安澜模拟系统的构建与应用

黄 海，关见朝，张 磊，王大宇

（中国水利水电科学研究院 泥沙研究所，北京 100048）

1 研究背景

伴随着基础理论、数值算法和信息技术的长足发展，国外在水动力学软件产品上具有较大优势，所开发的模型具有较强的实用性，并充分利用计算机技术完成了系统化集成。例如，MIKE11/21/3是由丹麦水利研究所（DHI）开发的1/2/3维水动力学软件，基于GIS开发和应用，可用于河流、河口、海湾、海岸及海洋的水流、波浪、泥沙和环境的模拟，软件以组件购买的形式提供商业服务，费用高昂。Delft3D为WL|Delft Hydraulics公司开发的开源软件，把水动力、水沙、水质、生态及地貌动力学结合在一起，用于2/3维水动力数值模拟，实现了与GIS的无缝衔接，目前软件无一维水动力计算模块，且开源版本只支持曲面网格形式［1］。EFDC模型是由美国弗吉尼亚海洋科学研究所开发的开源的三维地表水水质模型，具有水动力，水环境、底泥迁移、毒性物质、风浪以及底质成岩等6个模块，属于多参数有限差分模型，水平方向只能采用正交网格，后由DSI公司基于Windows系统开发了EFDC的前后处理商业软件EFDC Explorer，友好简洁的界面设计使网格剖分、模型率定以及数据可视化等建模过程变得轻松容易［2］。FVCOM是由麻省大学海洋生态系统实验室和伍兹霍尔海洋研究所合作开发的自由表面、有限体积法、非结构网格、三维原始方程的开源海洋模式，水平方向采用非结构化三角形网格，模型集成了泥沙、水生态、水质、海冰等模块［3］。SCHISM模型是美国弗吉尼亚海洋科学研究所开发的开源2/3维水动力学软件，具有水动力、泥沙、水质、水生态、海冰和植被模块，采用三角形/四边形混合网格，模型基于Linux系统，用户交互性较为欠缺［4］。

目前，国内研发的水动力软件产品均以某方面需求为导向的专业化模型，系统化、集成化程度低，难以综合描述整个区域或流域的水动力、泥沙、水环境和水生态等过程，至今未形成可与欧美抗衡的品牌产品。例如，在泥沙数学模型方面，被广泛使用的1维模型有韩其为模型［5］、李义天模型［6］、张红武模型［7］、方春明模型［8］等，常见的2维模型有李义天模型［9］、方春明模型［10］、钟德钰模型［11］等，国内3维泥沙模型发展相对较晚，较为成熟的有方红卫模型［12］、陆永军模型［13］和胡德超模型［14］等。我国对河流水质模型研究还处于初期探索阶段，河海大学开发了河网水量、水质统一的Hwqnow模型［15］，郭磊等建立了水动力、水体污染物输运及底泥污染物输运数值模型［16］，清华大学陈永灿等建立了考虑泥沙吸附污染物和泥沙冲淤对污染物输移扩散影响的三维浑水水质模型［17］，黄磊等考虑磷在泥沙颗粒表面分布的不均匀性，构建了水沙-磷通量1/2维耦合模型［18］。

总体来说，欧美国家对水动力软件的研究比国内早，已建立了系统集成的多种水动力模型，广泛应用于水沙、水质、水生态等领域，并将其软件化，提高了模型的通用性。我国的水动力软件产品的研发还处于初期探索阶段，与国外的差距，主要不是在建立模型的方法上，而在于开发软件的系统性、集成性、通用性、界面以及开发工具、平台、数据库等方面，严重制约了研究成果向应用的转化和推广。鉴于此，中国水科院泥沙所构建了安澜模拟系统（CAES，Cross-scale All-dimensional Environment Simulation System）。系统集成了数据库、前处理、求解器和后处理等四大功能模块，实现了基于GIS平台的数据库管理、项目管理、网格/断面剖分和虚拟现实成果展示，集成了1/2/3维水沙、水质和水生态数学模块，尤其是在水沙数学模型中，不仅有传统水沙数学模型，还提供了两相浑水模型［19］可供选择，强化了四大功能模块间工作流，使得模拟工作得以标准化、流程化。本文着重介绍安澜模拟系统及其应用。

2 安澜模拟系统的构建

安澜模拟系统是一个跨尺度复合维度水沙生境模拟系统，跨尺度是指该系统可应用于包含河流、湖泊、水库、河口海岸等不同尺度的水域计算。复合维度是指可进行一、二、三维数值计算，并能开展二、三维复合模拟。水沙生境模拟是指系统集成了水沙、水质和水生态数学模块。本节将对系统的四大功能模块分别进行详细介绍。

