劉業(yè)森，杜慶順，李 匡，胡文才，趙艷紅，喻海軍，姚 遠，孫 琳，常思源

（1.中國水利水電科學(xué)研究院，100038，北京；2.水利部數(shù)字孿生流域重點實驗室，100038，北京；3.水利部淮河水利委員會沂沭泗水利管理局水文局（信息中心），221018，徐州）

一、背 景

數(shù)字孿生流域技術(shù)要求中明確提出要構(gòu)建模型平臺，提高算法，為數(shù)字孿生流域提供智能化支撐。在數(shù)字孿生流域框架中對模型平臺的構(gòu)建、運行提出了全新需求。傳統(tǒng)的模型構(gòu)建和運行方式難以適應(yīng)數(shù)字孿生流域環(huán)境。隨著數(shù)字孿生流域先行先試等項目開展，對超大規(guī)模并行計算技術(shù)、跨平臺運行技術(shù)等進行了探索，并取得了很多成功經(jīng)驗。但對于南四湖這種具有獨特水系特征的模型構(gòu)建，需要在現(xiàn)有成果基礎(chǔ)上探索、驗證新的模式和方法。

南四湖水系湖西地區(qū)地勢低平，水系交叉，閘壩密布，洪水預(yù)報難度大。湖區(qū)行洪在一定程度上受到多年淤積的影響，增加了洪水預(yù)報計算難度。由于歷史原因，南四湖湖區(qū)內(nèi)尚有10 多萬漁業(yè)湖民生產(chǎn)生活，湖內(nèi)圈圩、湖田眾多，阻水嚴(yán)重，洪水下泄緩慢，給二級壩水利樞紐精準(zhǔn)化防洪調(diào)度造成很大困難。根據(jù)多年洪水預(yù)報調(diào)度實踐經(jīng)驗，南四湖水系形成了以API 經(jīng)驗?zāi)Ｐ蜑橹鞯暮樗A(yù)報方法，具有較好的實用性。在數(shù)據(jù)底板方面，建成了實時水文數(shù)據(jù)庫，采集了主要入湖河流斷面數(shù)據(jù)和湖區(qū)水下地形數(shù)據(jù)，為南四湖水系數(shù)字孿生流域模型平臺建設(shè)提供了很好的基礎(chǔ)和條件。

二、模型的空間布局

根據(jù)南四湖水系水文特征和防洪調(diào)度需求，構(gòu)建概念性水文預(yù)報模型，進行119個流域分區(qū)產(chǎn)流計算；構(gòu)建6 座大中型水庫的洪水調(diào)度模型，實現(xiàn)水庫規(guī)程調(diào)度和指令調(diào)度；構(gòu)建分布式時空變源模型，進行全區(qū)河網(wǎng)流場計算；構(gòu)建河道一維演進模型，與水文預(yù)報模型進行耦合，實現(xiàn)53條入湖河流的洪水演進過程計算；構(gòu)建湖區(qū)二維模型，實現(xiàn)湖區(qū)洪水水位、流場計算；在洪水預(yù)報基礎(chǔ)上，構(gòu)建工程調(diào)度模型，通過二級壩、韓莊樞紐、藺家壩閘等閘壩調(diào)度，實現(xiàn)上級湖和下級湖正向控制、反向控制。針對湖東三個滯洪區(qū)，開發(fā)了二維洪水演進模型，實現(xiàn)分洪情況下滯洪區(qū)洪水過程計算。模型布局見圖1。

圖1 南四湖防洪調(diào)度模型布局圖

模型程序部署于內(nèi)網(wǎng)云平臺，通過GPU 加速、CPU加速，實現(xiàn)洪水預(yù)報、預(yù)演過程的快速計算，為防洪調(diào)度系統(tǒng)提供支撐。

三、模型的主要內(nèi)容

1.概念性水文預(yù)報模型

由于水文預(yù)報與人類經(jīng)濟活動密切相關(guān)，其預(yù)報技術(shù)和方法發(fā)展很快。隨著計算機技術(shù)應(yīng)用和其他信息技術(shù)滲透，已提出百余種數(shù)學(xué)物理模型，且復(fù)雜程度不一。本研究選用已經(jīng)在我國得到廣泛應(yīng)用的三水源新安江模型，并結(jié)合南四湖流域河流的具體特性，對新安江模型加以改進。湖東河流采用新安江模型，湖西河流采用改進新安江模型。水文預(yù)報模型具體構(gòu)建步驟如下：

