要不利影響在于大灣區(qū)城鎮(zhèn)供水保障受到威脅，其中一個(gè)關(guān)鍵因素是咸潮上溯，影響取水口水質(zhì)，所以服務(wù)于珠江流域干旱業(yè)務(wù)的“四預(yù)”系統(tǒng)應(yīng)該將咸潮的模擬放在重要位置。

“多時(shí)空尺度”，以服務(wù)于水旱災(zāi)害防御的水庫(kù)（群）調(diào)度為例，從較長(zhǎng)的時(shí)間周期看，既要防汛抗洪，又要保供水，既需要長(zhǎng)期的上游來(lái)水研判及下游用水需求預(yù)測(cè)，也需要汛期更準(zhǔn)確的短期來(lái)水預(yù)報(bào)，以統(tǒng)籌考慮在較長(zhǎng)時(shí)間尺度和較大空間尺度上，對(duì)防汛抗洪和抗咸保供水的雙重乃至多重業(yè)務(wù)需求。

時(shí)效性是“四預(yù)”系統(tǒng)對(duì)模型的又一重要需求。對(duì)水旱災(zāi)害防御（尤其是洪澇災(zāi)害）而言，實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)、及時(shí)預(yù)警十分重要。當(dāng)系統(tǒng)滿足前三個(gè)需求時(shí)，會(huì)相應(yīng)增加模型復(fù)雜程度、延長(zhǎng)模型計(jì)算時(shí)間，使得針對(duì)不同水安全要素模擬模型的時(shí)效性尤為重要。

通用性包括模型原理及算法的普適性、模型接口的可擴(kuò)展性以及模型評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)威性。具有通用性的模型便于參與行業(yè)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)化測(cè)評(píng)，以評(píng)估模型的精度，助推優(yōu)秀國(guó)產(chǎn)水利專業(yè)模型在數(shù)字孿生流域建設(shè)中的推廣。服務(wù)“四預(yù)”功能的模擬系統(tǒng)需要不同模型之間的耦合，因此，模型具有開(kāi)放性、模型之間易耦合也相應(yīng)成為一個(gè)重要需求。

二、關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題和技術(shù)難點(diǎn)

1.關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題

流域下墊面受人類活動(dòng)的影響劇烈。比如，快速城市化使得建設(shè)用地顯著增加，土地利用類型變化對(duì)徑流影響顯著；干、支流水庫(kù)建設(shè)提高了流域調(diào)蓄洪水的能力，改變了洪水的運(yùn)動(dòng)特征；堤防修建提升洪水抵御能力，也使得原洪泛區(qū)蓄滯洪功能喪失，洪水歸槽現(xiàn)象顯著；受采砂影響，河床不均勻下切，河道地形變化對(duì)洪水演進(jìn)影響不可忽視。人類活動(dòng)對(duì)洪水形成演變的影響十分復(fù)雜，從流域?qū)用娼沂靖黝惾祟惢顒?dòng)對(duì)洪水形成演變的影響規(guī)律，提出滿足模型精細(xì)化程度、模擬精度和時(shí)效性需求的流域洪澇預(yù)報(bào)方法，是珠江流域洪澇災(zāi)害防御相關(guān)的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題之一。

受氣候變化影響，強(qiáng)臺(tái)風(fēng)頻次增加，加之人工挖沙、航道疏浚、灘涂圍墾等高強(qiáng)度人類活動(dòng)，大灣區(qū)河網(wǎng)地形及河口岸線劇烈變化，風(fēng)暴潮波在海洋—河口—河網(wǎng)的傳播過(guò)程中發(fā)生變異，風(fēng)暴潮增水及頂托效應(yīng)加劇，導(dǎo)致潮水漫堤、排澇不暢。海洋及氣象部門發(fā)布的風(fēng)暴潮增水預(yù)報(bào)往往僅覆蓋海岸線以外區(qū)域，對(duì)河口沿岸及河網(wǎng)地區(qū)覆蓋不夠。如何實(shí)現(xiàn)河口及河網(wǎng)區(qū)風(fēng)暴潮增水的精細(xì)化預(yù)報(bào)，是珠江流域洪澇災(zāi)害防御的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題之一。