2.1 数据库模块 数据库基于B/S架构，用于数据、项目和服务管理。数据库模块基于MySQL数据库及Spring+SpringMVC+Hibernate框架实现。MySQL是开源数据库，采用多线程编程，不会过多占用系统资源，可以灵活地提供数据管理服务，拥有稳定的基于线程的内存分配系统，具有体积小、检索速度快、稳定性高的特点。用户与MySQL服务器之间的口令传送均被安全加密，能有效保障数据安全。Hibernate框架解决了阻抗不匹配问题，可根据不同数据库动态调整sql语句，使得数据库具有较强的可移植性。数据库存储数据包括水文数据、地形数据以及项目方案数据，其中水文数据依据水利部《基础水文数据库表结构及标识符标准》（SL324-2005）设计数据存储表，包括逐日平均水位、逐日平均流量、逐日平均含沙量及泥沙级配等数据，地形数据包括一维模型断面、地形散点等，项目方案数据包含数值模拟过程中的输入文件以及计算成果文件等。用户根据权限对数据库进行使用和管理。数据库模块提供对数据的增、删、改、查等功能。

数据库能够根据用户需求制定相应的数据接口与Web服务，方便数据服务管理，提供数据服务接口供GIS平台调用，实现了数据和项目方案与地理位置信息的关联，可根据地理信息位置对数据源进行快捷查找，方便查询和管理。对存储数据（水位、流量、含沙量、泥沙级配、断面地形等）以图片形式展示，提供时间范围及空间范围选取功能，选取结果可直接导为模型计算输入文件的格式，避免人工转化数据。项目方案的输入文件和计算输出成果均可上传至数据库，项目历史有迹可循。

2.2 前处理模块 前处理模块基于GIS平台，集成了一维河网编辑和二、三维网格划分、空间坐标系转化、河网空间数字地形自动构建、水沙模型参数（糙率和初始床沙级配）自动率定调整等功能，生成的计算配置文件可以项目形式保存在数据库内（如图1）。一维河网编辑以水系拓扑图的方式绘制河网，可通过框选计算区域自动提取河网拓扑信息，可直接将数据库中已有断面位置和地形加载进一维河网中，也可通过界面导入断面起点距和断面地形信息，实现断面的增、删和编辑等操作，可设置水工建筑物（包括堰、闸、渠、虹吸管等）。2/3维平面网格剖分集成了开源的gmsh网格剖分脚本［20］，实现了河道边界勾勒、区域分块以及三角形/四边形混合网格生成功能，多维网格可基于GIS三维全景展示。空间坐标系转化功能基于地理信息理论，获取了WGS84经纬度坐标转换成为其他投影坐标的5326条坐标转换参数，通过调用Python Pyproj4功能库，可快速进行坐标系转换。河网空间数字地形自动构建功能，集成了Google Earth地形提取程序和基于KD树的地形插值功能，并对插值结果进行误差评估，可快速捕获实测地形缺失区域的地形数据，进行快速的河网空间数字地形构建。水沙模型参数（糙率和初始床沙级配）自动率定调整功能包含了糙率分区反演试算法和初始床沙级配自动调整率定方法，保证了率定所得参数的合理性，加快率定流程，大大减少了人工干预。计算文件的配置提供了三种途径：（1）从外部文件（电子表格）加载导入；（2）从数据库直接获取，并自动转换为计算文件格式；（3）通过系统交互界面直接输入编辑。配置文件可以图形化（折线图、等值线图等）方式展示，编辑完后可选择直接保存到数据库中。

图1 前处理模块界面

2.3 求解器模块 求解器模块集成了1/2/3维水动力、水沙、水质和水生态模块，能够进行2/3维度复合模拟（复合维度模拟是指在一套网格下进行二、三维分区同步模拟），可应用于包含河流、湖泊、水库、河口海岸等不同尺度的水域计算。求解器采用C/S和B/S两种方式部署，可在本地机上运行，也可通过终端界面向远程服务端提交计算任务，采用远程服务端模式支持多用户、多方案的并发计算，支持对windows/Linux平台数值模型的混合调用。一维数学模型的水沙模块是基于韩其为院士非均匀沙不平衡输沙理论［21］建立，非均匀悬移质不平衡输沙理论是泥沙运动的最前沿研究，主要包括床面泥沙交换统计规律，非均匀悬移质不平衡输沙规律、悬移质扩散方程及边界条件，非均匀沙挟沙能力统计理论等。具备几个特点：（1）可应用于计算多种复杂的水流条件（急流、缓流和临界流动）；（2）可以计算复杂断面，并且分滩槽对糙率进行设定；（3）可计算多种水工建筑物（闸、坝、渠和倒虹吸等）；（4）可建立滞洪区和河道的联系。