①以現(xiàn)有水文站為控制范圍，將南四湖水系分區(qū)劃分，其中包括水文站之間的區(qū)間流域，各分區(qū)根據(jù)地形、地質(zhì)、下墊面等不同條件設(shè)定不同的模型參數(shù)。

②對于每一分區(qū)再細(xì)分若干個單元（共119 個單元），以考慮由于降雨分布不均勻影響以及上下不同單元塊洪水傳播影響。

③對于每一單元，應(yīng)用新安江模型、改進新安江模型做降雨、蒸發(fā)、土壤含水量、水源分配和消退、單元河網(wǎng)單位線等一系列分析計算。

④每個單元出口的流量通過河道匯流計算到分區(qū)的出口站，各單元到達出口站的流量過程線疊加得到出口站的流量過程。

⑤采用歷史水文資料，選擇率定期和驗證期，對每一計算單元模型參數(shù)進行率定；評價預(yù)報方案等級。

2.水庫調(diào)度模型

水庫調(diào)洪方式是指根據(jù)水庫防洪要求（包括大壩安全和下游防洪要求），利用泄洪設(shè)施泄放流量的方式，也稱為水庫泄洪方式或水庫防洪調(diào)度方式。采用的水庫調(diào)洪方式應(yīng)根據(jù)泄洪建筑物的型式、是否擔(dān)負(fù)下游防洪任務(wù)以及下游防護地點洪水組成情況等方面因素來考慮和區(qū)分。

主要針對南四湖水系內(nèi)尼山、西葦、巖馬、馬河、賀莊、莊里6座大中型水庫構(gòu)建了調(diào)度模型，通過耦合水文預(yù)報模型，根據(jù)入庫洪水預(yù)報結(jié)果，實現(xiàn)了規(guī)程調(diào)度、指令調(diào)度，計算的出庫過程為河道演進模型的邊界條件。

3.時空變源模型

時空變源分布式水文模型是由中國水利水電科學(xué)研究院（以下簡稱中國水科院）自主研發(fā)的新一代分布式水文模型。在對小流域非線性產(chǎn)匯流時空變源機制科學(xué)認(rèn)知的基礎(chǔ)上，提出小流域不同產(chǎn)流機制的地貌水文響應(yīng)單元劃分標(biāo)準(zhǔn)和方法，基于小流域地貌水文響應(yīng)單元和最新非飽和土壤下滲計算方法（GARTO 模型），發(fā)展融合小流域下滲能力和蓄水能力超滲/蓄滿時空轉(zhuǎn)換的產(chǎn)流計算方法，從超滲/蓄滿機制的平面混合、垂向混合、時段混合三個方面構(gòu)建小流域時空變源混合產(chǎn)流模型結(jié)構(gòu)，解決適用于不同類型區(qū)的無資料小流域產(chǎn)流模擬問題。對比傳統(tǒng)的產(chǎn)流理論，時空變源混合產(chǎn)流的“源”從流域產(chǎn)流組分層面是指分水源，產(chǎn)流過程和機制上又受質(zhì)量源（降雨和蒸發(fā)等）和動量源（重力和基質(zhì)吸力）影響，使其隨時間和空間都有較大變化。時空變源是指土壤水分在外因（降雨入滲和蒸發(fā)）和內(nèi)因（重力和基質(zhì)吸力）共同作用下的時空變化；混合產(chǎn)流是指在內(nèi)外因耦合作用下的流域不同產(chǎn)流機制呈現(xiàn)時空動態(tài)變化和時空組合。基于南四湖流域特征和模型原理，將1318 個小流域劃分為16 個計算單元，對每個計算單元提取了包括小流域空間屬性、土壤質(zhì)地、土地利用等75 項流域相關(guān)基礎(chǔ)屬性信息，建立了以小流域為單元的空間拓?fù)潢P(guān)系，構(gòu)建了南四湖流域時空變源分布式水文模型，對1318 個小流域出口節(jié)點、水庫上游支流入流節(jié)點及重點水利工程上游來水進行實時流量過程模擬及未來洪水預(yù)報。

4.河道演進模型

河道演進模型構(gòu)建的難點在于，不同流態(tài)的洪水傳播要針對洪水波的運動形態(tài)建立相應(yīng)的數(shù)值計算格式，特別是洪水波中大梯度、強激波的處理方式直接影響到數(shù)值計算的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。本文河道演進模型采用中國水科院自主研發(fā)的一維河道水動力模型，應(yīng)用有限體積格式，采用Godunov 型格式以迎風(fēng)方式計算激波，將通量求解定義為局部黎曼問題，在流場的局部區(qū)域得到歐拉方程的精確解，將其拼合成整個流場，保證了數(shù)值精度。模型有強大的河流模擬能力，可以處理上千條河網(wǎng)，用于防洪控制工程和水庫調(diào)度工作；可模擬多種水工建筑物，包括泵站、通用堰、堰閘；可實時查詢河道水位信息、過程數(shù)據(jù)、河段信息、斷面信息。