河口咸潮具有典型的三維密度分層流特性，鹽淡水垂向、縱向及橫向擴(kuò)散的各項(xiàng)異性特征明顯。咸潮上溯動(dòng)力過(guò)程對(duì)鹽度初始場(chǎng)較為敏感。取水口往往位于低鹽度區(qū)（鹽度＜0.5‰），而低鹽度區(qū)的鹽度模擬對(duì)邊界條件、初始場(chǎng)及數(shù)值算法等均較為敏感。此外，河口水域航道、港池、攔門沙、挖沙深坑等陡坡突變地形廣泛分布，對(duì)河口咸潮上溯動(dòng)力過(guò)程影響顯著。如何實(shí)現(xiàn)河口咸潮的精確模擬，從而對(duì)河道取水口的水質(zhì)進(jìn)行精準(zhǔn)預(yù)報(bào)，是珠江流域干旱災(zāi)害防御相關(guān)的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題之一。

流域水庫(kù)群作為一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)，存在水庫(kù)間拓?fù)潢P(guān)系復(fù)雜、各水庫(kù)特征參數(shù)不一、不同時(shí)段水庫(kù)調(diào)度目標(biāo)多變等特點(diǎn)，導(dǎo)致水庫(kù)群調(diào)度難度顯著加大。變化環(huán)境影響下，水文氣象要素的非一致性愈發(fā)突出，極端氣象、水文事件頻發(fā)，給水庫(kù)調(diào)度帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)，這在洪水風(fēng)險(xiǎn)與干旱風(fēng)險(xiǎn)交織的汛前消落期和汛末蓄水期表現(xiàn)尤為明顯。如何從多空間、全時(shí)段的調(diào)度需求出發(fā)，充分考慮不同階段水旱災(zāi)害防御風(fēng)險(xiǎn)，實(shí)現(xiàn)水庫(kù)群的聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度，是珠江流域水旱災(zāi)害防御的另一個(gè)關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題。

2.需突破的技術(shù)難點(diǎn)

洪水預(yù)報(bào)方面需突破的技術(shù)難點(diǎn)主要包括：洪水預(yù)報(bào)調(diào)度一體化技術(shù)及實(shí)時(shí)校正方法；適應(yīng)復(fù)雜邊界和流態(tài)的圣維南方程數(shù)值解算方法；水動(dòng)力模型GPU（圖形處理器）并行計(jì)算技術(shù)；基于云平臺(tái)的水動(dòng)力建模技術(shù)；高分辨率天氣預(yù)報(bào)模型與水文水動(dòng)力模型的耦合。

風(fēng)暴潮模擬方面需要突破的技術(shù)難點(diǎn)主要包括：臺(tái)風(fēng)暴潮集合預(yù)報(bào)技術(shù)；風(fēng)暴潮模擬中臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)的精確刻畫和模擬；模型中河口河網(wǎng)區(qū)的風(fēng)暴潮增水過(guò)程精細(xì)化描述。

咸潮數(shù)值模擬方面需要突破的技術(shù)難點(diǎn)主要包括：考慮鹽淡水垂向、縱向及橫向的擴(kuò)散各向異性特征，模擬鹽淡水垂向混合—層化動(dòng)態(tài)交替和鹽淡水輸運(yùn)動(dòng)力過(guò)程；取水口所在低鹽度區(qū)的鹽度過(guò)程模擬；三維鹽度初始場(chǎng)刻畫；陡坡突變地形從現(xiàn)實(shí)向模型空間的準(zhǔn)確映射。

水庫(kù)群調(diào)度方面需要突破的關(guān)鍵技術(shù)主要包括：梯級(jí)水庫(kù)區(qū)間洪水預(yù)報(bào)技術(shù)；流域水庫(kù)群調(diào)度目標(biāo)的時(shí)空變異識(shí)別；考慮預(yù)報(bào)不確定性的水庫(kù)群全周期多目標(biāo)聯(lián)合調(diào)度技術(shù)；大規(guī)模流域水庫(kù)群多目標(biāo)聯(lián)合調(diào)度模型的高效求解算法；基于數(shù)字孿生流域的水庫(kù)群調(diào)度方案智能評(píng)估與決策技術(shù)。

