基于多重网格的地表水文与二维水动力动态双向耦合模型研究

针对流域洪涝模拟模型的计算精度、格式稳定性及计算效率等问题,本文提出基于多重网格技术的地表水文与二维水动力动态双向耦合模型(M-DBCM)。地表水文模型采用非线性水库法模拟降雨产流和径流;二维水动力模型采用浅水方程模拟洪水演进过程。采用不同分辨率的网格划分计算区域,在粗网格区域采用地表水文模型模拟降雨径流过程;在细网格区域采用二维水动力模型模拟洪涝积水区的水流运动。地表水文和二维水动力模型通过内部耦合移动界面(Coupling Moving Interface, CMI)实现无缝连接,保证通过CMI的水量和动量等通量守恒,提高模型的模拟精度。采用时间显式格式同时求解地表水文和水动力模型,在不同区域采用不同的计算时间步长,以提高模型的计算效率。通过典型案例验证本文构建的耦合模型的性能,结果表明本文提出的动态双向耦合模型能够在保证模拟精度的同时提高计算效率。     

基于耦合水动力模型的广州市东濠涌流域洪涝模拟

东濠涌流域位于广州市中心城区越秀区内,调研分析流域内积水点淹没成因与利用数值模拟方法研究该城市流域洪涝过程并获得一定可靠性和精度的洪涝水情信息,可为相关部门抢险救灾决策提供理论参考和科学依据。根据城市洪涝过程的水文水力学方法原理,以SWMM作为一维模型基础,采用动态链接库文件(DLL)方法耦合二维水动力模型,通过侧向、正向和垂向的连接构建耦合水动力模型,以东濠涌流域为研究区域构建基于耦合水动力模型的东濠涌流域洪涝模型并选用两场实测降雨对模型进行模拟分析。结果表明:模型在一维排水系统的排水能力与二维地表积水的模拟均具有较好的精度和可靠性。该耦合水动力模型在东濠涌流域的应用进一步证明了耦合模型连接算法的合理性和可行性,对城市洪涝模拟分析有较好的应用价值。     

复杂河网地区气候-水文-水动力耦合模型模拟

以淮河流域中下游结合部的洪泽湖周边滞洪区为研究对象,基于紧耦合技术,将一维和二维水动力模型进行耦合,基于松耦合技术,将气候模型与水文模型、水文模型与水动力模型进行耦合,实现了流域、河网、蓄滞洪区和湖泊复杂系统气候-水文-水动力单向耦合,并对气候变化影响下的复杂河网地区水流演进进行了模拟。结果表明:构建的气候-水文-水动力耦合模型对洪泽湖周边滞洪区洪水演进具有较好的模拟能力和适应性;气候变化导致未来淮河流域洪水量级增加,加大了洪泽湖周边滞洪区的洪水风险。     

基于水文水动力学耦合的洪水预报模型研究及应用

为了提高下垫面变化剧烈流域的洪水预报精度,在传统流域水文模型的基础上耦合水动力学模型,建立水文水动力耦合洪水预报模型。首先利用水文模型获得某一断面的流量过程作为水动力学模型的边界条件;之后利用一维水动力学模型进行河道洪水演进计算,推求流域出口断面的流量过程;最后以烟台市外夹河流域为例进行验证。结果表明,所建水文水动力耦合模型模拟的产流合格率较高,流量过程与实测值吻合,在一定程度上弥补了集总式水文模型不能考虑河道内复杂水流运动的不足,因此对具有复杂水文、水力条件的流域的洪水预报具有重要的指导意义。     

城市洪涝模型及CPU-GPU异构并行计算技术研究进展

在全球气候变暖和城市化背景下，城市洪涝问题日益严峻。为尽可能减少城市洪涝灾害造成的损失，提高城市对突发性强降雨事件的应急处理水平，开展城市洪涝数值模拟技术研究具有十分重要的意义。本文从城市洪涝精细化和高效模拟角度出发，综述了城市洪涝模型、CPU-GPU异构并行计算的研究进展，系统总结了产汇流模型、一维河道/管网模型、二维地表模型、耦合模型、快速城市洪涝模型的构建方法和CPU-GPU异构并行计算的关键技术。针对当前城市洪涝模型研究中的不足之处，需要开展城市洪涝过程全物理机制模拟研究，深入分析全水动力城市洪涝模型的适用性、模拟精度和计算效率；还需基于异构并行计算技术，实现城市洪涝模型一维河道/管网、二维地表淹没的快速模拟，为城市暴雨洪涝精细化与高效模拟奠定基础。     

