智慧防洪对水利业务模型的功能需求与技术实现构想

文/吕 娟 张大伟

（中国水利水电科学研究院减灾中心）

当今时代，以数字化、智慧化为特征的新一轮产业革命正在兴起。水利部高度重视智慧水利建设，明确了构建数字孪生流域、建设具有“四预”功能的“2+N”业务应用体系和完善网络安全防护体系的智慧水利建设主要任务。所谓“四预”，即预报、预警、预演、预案，并提出以数字化场景、智慧化模拟、精准化决策为其实现路径。满足“四预”功能的智慧防洪系统已成为水利高质量发展的显著标志，对系统中用到的水利业务模型提出了更高要求。

防洪信息化系统中的水利业务模型现状

当前防洪信息化系统中主流水利业务模型多数还是基于传统的水文方法，如API 模型、河道上下游水位/流量相关的经验模型、时段单位线法、滞后验算法、马斯京根河道汇流演算法和各种基于概念的集总式水文模型或半分布式水文模型。这些模型和方法在业务应用中发挥了重要作用，在很多案例中也取得了较好结果，但缺陷也非常明显，其可靠性严重依赖历史水文数据，在水文资料缺失地区应用非常困难。

我国社会经济正处于快速发展时期，在人类活动和气候变化双重影响下，流域下垫面条件和局地气候特征不断变化，这种变化不能及时反映在依靠历史水文数据率定好的预报方案中，用过去的方案预测当前变化环境下的洪水态势，其准确程度将会大打折扣。

满足“四预”功能的水利业务模型需求

具备“四预”功能的智慧防洪系统是在数字孪生流域数据本底的基础上，通过智慧化模拟的手段来支撑精准化决策。这其中，智慧化模拟环节对水利业务模型提出了更高的需求。

①水利业务模型应与支撑数字孪生流域的高分辨率基础数据相匹配。传统的水利业务模型大多是集总式的，不需要高分辨率的基础数据来支撑，但是这类模型仅能提供流域内控制节点处的水文要素信息，无法得知流域面上的水文要素信息，这显然不能完全满足在数字流场内进行精细化推演的需求。

②水利业务模型应能自动适应各种复杂流态的精确模拟。我国地形地貌多样，既有陡峭的山地丘陵区，也有地势平缓的河网内涝区；汇流方式复杂，既有沟溪江河的汇流，也有坡面薄层水流的汇流，还可能有一旦工程失事伴随着激波而发生的水流，水利业务模型要能准确模拟各复杂流态条件下的水流运动过程。

③水利业务模型要能处理流域中存在着的堰、闸、坝、泵、涵等构筑物，能够根据构筑物的几何尺寸、过流特点、调度规则等准确模拟通过构筑物的水流过程。

④水利业务模型的计算性能和效率要能支撑智慧防洪业务需求。精细化的水利业务模型必然伴生着计算资源的增加和计算用时的延长，如何在可获取的算力条件下寻求精细化和效率化的平衡，将是一个长期命题。

面向数字孪生流域的新一代水利业务模型构想及实践

综上可知，充分考虑水流运动机理，主要基于水动力机制的新一代水利业务模型将成为数字孪生流域智慧防洪系统建设的新需求之一。

>图1 基于FASFLOOD 的淮河干流一维洪水计算结果

产流计算方面：基于不同的下垫面特点，尽量选取适宜的具有物理机制的产流计算方法，如采用Richards方程计算非饱和土壤水运动过程。汇流演进计算方面：流域地表水流运动多属于浅水运动的范畴，可以用一维、二维浅水方程组来描述该过程。近些年，以求解Riemann 近似解为基础的有限体积法已成为浅水数值模拟领域的流行方法，该方法可以自动适应流态过渡、捕捉激波和间断，因此坡面汇流、沟道汇流、分洪演进等过程均可以采用该方法进行模拟。此外，随着GPU 硬件技术的快速提升和配套开发环境的完善，基于GPU 的异构并行算法在浅水数值模拟领域得到了飞速发展，使得流域汇流演进全过程的水动力快速模拟成为可能。

案例简介

> 图2 基于FASFLOOD 的蒙洼蓄洪区分洪计算结果

在2021 年开展的淮河流域“四预”系统试点建设中，采用中国水利水电科学研究院自主研发的“通用高性能洪水分析计算软件FASFLOOD”建立了从淮滨到正阳关淮河干流段的一维水动力模型及蒙洼、邱家湖、姜唐湖和南润段等蓄滞洪区的二维水动力模型，模型均基于有限体积法，采用支持GPU 加速计算的CUDA 语言开发。在RTX3000 单块显卡上模拟166km长的淮河干流30 天洪水运动过程仅用时18s，模拟10 万网格单元内蒙洼等蓄滞洪区5 天左右的分洪过程用时不超过40s（部分计算结果如图1 和图2所示）。该模型初步实现了洪水推演秒级计算的要求，为下一步智慧水利工作全面开展打下了良好基础。