三、珠江流域水旱災(zāi)害防御“四預(yù)”系統(tǒng)相關(guān)水利專業(yè)模型

水利部珠江水利委員會(huì)立足流域水旱災(zāi)害防御的需求及水利信息化建設(shè)現(xiàn)狀，建設(shè)了珠江流域水旱災(zāi)害防御“四預(yù)”平臺(tái)。該平臺(tái)已于2021 年初步建成上線，并在2021—2022 年珠江流域（片）特大干旱、珠江“22·6”特大洪水中發(fā)揮了重要的決策支撐作用。在水旱災(zāi)害防御“四預(yù)”系統(tǒng)中，涉及的水利專業(yè)模型及其可能的關(guān)鍵信息交互關(guān)系如圖1 所示。珠江流域水旱災(zāi)害防御“四御”平臺(tái)已經(jīng)集成和調(diào)用的水利專業(yè)模型主要包括水文模型、水動(dòng)力模型（重點(diǎn)河段淹沒(méi)模型）、咸潮模型、水庫(kù)群調(diào)度模型四類。珠江水利科學(xué)研究院研發(fā)了通用性的一二維水動(dòng)力模型HydroMPM，以及具有珠江流域特色的風(fēng)暴潮模型、咸潮模型及水庫(kù)群調(diào)度模型。這些模型在珠江流域水旱災(zāi)害防御工作中具有較好的應(yīng)用前景，其中部分模型已經(jīng)應(yīng)用于珠江流域水旱災(zāi)害防御“四預(yù)”系統(tǒng)。

圖1 水旱災(zāi)害防御“四預(yù)”系統(tǒng)水利專業(yè)模型體系及關(guān)鍵信息交互關(guān)系

1.通用性的一二維水動(dòng)力模型HydroMPM

HydroMPM 能適應(yīng)包括山區(qū)性河流洪水、潰壩洪水、多汊復(fù)雜河網(wǎng)洪水、河口風(fēng)暴潮及城市暴雨洪澇等情景下的洪澇模擬。模型在有限體積法離散基礎(chǔ)上，運(yùn)用汊點(diǎn)水位預(yù)測(cè)—校正法，實(shí)現(xiàn)了完全數(shù)值解耦的復(fù)雜河網(wǎng)計(jì)算格式，相對(duì)傳統(tǒng)方法提高了收斂性；且在國(guó)產(chǎn)洪水模擬軟件中率先研發(fā)了基于GPU 并行的單機(jī)高性能計(jì)算技術(shù)。通過(guò)低階精度格式、有效單元自適應(yīng)動(dòng)態(tài)調(diào)整及GPU 并行計(jì)算，顯著提升洪水演進(jìn)模型計(jì)算效率。基于瀏覽器/服務(wù)器（B/S）架構(gòu)，基于云平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了一維、二維、一二維耦合水動(dòng)力模型的構(gòu)建、計(jì)算方案配置及成果可視化展示，形成了標(biāo)準(zhǔn)化、一體化的業(yè)務(wù)操作流程。依托于動(dòng)態(tài)網(wǎng)頁(yè)交互技術(shù)，系統(tǒng)在功能架構(gòu)上綜合實(shí)現(xiàn)了水動(dòng)力建模業(yè)務(wù)的云建模、云計(jì)算、云展示與云存儲(chǔ)?；诙帱c(diǎn)實(shí)時(shí)通信協(xié)議，云平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)河道、斷面、汊點(diǎn)、網(wǎng)格、水工構(gòu)筑物等多類型要素的多端協(xié)同建模?；诙?、三維GIS（地理信息系統(tǒng)）地圖組件及動(dòng)態(tài)渲染技術(shù)，云平臺(tái)研發(fā)了斷面水位過(guò)程、水面線、漫堤段統(tǒng)計(jì)、洪水演進(jìn)模擬、流場(chǎng)展示、粒子示蹤等多類型成果展示模塊，實(shí)現(xiàn)了水流動(dòng)態(tài)模擬成果的可視化展示，通過(guò)地圖—圖表—報(bào)表多向聯(lián)動(dòng)支撐用戶在線率定及成果展示。模型的云托管實(shí)現(xiàn)了計(jì)算過(guò)程中用戶的低黏性與高性能的雙重保障，同時(shí)克服了模型計(jì)算所需硬件依賴。云計(jì)算和GPU 并行加速技術(shù)極大地提高了模型的時(shí)效性。