1D/1D及1D/2D耦合水动力模型构建方法研究

为实现高速率、精细化的洪涝模拟,以丹麦R市A区的排水系统为研究对象,构建和比较基于GIS空域建模技术及SWMM水动力耦合的1D/1D(双一维)排水模型与基于MIKE URBAN的1D/2D(一维管流和二维洪涝)耦合排水模型,对研究区的排水系统进行暴雨洪涝模拟及评估比较。研究两种模型的建模过程、模拟精度及计算效率,描述两种模型的优劣性和适用条件。结果表明:1D/1D排水模型可实现地表淹没的拓展分析,同时确保较高的稳定度和运算速度,且在较低重现期下具有较高的计算精度,适用于大尺度、应急管理且模拟精度要求相对较低的情景; 1D/2D排水模型能实现地表积水的双向流动计算,具有良好的精细度,但其信息处理和计算时间较长,适用于计算环境和模拟精度要求较高的情景。研究结果将为不同情景、不同尺度的洪涝模拟提供科学依据。     

空间嵌套式流域水文模型的初步研究——以三峡水库入库洪水预报为例

三峡水库的防洪调度是多任务和多目标的,既需要掌握整个长江上游的水、雨和工情,也不能忽视三峡区间洪水信息。本论文以三峡水库入库洪水预报为例,依据入库洪水特性,在整个长江上游和三峡区间分别构建了大小两种尺度网格单元的分布式水文模型,并与一维和二维非恒定流的库区水动力学模型相结合,初步实现了这两种尺度水文模型的空间嵌套,以此探讨适合于大型流域数字水文模拟的空间嵌套式流域水文模型结构与构建方法。研究初步表明,嵌套模式构建的流域水文模拟方法,能够解决大流域水文模拟中多尺度之间的衔接问题。     

基于水文水动力耦合模型的钱塘江流域洪水预报研究

基于实时水雨情监测数据的洪水演进机理模型叠加降雨产汇流水文模型可有效提高洪水预报精度。采用MIKE11的NAM水文模型与HD水动力模型耦合方法,收集和处理了钱塘江流域大量降雨、水位、流量等水文、地形资料,构建钱塘江衢州-澉浦段降雨径流-水动力演进模型,通过多次历史洪水资料进行率定和验证,从确定性系数、水量相对误差、洪峰相对误差、水位相对误差及峰现时差等多方面进行预报精度评定。结果表明：水文与水动力模型耦合方法可有效增加洪水预报模拟精度。     

流域水文、水动力、水质模型联合应用研究进展

流域水文、水动力、水质模型联合应用可以实现水资源从源头运动到不同水体的全过程模拟,对水资源开发利用与综合管理决策具有重要的意义.为深入了解流域耦合模型的发展与演变过程,总结了水文、水动力与水质3类模型的结构与特点,探讨了各类模型在耦合应用中的作用,综合评价了单向传输耦合、双向传输耦合与接口传输耦合各自的优势与不足,并对...     

大陆泽及宁晋泊蓄滞洪区洪水风险实时分析系统研发

为探索洪水风险图成果应用,选取海河流域第一大蓄滞洪区——大陆泽、宁晋泊作为试点,开展洪水风险实时分析技术及系统研发。项目针对蓄滞洪区特点,构建了上游小流域水文模型,以及蓄滞洪区一二维耦合水动力模型,结合实时雨水情,实现了水文—水动力耦合的洪水风险实时分析。其中,水文模型实现对上游河道的实时/未来(预报降雨)洪水预报;一二维耦合水动力模型,通过在二维网格边元概化一维河网,可快速(少于30 min)完成历时一周的洪水模拟,并考虑入渗影响及堰闸、分区滞洪的实时调控。在此基础上,基于自主研发GIS平台,建立洪水风险实时分析系统,实现了上游不同来流及蓄滞洪区不同调度运用情况下的实时洪水演进和风险评估。     

小流域暴雨山洪水文模型与水动力学方法计算比较分析

针对小流域暴雨山洪精细模拟问题,提出了小流域时空变源混合产流模型,以小流域为单元构建了暴雨山洪分布式模拟模型,开发了可视化时空变源分布式水文模型软件FFMS和水动力学计算软件FHMS。以宝盖寺小流域场次暴雨洪水计算为例,分别采用水文学和水动力学方法计算了小流域暴雨山洪过程,并分析了两种方法的计算精度、效率、实用性等。案例研究结果表明:(1)水文与水动力学方法均可实现小流域暴雨山洪的模拟,模拟结果与实测基本一致;(2)对于无资料小流域暴雨洪水计算,水文学建模速度快,计算效率更高,水动力学方法建模和计算效率更低;(3)在复杂地形条件下暴雨洪水形成机理、演进过程模拟方面,水动力学计算结果更加精细和准确;在山区中小流域洪水预报预警方面,水文学方法更加实用。     

基于数值天气预报模式的流域中期径流预报

研究耦合天气预报模式的径流预报对提高预报预见期及流域防洪减灾具有重要意义。以金溪池潭水库流域为例,通过尺度转换和气象要素联结实现GEM和GFS两种数值天气模式与新安江模型的单向耦合,进行流域水文模拟以及中期径流预报。日径流过程和次洪过程模拟结果发现耦合数值天气预报模式的流域中期径流预报能够较好地预估一段时间内的径流总量,而对洪峰以及洪水过程预报能力稍有不足。预报误差来源有水文模型误差和降水预报误差两种,且降水预报的误差在水文模型中会有放大的效应,这增加了中期径流预报的不确定性。     