求解器中的2/3维数学模型采用了美国弗吉尼亚海洋科学研究所的SCHISM模型，它是开源的2/3维水动力学软件，具有水动力、泥沙、水质、水生态、海冰和植被模块，作者在SCHISM模型基础上构建了2/3维两相浑水数学模型，与传统的水沙数学模型相比，考虑了固液相间作用、颗粒紊动、颗粒碰撞等微观物理机制对挟沙水流运动的影响，能够反映流速分布、含沙量垂线分布对挟沙水流紊流调制的响应，提高了水沙模型在更大含沙量和泥沙粒径范围的适用性［19］。模型具备几个特点：（1）可应用于河流、河口和海岸等跨尺度模拟；（2）水平向采用三角形和四边形混合网格；（3）垂向采用局部sigma坐标，各个节点垂向分层数量可以不同，取决于水深；（4）可开展复合维度模拟，既可以对2维、3维分别独立计算，也可以在一套网格下进行二、三维耦合模拟（如图2）。求解器中的1/2/3维数值模型均采用高性能并行加速技术，大大提高计算效率。

图2 2/3维水动力数值模型平面混合网格和垂向局部sigma坐标

2.4 后处理模块 后处理模块的主要功能是计算结果的可视化，引入虚拟现实技术，更加真实地呈现水位、流速、泥沙和水质要素信息。后处理模块采用高效能仿真云体系架构［22］，基于三维虚拟仿真地球软件平台进行开发，平台由数据支撑层、组件支撑层与应用层三层架构组成，其中数据支撑层提供各种测绘数据的接入、组织管理、服务发布；组件支撑层包含平台引擎与二次开发组件，提供核心技术支撑与开发服务；应用层包括场景设计器及其他辅助工具，提供面向桌面与Web的行业应用解决方案。该平台实现了三维地理信息（3DGIS）和三维虚拟现实（VR）技术，支持构建全球范围无缝无边界的虚拟环境及三维仿真应用，突破了传统GIS软件三维仿真特性弱，如画面质量差、物体表面不细腻、一般无光影效果、不具备完善的仿真实体模拟系统、物理模拟系统、AI系统、三维音效系统、仿真联机系统、三维UI系统以及完善的场景编辑系统等缺陷，突破了传统VR软件地理信息功能弱，如不具备地理空间参考、无法支持超大范围（数万平方公里以上）的仿真场景，不支持测绘遥感数据（DEM、DOM、DLG、DRG）、不具备专业3DGIS分析的能力等缺陷。对于一维数值模型的计算结果，包括各断面水位、流量、泥沙和水质等信息可通过曲线图、散点图及数据表的形式进行展示。对于2/3维数值模型的计算结果（包括流场、水位、泥沙和水质等信息）可基于三维虚拟仿真地球软件平台进行虚拟现实可视化展示（如图3）。

图3 三维虚拟仿真地球软件平台

3 安澜模拟系统在长江-洞庭湖区域的应用

本文以长江-洞庭湖区域水沙数值模拟为例阐述安澜模拟系统的功能和应用情况。2003年后随着三峡及上游梯级水库群联合调度，长江中下游水沙条件发生深刻变化，长江多年平均径流量略有减小，减幅约2.8%～6.3%，输沙量大幅减少，减幅约67%～93%，致使长江中下游河道枯水河槽全线冲刷，2003—2018年期间上荆江和下荆江河槽平均冲刷分别为2.86 m和1.99 m。洞庭湖区域由荆南三口（松滋口、太平口和藕池口）分泄长江水流，洞庭湖汇集湘资沅澧来流后，于城陵矶汇入长江。近年来，洞庭湖泥沙淤积量及沉积率均大幅减小，部分年份出湖沙量大于入湖沙量。为科学高效应对新水沙条件下长江-洞庭湖江湖关系变化，有必要基于安澜模拟系统对该区域的水文地形数据、模型、项目方案进行规范化管理，对计算结果进行直观展示。鉴于洞庭湖与长江通量交换的复杂性、大时空尺度的特点，对长江-洞庭湖区域构建了全局的一维河网水沙数学模型开展大尺度、长历时模拟。

