部分国产水文水动力模型介绍

一、HydroMPM模型

1、模型介绍

2016年度自立项目HydroMPM系统开发与集成完成的洪水分析模拟软件等成果经权威专家鉴定整体达到国际领先水平，HydroMPM_FloodRisk入选国家防总《全国重点地区洪水风险图编制项目可选软件名录》。成果应用项目100余项，累计合同额达4亿元，并获2019年中国大坝工程学会科技进步奖一等奖。
“HydroMPM模型云平台”是珠科院基于前沿云应用理念和新型云建模技术独立自主研发的纯国产化建模平台。云平台基于B/S架构研发，内置了HydroMPM数学模型引擎，实现了一维、二维、一二维耦合水动力模型的构建、计算方案配置及成果可视化展示，形成了标准化、一体化的业务操作流程。依托动态网页交互技术，云平台在功能架构上综合实现了水动力建模业务的云建模、云计算、云展示与云存储功能，具有高速、高稳、高效、高集成的特点，将以“四高”支撑水旱灾害防御“四预”业务。HydroMPM模型引擎内核结合CPU-GPU高速并行计算技术，可见模型计算效率可提高至30倍，有力支撑实时预报预演，且具有模型计算不发散、任意初始场可计算收敛稳定的特点，确保了预报预演业务的稳定运行。云平台建模较传统建模方法效率提高50%以上，可基于网页随时随地协作建模，模型更新无需重复集成发布，进而依托云服务实现了模型在“四预”业务系统中的自动发布与集成。

HydroMPM包括一维 (HydroMPM1D )、二维 (HydroMPM2D ) 和一维 二维耦合 (HydroMPM12D ) 等。 HydroMPM2D 二维水动力及其伴生过程耦合数学模型 ，包括以下数学模型 ：
1） HydroMPM2D _ FLOW(二维浅水流动数学模型 )。
2） HydroMPM2D _ SWAN(二维波流耦合数学模型 )。
3） HydroMPM2D _ ECOLOGY(二维水生态多过程耦合数学模型 )。
4） HydroMPM2D _ SED[水 (潮) 流 盐度 波浪 泥沙耦合数学模型 ]
5）HydroMPM2D _ GPU(并行计算模型 )。选取 OpenACC 并行编程模式 ，实 现了二维水动力及其伴生过程耦合数学模型的 CPU GPU异构并行计算 ，显著提高 了模型计算效率 。

2、 珠江流域水旱灾害防御“四预”平台

珠江流域水旱灾害防御“四御”平台已经集成和调用的水利专业模型主要包括水文模型、水动力模型（重点河段淹没模型）、咸潮模型、水库群调度模型四类。珠江水利科学研究院研发了通用性的一二维水动力模型HydroMPM，以及具有珠江流域特色的风暴潮模型、咸潮模型及水库群调度模型。这些模型在珠江流域水旱灾害防御工作中具有较好的应用前景，其中部分模型已经应用于珠江流域水旱灾害防御“四预”系统。

3、西枝江流域实时洪水预报系统

“西枝江流域实时洪水预报系统”以西枝江流域为研究区域，以“数字化场景、智慧化模拟、精准化决策”为目 标，充分结合人工智能、大数据、倾斜摄影建模等新一代信息技术，以水文、水动力、调度多学科数值模型为支撑，为 流域防洪奠定了智慧化的先行示范基础。
在西枝江洪水实时调度系统建设中，通过水文机理模型和深度学习模型相结合，提出串、并联耦合的洪水实时预报技术，降低模型选择不当带来的决策失误风险。通过对降雨径流模型、洪水演进模型及水库调度模型的无缝耦合，并建成系统平台，实现预报调度一体化及业务化。
结合西枝江流域洪水特点，基于新安江模型、TOPMODEL模型、基于地形指数的分布式水文模型、人工智能预报模型、一二维水动力模型提出多模型耦合的洪水实时预报技术，实现了流域洪水预报预警及洪灾预演模拟，为数字孪生西枝江防洪模型平台的建设奠定了基础。
上、下游边界：水库下泄流量、岭下站流量、博罗站水位为实测值，部分河道区间流量过程为水文预报模型计算结果。水动力模型中增加内边界，耦合流域中的水利枢纽调度模型（按控制水位运行）。