2.珠江河口風(fēng)暴潮預(yù)報(bào)模型

珠江河口風(fēng)暴潮模型基于二、三維水動(dòng)力模型構(gòu)建，模型覆蓋珠江三角洲，包括珠江河口干流、河網(wǎng)、八大口門、灣區(qū)、外海；水域面積約4 萬(wàn)km2。模型接入多個(gè)機(jī)構(gòu)的臺(tái)風(fēng)路徑預(yù)報(bào)結(jié)果，結(jié)合歷史臺(tái)風(fēng)的大數(shù)據(jù)資料進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)判斷，得出最危險(xiǎn)臺(tái)風(fēng)路徑并對(duì)其進(jìn)行集合化預(yù)報(bào)。針對(duì)各機(jī)構(gòu)臺(tái)風(fēng)預(yù)報(bào)動(dòng)態(tài)變化的被動(dòng)性，模型主動(dòng)設(shè)置滾動(dòng)預(yù)報(bào)功能，預(yù)見(jiàn)期定為臺(tái)風(fēng)登陸前36 h、24 h、12 h，實(shí)現(xiàn)風(fēng)暴潮預(yù)報(bào)的動(dòng)態(tài)調(diào)整?；诙鄨?chǎng)臺(tái)風(fēng)期間原型觀測(cè)平臺(tái)的實(shí)測(cè)風(fēng)速、氣壓數(shù)據(jù)，得出粵港澳大灣區(qū)登陸臺(tái)風(fēng)中心外圍風(fēng)場(chǎng)指數(shù)型經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ?，顯著提升臺(tái)風(fēng)經(jīng)驗(yàn)風(fēng)場(chǎng)反演準(zhǔn)確度，臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)模擬精度提高30%。

本模型采用跨尺度水動(dòng)力模型，對(duì)珠江三角洲河網(wǎng)、口門區(qū)以及口外海域進(jìn)行整體考慮，基于最新的水下地形資料，采用混合網(wǎng)格對(duì)河口、河網(wǎng)進(jìn)行全貼合建模，在保持模型精度的同時(shí)降低模型網(wǎng)格數(shù)量，提高計(jì)算效率；模型實(shí)時(shí)接入珠江流域水文模型，獲取上游西、北、東江的實(shí)測(cè)及預(yù)報(bào)流量，從輸入邊界方面提高河網(wǎng)模擬的準(zhǔn)確度；調(diào)用多核并行計(jì)算，在調(diào)用24核處理器的條件下，模型計(jì)算5天時(shí)長(zhǎng)的一場(chǎng)臺(tái)風(fēng)暴潮過(guò)程僅需15～20分鐘。

3.三維斜壓咸潮模型

珠江河口三維斜壓咸潮模型控制方程組基于三維原始方程組，可模擬密度梯度力、徑流、潮汐、風(fēng)、沿岸流等動(dòng)力因素對(duì)咸潮上溯的耦合作用。模型上邊界為西江梧州、北江石角、東江博羅等控制斷面，外海邊界取至約200 m 水深范圍，覆蓋了珠江三角洲河網(wǎng)、河口灣及近海的整個(gè)水域，保障了鹽淡水輸移的整體性和連續(xù)性。