对局部重点河段，以陈家马口至城陵矶河段为例，可构建平面二维水沙数学模型，获取水位、流速和冲淤的平面分布信息（如图4）。陈家马口至城陵矶河段位于下荆江尾闾，属典型的弯曲型河道，河道蜿蜒曲折，随着三峡上游干支流水库群陆续蓄水运用，熊家洲至城陵矶河段河势调整更加剧烈，弯道弯曲半径持续减小，八姓洲狭颈区具有发生自然裁弯的有利条件，一旦发生自然裁弯，将引起上下游河势和江湖关系的巨大变化，给长江中下游的防洪、水资源利用、航运及水生态环境等带来重大影响，给区域经济社会的发展和人民生命财产带来重大损失。

图4 长江-洞庭湖区域主要河道和陈家马口至城陵矶河段示意图

3.1 数据库建立 数据库依据水利部《基础水文数据库表结构及标识符标准》（SL324-2005）格式标准化存储了长江-洞庭湖区域23个水文站1991—2018年的水文数据（水位、流量、含沙量、悬沙床沙级配），其中长江干流存储了8个重点水文站，分别是：宜昌、枝城、沙市、新厂、监利、螺山、汉口和九江；洞庭湖区（含三口河道及四水洪道）共有15个站，分别是新江口、沙道观、弥陀寺、康家岗、管家铺、安乡、大湖口、官垸、自治局、南县、草尾、小河咀、七里山、津市、石龟山。地形数据方面，入库了2957个江湖实测断面地形数据（2003、2013年）、2008、2011、2016年长江（宜昌-大通）地形数据和1995年洞庭湖区地形数据，可通过框选计算范围对断面或散点地形数据进行快速选择和导出，用于地形插值。将数据与空间地理信息相结合，用户能更快捷地获取所需数据，通过在终端的三维虚拟仿真地球软件平台点击水文站点、控制断面等对数据资料进行查看和管理（如图5）。

图5 长江-洞庭湖区域数据库（宜昌站）

3.2 前处理构建 前处理模块主要用于实现长江-洞庭湖区域一维河网划分（如图6）、陈家马口至城陵矶河段二维网格剖分，断面地形提取、散点地形插值、配置文件生成和参数设置等功能。长江-洞庭湖区域一维河网模型计算范围：长江干流上起宜昌，下至大通，区间考虑了清江、汉江、湖口入汇；洞庭湖区包括松滋河、虎渡河、藕池河三口河系，以及湘资沅澧四水尾闾。框选计算范围可实现河网拓扑信息自动提取，自动获取数据库中存储的2957个江湖实测断面起点距和断面地形信息，并可通过编辑菜单对断面进行增、删和修改等操作。区域内水文站多采用吴淞高程系，各站点与常用的1985国家高程基准的高程转换关系均不相同，平台可对空间坐标信息进行快速转化。在长江-洞庭湖一维河网水沙数学模型中，主河长江除拥有宜昌入口断面的水量沙量边界外，还有清江、汉江、湖口等水沙边界，下游大通出口断面提供水位边界。洞庭湖区的水沙条件，主要考虑湘水、资水、沅水、澧水的外部汇入，其与长江的水沙交互由河网数学模型内部计算。进出口水文信息数据（水位、流量、含沙量和悬沙床沙级配数据）依据计算起止时间从数据库中选取，并直接将实测数据转换为计算所需的配置文件。

图6 长江-洞庭湖区域一维河网断面划分示意图

长江下荆江陈家马口至城陵矶河段二维水沙数学模型，计算区域为陈家马口～城陵矶的长江干流河段和七里山～城陵矶洞庭湖入汇河段。采用前处理模块集成的2/3维平面网格剖分功能，基于卫星遥感影像开展河道边界勾勒、区域分块以及三角形网格生成的操作，最终生成可基于GIS平台三维全景展示的网格文件（如图7）。

图7 陈家马口至城陵矶河段2维网格剖分示意图

3.3 求解器调用 通过求解器模块调用一维和二维水沙数值模型，针对长江-洞庭湖区域大时空尺度采用一维水沙数学模型进行模拟，可以快速获取各控制断面的水位、流量、含沙量、冲淤变化等信息，对于局部重点河段开展二维水沙数值模拟，以长江下荆江陈家马口至城陵矶河段为例，可获取重点河段水位、流速和冲淤的平面分布信息，一维模型可为二维模型提供水沙边界条件，在同一平台上，实现大尺度一维，局部重点区域2/3维的跨尺度模拟。对于长江-洞庭湖一维河网模型，采用2003—2013年的实测资料开展了水位、流量和冲淤量的计算，对模型进行率定验证。对于陈家马口至城陵矶河段二维数学模型，模型率定计算时段起于2008年止于2009年，验证计算时段起于2010年止于2013年。