二、 流溪河模型

1、模型介绍

流溪河模型包括流域划分、蒸散发计算、 产流计算、汇流计算、参数确定和模拟计算六个相互独立的部分。

• 流域划分子模型：收集各类流域特性数据，包括数字高程模型、土地利用类型和土壤类型等 ；在此基础上，将一个研究流域按 DEM 划分成多个单元流域，并确定各个单元流域上的物理特性数据；根据现有的流域降雨数据，估算各个单元流域上的降雨量。
• 蒸散发计算子模型：根据单元流域上的降雨量及土壤前期湿润指标，计算确定 各个单元流域上的蒸散发量。
• 产流计算子模型：根据单元流域上的降雨量和蒸散发量，计算确定各个单元流 域上的产流量，并将其划分成地表径流、壤中流和地下径流。
• 流域汇流子模型中有五种汇流类型：边坡汇流，发生在边坡单元上的地表径流汇流，采用运动波法进行计算；河道汇流 ，采用扩散波法进行计算；水库汇流，采用平移方法进行汇流计算;壤中流汇流，采用达西公式直接进行汇流计算；地下径流汇流，采用线性水库法进行汇流计算。
• 参数确定子模型：根据相应的方法，确定各个单元上的模型参数。
  模拟计算子模型：根据确定的模型参数，对一场洪水，根据降雨量的大小，进行 洪水过程的模拟计算，并对计算结果进行统计分析。

2、流溪河模型应用

流溪河流域属于受水利工程影响的典型流域，建成了以流溪河水库和黄龙带水库为龙头，包括大坳等 9 个拦河坝为骨干的防洪体系。9个拦河坝主要功能是提高坝址处的水位，在进行流域洪水预报及河道洪水演进计算时，可不考虑这些拦网坝工程对洪水径流量的调蓄作用，但由于拦河坝抬高了坝址以上水头，其对洪水演进的速度是有影响的，这方面的影响应该在洪水预报或洪水演进计算模型中予以考虑。
流溪河模型成功应用于流溪河水库流域、小型少资料的黄龙带水库流域、整体流溪河流域。

三、贵仁模型云

1、 模型介绍

• 一维模型（包括水动力、水质）：采用有限差分法求解圣维南方程组以及一维对流扩散方程，可用于单一河道或复杂河网的水动力水质模拟；可处理恒定流及非恒定流；提供了水位、流量、水位-流量关系型、自由出流、水闸、水堰等边界类型；可考虑区间入流或点源排污；可模拟水闸、水堰、水泵的作用以及其调度过程；可实时输出监测断面的水位、流量等计算结果；可冷启动或热启动；可自定义模型输出方式。
• 二维模型（包括水动力、水质）：采用三角形网格，可用于具有任意地形和边界的区域的水动力水质模拟；可概化堤防、公路等线状阻水结构；可处理恒定流及非恒定流；可模拟水闸、水堰、水泵的作用以及其调度过程；提供了水位、流量、自由出流、固壁等边界类型；可考虑点源排污；可采用固定时间步长或自适应时间步长；可实时输出监测点的水位、流速等计算结果，以及监测断面的流量计算结果；可统计输出最大淹没水深、洪水到达时间等洪水风险信息；可冷启动或热启动；可自定义模型输出方式。
• 一二维耦合模型：包括“上下游型”和“侧向型”等两种模型耦合方式；可设置堤防等水工建筑物；可设置堤防溃决条件及溃口发展过程。

2、 长江防洪预报调度系统

长江防洪预报调度系统建设是国家防汛抗旱指挥系统二期工程2014年度项目，采取洪水预报系统和防洪调度系统深度融合、实现洪水预报与防洪调度一体化的思路建设。长江防洪预报调度系统是以电子地图、专用数据库、水雨情信息、防洪预报调度模型为基础支撑，成功实现了模型与系统的紧密集成，该系统是由贵仁科技研发完成。

三、HydroInfo水力信息系统

HydroInfo是由大连理工大学开发的计算复杂水流与输运问题的大型数值模拟软件。在理论研究，算法分析与工程应用的过程中，HydroInfo进行了大量的解析数值验证、试验室测量数据验证与原型观测数据验证，广泛的实际工程应用显示了该模型的可靠性、稳定性与并行计算的高效性。HydroInfo配备了方便灵活的前后处理功能及与其他工具软件的数据接口，便于用户的数据准备，及丰富的数据提取与动画展示。

一．计算模块

HydroInfo采用有限体积法立三求解水流与与输运方程，大量的算例验证对比与工程应用表明，该软件具备模拟结果正确可靠，使用方便，计算效率高等特点。HYDROINFO目前包括以下几个计算模型：

1． 流域河网与管网模型

(1) 流域河网模型：适用于流域复杂河网的水流泥沙运动的高效计算。流域模型可包括库群、河网、闸堰、分布入流与集中入流。

(2) 管网模型：适用于有压与无压管网的计算。包括了水击及明满流过渡的模拟。

(3) 水面线计算：适用于恒定流问题的水面线计算。结合了遗传算法可以对河道糙率进行自动率定。

2． 二维水流泥沙波浪模型

(1) 平面二维水流泥沙：适用于河流、湖泊、河口于海岸的水流、泥沙与污染物扩散的计算模拟。采用非结构化网格下的有限体积离散，包括显示与隐式时间推进，亚格子与代数紊流模型。结合了高分辨率重构，可模拟溃坝、淹没与露摊等复杂流动问题。