通過分析南四湖流域洪水特點及河網(wǎng)特性，基于水力學(xué)方法建立河道演進模型，覆蓋南四湖53 條主要入流河道，涉及河道實測斷面940 個，設(shè)置各個斷面的左右堤頂位置以及糙率等參數(shù)，對河道上下游斷面及河道匯口斷面進行節(jié)點概化。查詢水文模型小流域節(jié)點與河道斷面的空間分布，建立耦合關(guān)系。將水文模型小流域節(jié)點的流量設(shè)置為一維河道斷面的入流邊界條件，實時模擬不同來水過程下河道斷面水位、流量、流速情況。

5.湖區(qū)洪水演進模型

南四湖湖區(qū)水平尺度遠大于垂向尺度，各水力參數(shù)（如流速、水深等）在垂直方向的變化遠小于水平方向，其流態(tài)可用沿水深的平均流動量來表示，故湖區(qū)洪水演進模型采用二維水動力學(xué)模型完成。本文湖區(qū)洪水演進模型選用中國水科院自主研發(fā)的二維地表水動力模型，基于非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，采用Godunov 型有限體積法數(shù)值格式離散求解二維淺水方程，通量計算中Riemann 問題采用ROE 格式的近似解進行計算，同時具備GPU 并行計算功能，計算效率高。

本文湖區(qū)洪水演進模型覆蓋上級湖和下級湖，建模面積分別為625 km2及682 km2。通過側(cè)向連接實現(xiàn)一二維水動力模型耦合，由河道演進模型向湖區(qū)洪水演進模型提供來水邊界；設(shè)置閘壩等水利設(shè)施，通過控制運行規(guī)則，反饋二級壩樞紐、韓莊樞紐在上下湖水力聯(lián)系中的調(diào)控作用，結(jié)合流域調(diào)度方案、湖區(qū)庫容—水位關(guān)系等設(shè)計資料，對湖區(qū)庫容及水位進行及時調(diào)整，采用數(shù)字高程模型（DEM）疊加水位分析，將高程值低于給定水位的點皆計入淹沒區(qū)，經(jīng)累加形成淹沒范圍并進行展示。

6.南四湖工程調(diào)度模型

在入湖洪水過程預(yù)報和湖區(qū)洪水演進的基礎(chǔ)上，開發(fā)工程調(diào)度模型，實現(xiàn)二級壩、韓莊樞紐、藺家壩閘的調(diào)度。由于二級壩下泄流量閘上閘下水位的影響，下泄流量計算采用指令控制和堰流公式相結(jié)合的方式，在指令泄量低于閘門全開條件下堰流公式計算流量，采用指令泄量；反之，采用堰流計算泄量。按照防洪調(diào)度需求和工程調(diào)度實際，綜合考慮計算效率和精度，以小時為間隔迭代計算。

在正向控制中，輸入指令調(diào)度泄量，逐小時計算上下級湖水位，如果在新水位邊界下，指令泄量大于閘門全開情況下堰流公式計算泄量，則將實際泄量調(diào)整為堰流公式計算泄量。在反向控制中，以上下級湖水位為控制目標(biāo)，包括目標(biāo)水位和時間。采用逐步增大泄量的方式迭代計算逐小時下泄流量，直到滿足水位控制目標(biāo)。如果入湖洪水量過大，則達到滯洪區(qū)啟用水位后，啟用滯洪區(qū)。如閘門全開亦無法達到控制目標(biāo)，則根據(jù)工程調(diào)度實際，盡早控制二級壩三閘及韓莊樞紐、藺家壩閘全開，采用堰流公式計算泄量。調(diào)度流程見圖2。