3.4 后处理生成 长江-洞庭湖区域一维水沙数值模型的计算结果，包括各断面水位、流量、含沙量和断面冲淤量，可选择断面位置、要素名称和相应的验证水文站，即可生成图片。如图8是长江干流2003—2013年部分水文站的水位流量验证计算值与实测值对比图，可见各站模型计算水位流量关系与实测吻合较好。如图9是2003—2012年长江中游分段冲淤量计算结果与实测值对比，可见计算值与实测值符合良好。

图8 长江干流部分站点2003～2013年水位流量计算值与实测值对比

图9 长江中游2003—2012年河道冲淤验证结果

对三口河道分流分沙的验证，使用了2003—2013年实测资料，计算所得松滋河、虎渡河和藕池河三口分流和分沙值如表1。三口分流分沙计算值与实际值符合良好，模型计算2003—2013年三口年均分流分沙量分别为453亿m3和1226万t，与实测值相比分流量小3.82%，分沙量大13.2%。通过验证计算所得长江与荆江三口各站水位流量关系曲线、长江干流分段冲淤结果，以及三口分流分沙量可以判定以此模型研究三峡下游河道冲淤变化是可靠的。

表1 2003—2013年三口年平均分流分沙量验证

对于陈家马口至城陵矶河段二维水沙数学模型，图10给出了盐船套广兴洲2009年的实测日均水位值与计算值对比，采用了糙率自动率定调整功能，二者符合良好，说明二维模型能够合理反映研究河段内的水位情况。率定所得模型的糙率介于［0.02，0.035］区间。

图10 二维模型水位率定结果（广兴洲站2009年日均水位）

图11给出了研究河段典型断面（断面位置见图4）2008年和2013年的实测轮廓，以及2013年的验证计算结果，模型计算结果能够合理反映各断面的冲淤变化趋势，特别是荆182等冲淤变化较大的断面，其实际冲淤变化趋势也被模型真实反映。

图11 陈家马口至城陵矶河段典型断面地形验证对比

对于陈家马口至城陵矶河段二维水沙数学模型的计算结果，可基于三维虚拟仿真地球软件平台进行虚拟现实可视化展示，可对监测点水位、断面冲淤、水流流态进行动态展示（如图12）。

图12 基于三维虚拟仿真地球软件平台的可视化展示

4 结论

本文系统介绍了中国水利水电科学研究院泥沙所研发的安澜模拟系统。该系统实现了：（1）工作流程的规范化管理。集成了数据库、前处理、求解器和后处理模块，统一数据格式，避免了频繁的数据转换和平台切换，大大提高工作效率。（2）项目和数据的体系化管理。基于三维虚拟仿真地球软件平台构建数据库，对实测水文数据、地理信息数据以及项目数据等基于地理信息进行管理，便于查询、编辑和复用；（3）集成的求解器模块。集成了1/2/3维水沙、水质和水生态数学模块，尤其是在水沙数学模型中，不仅有传统水沙数学模型，还提供了两相浑水模型可供选择；（4）基于三维虚拟仿真地球软件平台的模拟结果呈现。引入三维虚拟仿真展示技术，对水位、流场、含沙量和冲淤分布等计算结果进行直观展示。

本文以长江-洞庭湖区域水沙数值模拟为例阐述安澜模拟系统的功能和应用情况。基于安澜模拟系统对该区域的水文地形数据、模型、项目方案进行规范化管理，对计算结果进行直观展示。长江-洞庭湖区域的水位、冲淤、三口分流分沙模拟结果真实可靠，为科学高效应对新水沙条件下长江-洞庭湖江湖关系变化提供了坚实的技术保障。

安澜模拟系统的设计架构充分考虑完整性、兼容性和可扩展性，系统集成了1/2/3维水沙、水质和水生态数学模块，基本满足江河湖库、河口海洋的水动力模拟需求，平台支持对windows/Linux平台的混合调用，便于其他数值模型（例如：水文模型、气象降雨模型、城市洪涝模型等）的扩展集成，未来可基于OpenMI标准接口，为模型之间提供步长级的互操作耦合求解平台，数据库、前处理和后处理模块采用组件化形式架构，可方便地配合数值模型的集成进行功能扩展。