針對(duì)低鹽度區(qū)鹽淡水輸移擴(kuò)散特性，提出高精度TVD 數(shù)值格式和新的r因子函數(shù)；采用兩點(diǎn)通量近似算法模擬鹽分物質(zhì)各向異性擴(kuò)散過(guò)程，推求鹽度縱向擴(kuò)散系數(shù)表達(dá)式方程，提升了數(shù)值模型在低鹽度區(qū)的模擬精度。通過(guò)構(gòu)建表層鹽度多因子星地協(xié)同遙感反演方法，提升河口區(qū)域水體鹽度反演精度，基于垂向分層特性對(duì)鹽度進(jìn)行垂向插值，為模型提供更為精準(zhǔn)的鹽度初始場(chǎng)。在對(duì)珠江河口的典型咸潮上溯事件的復(fù)演中，模擬的咸界位置和取水口鹽度特征值平均誤差在±20%以內(nèi)，低鹽度區(qū)咸潮模擬精度提升50%。

模型部署于Linux 等操作系統(tǒng)，基于三角形無(wú)結(jié)構(gòu)平面計(jì)算網(wǎng)格進(jìn)行求解。結(jié)合地形坡度自適應(yīng)平面無(wú)結(jié)構(gòu)計(jì)算網(wǎng)格剖分方法和適用于陡坡突變地形的無(wú)階貼底垂向坐標(biāo)模式，實(shí)現(xiàn)三維斜壓模型計(jì)算效率與精度之間的最佳平衡。采用有限體積法對(duì)控制方程組進(jìn)行離散求解，并進(jìn)行并行化處理，實(shí)現(xiàn)模型的高效計(jì)算，整體計(jì)算速度提升35%。

4.水庫(kù)群多目標(biāo)聯(lián)合調(diào)度模型

針對(duì)流域水庫(kù)聯(lián)合調(diào)度中維度高、目標(biāo)多、約束雜、決策難等問(wèn)題，在解析防洪、抑咸、生態(tài)、航運(yùn)等復(fù)雜約束邊界基礎(chǔ)上，充分考慮流域上游水庫(kù)群防洪調(diào)度、發(fā)電調(diào)度、蓄水調(diào)度以及枯水期水量調(diào)度之間的啟動(dòng)時(shí)機(jī)、轉(zhuǎn)換條件、銜接關(guān)系，采用不同時(shí)間尺度長(zhǎng)短嵌套調(diào)度模式，構(gòu)建自適應(yīng)多目標(biāo)協(xié)調(diào)調(diào)度模型。

利用改進(jìn)差分算法對(duì)模型進(jìn)行求解，得到上游水庫(kù)群聯(lián)合調(diào)度方案，并與下游河網(wǎng)區(qū)閘泵群調(diào)度相耦合，從而初步創(chuàng)建了全流域全時(shí)空覆蓋的多尺度多目標(biāo)一體化協(xié)同調(diào)度方案集合。

四、典型場(chǎng)景及應(yīng)用效果

1.珠江口及河網(wǎng)區(qū)臺(tái)風(fēng)暴潮增水預(yù)報(bào)

針對(duì)珠江河口八大口門及河網(wǎng)區(qū)域，珠科院團(tuán)隊(duì)基于自主研發(fā)的風(fēng)暴潮模型在2022 年實(shí)時(shí)精準(zhǔn)滾動(dòng)預(yù)報(bào)，提前36 h、24 h、12 h預(yù)報(bào)了“木蘭”“馬鞍”“奧鹿”“納沙”“尼格”等5 場(chǎng)臺(tái)風(fēng)暴潮。24 h 預(yù)報(bào)的重要站點(diǎn)潮位及增水結(jié)果平均誤差在10 mm 以內(nèi)，相位誤差小于1 h。

2.抗旱防咸保供水預(yù)演

開(kāi)展不同咸潮上溯情景和調(diào)度方案下低鹽度區(qū)的水廠取水口取淡窗口期等關(guān)鍵指標(biāo)的精準(zhǔn)預(yù)演，為水行政主管部門決策提供技術(shù)依據(jù)。2021—2022 年枯水期，開(kāi)展西江、東江咸潮預(yù)演工作，提供了調(diào)度方案的預(yù)演成果，與實(shí)際取淡窗口期誤差在2 h以內(nèi)。按不利條件，中山馬角水閘最大含氯度2980 mg/L，全天超標(biāo)；東莞第三水廠最大含氯度602 mg/L，超標(biāo)6 h。調(diào)度后馬角水閘最大含氯度1868 mg/L，全天超標(biāo)11 h；東莞第三水廠最大含氯度332 mg/L，全天超標(biāo)3 h。