(2) 波浪缓坡模型：采用缓坡方程计算波浪的传播变形与绕射反射。

(3) 波能输运模型：适用大范围的风浪传播模拟，计算分析折射与绕射导致的风浪波高波向的变化。

3． 三维自由水面流动模型

(1) 三维自由水面模拟：采用分层Euler-Lagrangian计算模式建立了平面上非结构化网格，垂向分层动网格的三维自由水面模型计算模型。模型包括静水压强与动水压强两种计算模式，其中三维动水压强模型可模拟粘性流体下的波浪传播与变形。

(2) 潮流波浪模拟：采用潮流场与波浪场相互作用模型，适用于大尺度问题。

4． 多维耦合问题

(1) 河网与平面二维浅水耦合：河网与二维浅水连接计算模型可以提高大尺度流动的计算效率。对于资料缺乏流域可采用一维河网模型，而对地形资料详细且比较关系的区域可采用二维模型。河网与二维浅水连接的分配耦合模型可提高河口及溃堤等复杂水流泥沙问题的计算模拟效率。

(2) 多维模型耦合：多维模型耦合方式的目的是保证计算分析的精度与空间分辨率的前提下，提高计算效率。当采用河网与平面二维浅水及三维自由水面模拟耦合时，重点关心的区域或流态负责区域采用三维模拟，次要区域在水深方向只采用一个分层退化为平面二维问题。

5． 泥沙与输运问题

(1) 水流泥沙问题在水库泥沙淤积、河道演变、河口海岸演变等方面具有重要意义。泥沙模型可考虑推移质，悬移质或全沙模型。由于泥沙冲淤导致地形的改变，因此泥沙模型与水流模型是耦合的。

(2) 与水流相关或同水流一同运动输运过程可能包括：温度场、盐度场或COD与BOD等环境水流污染物。

6． 波浪传播问题

(1) 近岸波浪传播过程中折射、绕射、反射对港口等沿岸工程具有重大影响。波从深海传入沿岸地区，波浪要素在传播过程中，及其于潮流场与海工建筑物的相互常常是设计中首先需要考虑的问题。

(2) 本系统主要包含二个波浪模型，一个是缓坡方程（Mild Slope）模型，另一个是波能输运模型。其中波能输运模型可以高效地应用于大区域波浪的计算分析。

7． 流动与输运模型

(1) 流动与自由表面问题(VOF)：包括二维与三维，恒定流与非恒定流，可压流与不可压流。可以应用VOF方法模拟自由水面问题，并包含了传热与自然对流、相变（结冰与融化）等专门问题。

(2) 流动与传热问题：处理传热，相变与多相流问题

(3) 可压缩流：考虑高速运动气体的压缩性。

8． 渗流与稳定模型

(1) 渗流分析：分析地下水的水头分布与浸润线。

(2) 滑弧稳定分析：分析坝体的稳定性，计算安全系数。

(3) 静力有限元分析：分析坝体内的应力与应变分布，计算坝体的剪应力水平，判断坝的稳定性及可能的失稳面，为动力分析中的动模量的计算提供基本数据。

(4) 动力反映分析：分析坝体的地震动力反应，计算在输入地震波作用下，坝体的应力，变形及加速度放大因子，及可能的液化区。

9． 城市雨洪与降雨径流模型

(1) 城市雨洪动力学模型：采用平面二维浅水方程模拟坡面径流，水动力学一维模型计算管网与河网，耦合降雨、蒸发与地下非饱和渗流，对环境水循环的全过程进行动力学模拟计算，并提供多种简化选项。

(2) 地下水渗流：采用地下水模型计算地下水渗流过程。

(3) 降雨径流模型：采用水文模型或神经网络分析预报径流过程。

二．基于云的水动力水质信息系统

HydroInfo建立基于云的水动力计算系统，为使用者提供远程计算服务。用户只需要使用浏览器就能够完成复杂的水动力学自动化建模以及计算模拟，省去了繁琐的软件安装过程。此外，将模型以及计算结果集成到WebGIS平台，实现无插件、GPU硬件加速、空间多维度展示水动力计算结果，为决策制定者提供科学依据。

在服务器端，水动力学模型HydroInfo提供计算服务，是整个系统的核心，包括离散方法、数值模型、文件系统、数据库引擎等部分。数据库提供整个系统的数据支持，包括图形、建模、计算、水文数据等；在浏览器端，主要有两部分：建模部分以及流场展示部分。主要功能为数值模型建模、参数设置、模拟结果统计查询以及流场的展示等；Ajax 技术用于在浏览器与Web 服务器之间使用异步数据传输（HTTP 请求），这样可在不重新加载页面的情况下与Web 服务器交换数据，即不需要刷新整个页面，就可以产生局部刷新的效果。

由于基于云的水动力计算系统的整个用户体验都是基于网络的，因此前端设计对于平台整体的可用性具有关键的作用。现在的前端框架允许以组织良好和高效的方式来管理大型项目，采用了功能强大的前端框架VUE。本系统涉及到强交互的网络内容，包括表单、表格、图形等，是VUE项目的典型应用场景。同时采用VUE框架大大提高了源代码的可维护性。