圖2 正向控制（a）和反向控制（b）流程

四、防洪“四預(yù)”支撐

1.防洪演練

防洪演練是檢驗?zāi)Ｐ涂捎眯缘闹匾侄巍Ｒ浴班嵵?·20”暴雨過程為例，將實際降雨過程插值到均勻的空間格網(wǎng)上，然后經(jīng)過平移、旋轉(zhuǎn)等操作，移植到南四湖水系，模擬計算洪水過程。為充分檢驗最不利情況下的結(jié)果，按照水系總降水量最大原則，將暴雨中心放置于上級湖匯流范圍內(nèi)。調(diào)用水文預(yù)報模型、水庫調(diào)度模型、河道演進模型、湖區(qū)洪水演進模型進行洪水過程計算。經(jīng)計算，入湖水量、重要斷面的預(yù)報結(jié)果與成熟的API 模型預(yù)報結(jié)果接近，證實了多模型耦合結(jié)果的可用性。

2.洪水預(yù)報

洪水預(yù)報結(jié)果是防洪調(diào)度“四預(yù)”（預(yù)報、預(yù)警、預(yù)演、預(yù)案）的基礎(chǔ)，防洪調(diào)度需要綜合考慮洪水預(yù)報計算效率和精度。通過洪水率定保證模型計算精度，采用GPU 和CPU 加速，提高計算效率。根據(jù)防洪調(diào)度需求，對預(yù)報降雨、落地雨兩種邊界條件開展洪水預(yù)報。預(yù)報降雨以分區(qū)預(yù)報降雨的方式輸入，按照上級湖東、上級湖西、上級湖面、下級湖、下級湖面5 個分區(qū)預(yù)報降雨，湖面的預(yù)報降雨直接分配到湖區(qū)二維模型網(wǎng)格上，其他3 個分區(qū)根據(jù)空間關(guān)系轉(zhuǎn)換到水文分區(qū)上。耦合水文預(yù)報模型、水庫調(diào)度模型、河道演進模型、湖區(qū)洪水演進模型，實現(xiàn)場次降雨洪水預(yù)報。輸出結(jié)果包括每個斷面洪水過程、入湖洪水過程、湖區(qū)洪水過程。

3.流場仿真

流場仿真內(nèi)容包括水系流場和湖區(qū)流量，水系流場仿真根據(jù)時空變源模型計算結(jié)果進行逐時刻渲染。湖區(qū)流場以湖區(qū)二維模型計算結(jié)果為基礎(chǔ)，利用每個二維格網(wǎng)計算的x、y 方向流速和總流速為基礎(chǔ)，生成流場線，采用粒子效果在三維場景中渲染得到湖區(qū)流場。由于二維模型計算結(jié)果數(shù)據(jù)量大，影響渲染效率，采用分級概化的方式生成湖區(qū)流場線。概化效果見圖3，在三維場景中的渲染效果見圖4。

圖3 不同比例尺下流場線效果

圖4 三維場景中流場渲染效果

4.工程調(diào)度

防洪工程調(diào)度需要從整個流域角度綜合考慮上下游、經(jīng)濟社會影響等多方面因素，南四湖水系作為沂沭泗流域的一部分，其工程調(diào)度需要考慮下游邳蒼地區(qū)、駱馬湖等約束條件。本文聚焦南四湖水系，按照下游無降雨條件進行工程調(diào)度。在防洪調(diào)度系統(tǒng)中，在預(yù)報、預(yù)警、預(yù)演環(huán)節(jié)，針對典型極端暴雨、多重現(xiàn)期暴雨、實際降雨進行了工程調(diào)度計算，并根據(jù)工程調(diào)度實際，加入了調(diào)度時間、會商時間等約束條件，給出不同降雨、水文條件下的調(diào)度建議，未來將從沂沭泗整個流域角度綜合考慮，實現(xiàn)工程調(diào)度的優(yōu)化。

五、結(jié)語

針對南四湖水系特征和防洪調(diào)度需求，按照空間布局，設(shè)計并構(gòu)建了水文預(yù)報模型、水庫調(diào)度模型、時空變源模型、河道演進模型、湖區(qū)洪水演進模型、工程調(diào)度模型等專業(yè)模型，實現(xiàn)洪水預(yù)報、洪水演進、工程調(diào)度等防洪調(diào)度需求。采用動態(tài)耦合方式，對防洪“四預(yù)”進行支撐，經(jīng)過防洪演練、洪水預(yù)報、流場仿真、工程調(diào)度等典型應(yīng)用，證實了模型在南四湖水系的可用性。但防洪調(diào)度需要綜合考慮上下游、工程安全、洪水風(fēng)險等多方面因素，模型建設(shè)范圍和約束條件考慮不夠充分，模型需要與相關(guān)水系模型進行融合，通過實際運用，進一步檢驗?zāi)Ｐ头€(wěn)定性，提高模型效率，不斷完善模型對數(shù)字孿生流域的智能化支撐作用。