3.其他典型應(yīng)用場(chǎng)景

研發(fā)的相關(guān)模型除已應(yīng)用于支撐珠江委的水旱災(zāi)害“四預(yù)”系統(tǒng)外，還在珠江流域內(nèi)其他層級(jí)的水旱災(zāi)害防御“四預(yù)”實(shí)踐中得到成功應(yīng)用。在西枝江洪水實(shí)時(shí)調(diào)度系統(tǒng)建設(shè)中，通過(guò)水文機(jī)理模型和深度學(xué)習(xí)模型相結(jié)合，提出串、并聯(lián)耦合的洪水實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)技術(shù)，降低模型選擇不當(dāng)帶來(lái)的決策失誤風(fēng)險(xiǎn)。通過(guò)對(duì)降雨徑流模型、洪水演進(jìn)模型及水庫(kù)調(diào)度模型的無(wú)縫耦合，并建成系統(tǒng)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)預(yù)報(bào)調(diào)度一體化及業(yè)務(wù)化。系統(tǒng)自2019 年4 月上線以來(lái)，成功支撐了惠州市防御“查帕卡”“圓規(guī)”“盧碧”等臺(tái)風(fēng)暴雨洪水。在黃埔區(qū)實(shí)時(shí)洪澇風(fēng)險(xiǎn)圖項(xiàng)目中，分別基于水文—水動(dòng)力—管網(wǎng)耦合模型和人工智能大數(shù)據(jù)模型實(shí)現(xiàn)河道洪水和城區(qū)內(nèi)澇的精準(zhǔn)化預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)，積水預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率平均達(dá)67%。隨著數(shù)據(jù)的累積，準(zhǔn)確率將會(huì)繼續(xù)提高。

五、結(jié)論與展望

水利專業(yè)模型是支撐數(shù)字孿生流域建設(shè)、實(shí)現(xiàn)水旱災(zāi)害“四預(yù)”功能的核心。本文針對(duì)珠江流域水旱災(zāi)害特點(diǎn)，探討了水旱災(zāi)害防御“四預(yù)”系統(tǒng)對(duì)水利專業(yè)模型的需求，介紹了珠江水利科學(xué)研究院研發(fā)的相關(guān)模型，主要包括通用性的一二維水動(dòng)力模型HydroMPM，以及具有珠江流域特色的風(fēng)暴潮模型、三維斜壓咸潮模型，水庫(kù)群多目標(biāo)協(xié)同調(diào)度模型等。研發(fā)的水利專業(yè)模型支撐了珠江流域水旱災(zāi)害防御“四預(yù)”系統(tǒng)建設(shè)，并在相關(guān)實(shí)踐中得到成功應(yīng)用。從水旱災(zāi)害防御“四預(yù)”的需要看，水利專業(yè)模型依然有待進(jìn)一步發(fā)展。

結(jié)合數(shù)字孿生水利建設(shè)的深入，水利專業(yè)模型未來(lái)的工作主要包括以下方面：提升監(jiān)測(cè)技術(shù)，完善城市水文、氣象、水質(zhì)等數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)體系，為水旱災(zāi)害防御“四預(yù)”提供扎實(shí)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；加強(qiáng)機(jī)理研究，夯實(shí)水利專業(yè)模型研發(fā)理論基礎(chǔ)，提高模型精度和通用性；積極探索有物理機(jī)制的模型和深度學(xué)習(xí)模型的融合互補(bǔ)，平衡“算得準(zhǔn)”與“算得快”之間的關(guān)系，為實(shí)際需求做支撐；拓展水利專業(yè)模型范疇，將水利專業(yè)模型與社會(huì)經(jīng)濟(jì)要素更緊密結(jié)合；構(gòu)建流域—城市智慧水務(wù)平臺(tái)，讓水利專業(yè)模型系統(tǒng)服務(wù)于水利、市政、環(huán)境、生態(tài)等諸多領(lǐng)域。