分流量区间BMA方法在小流域暴雨山洪模拟中的应用——以官山小流域为例

小流域山洪灾害具有成灾时间短、突发性强、危害性大、频次多等特点,严重威胁着区域内社会经济发展和人民群众生命财产安全。受当前山区雨洪资料少、产汇流机理不够完善所限,小流域的暴雨洪水模拟存在着可靠性差、精度低的问题。以我国中部秦巴山区山洪灾害典型流域官山小流域为研究对象,搜集了近期代表性较好的10场洪水,以TOPMODEL、TUWMODEL和新安江模型结果为基础,基于分流量区间BMA方法计算模型权重,提出适用于小流域的水文集合预报模型。结果显示,相比单一水文模型,分流量区间BMA方法模拟的洪峰流量、洪量和峰现时间指标的合格率可分别提高4.5%、39.7%和48.9%,为官山小流域洪水模拟提供了一种有效的模拟手段。研究成果对提高山区小流域洪水预报精度具有一定的理论意义和实践价值。     

山前小流域水文—水力学耦合洪水预报研究

为了提高受人类活动影响显著的小流域洪水预报精度,以浙江省杭州市东苕溪流域为研究对象,分别以半分布式新安江模型、平原区水文模型、分洪区水动力模型以及一维河网模型模拟山区、平原区、分洪区以及河道的洪水过程,在卡尔曼滤波实时校正技术的支持下,建立流域水文—水力学耦合预报模型。通过对1996年以来瓶窑站典型洪水进行率定和验证,表明该模型符合东苕溪预报的精度要求。在2012年"海葵"台风的实时预报应用中,该模型发挥了辅助决策的作用,可作为后期防汛决策的参考。     

基于水文水动力耦合模型的三江流域防洪模拟预报应用研究

为解决下游河网站点防洪模拟预报过程中存在预报精度偏低,以及采用水动力模型方法时所需资料数量过于庞大的问题,基于不同下垫面水文特征的分布式架构模型理论,通过对流域内山丘和平原区各阶段产汇流进行分解模拟的方式,建立了以交界面动量与通量交换实现互馈耦合的水文水动力一体化模型。以三江流域为研究区域,构建耦合了上游山丘区、平原区和下游长江水动力模型,利用代表站点开展了全流域一体化模型的率定与验证工作。对流域内 2016—2022 年降雨进行分析和场次降雨大于 100 mm 的多场洪水进行验证,结果显示耦合模型的模拟精度较好,在不需要大量资料的前提下有效提高了平原河网区预报精度及整个流域防洪调度能力,具有较强的借鉴意义,可为其他类似流域防洪模拟预报研究提供参考。     

大流域洪水预报与洪水调度管理方法研究

采用水文学与水力学、确定与随机相结合的方法，研究大流域洪水预报与洪水调度管理。确定性模型采用降雨～径流模型的新安江模型和经验预报方案进行流域流量过程预报，一维非恒定流水力学方法进行河道流量与水位以及蓄滞洪预报。随机模型采用线性动态模型进行下断面水位实时预报，最小二乘递推模型进行误差实时校正。以长江支流修水流域为例，采用新安江模型、经验方案进行万家埠与柘林水库入库洪水预报作为水力学计算的上边界条件，采用一维非恒定流水力学方法进行河道洪水流量、水位计算以及分洪计算。该方法为流域的防洪减灾提供了科学的途径。     

分布式水文模型结合气象预报方法初步探讨

为了尽量消除因流域空间非均一性引起的水文模拟不确定性,采用基于GBHM分布式水文模型以及具有明确物理意义的模型参数,利用三峡区间2011年5~6月期间的气象预报信息,探讨该区域实时洪水预报方法,以及不同预见期的洪水预报精度。结果表明,分布式水文模型与气象预报数据结合,能够较好地模拟该区间的洪水过程。该方法在一定预见期内能够对实时洪水过程进行预报,预报精度很大程度上取决于降水预报的准确性。     

HEC-HMS模型在城市化流域洪水模拟中的应用

流域城市化过程影响了城市洪水形成的产汇流条件,显著增大了流域洪水模拟预报难度。采用HECHMS水文模型,选取秦淮河流域城市化前1980~1988年间共8场降雨-径流过程、城市化后2007~2013年间共7场降雨-径流过程开展洪水模拟研究,率定城市化前后不同土地利用情景下的产汇流参数,并设计城市化影响洪水模拟方案,对比分析城市化影响下的流域水文响应。结果表明:HEC-HMS模型在秦淮河流域城市化前后均具有很好适用性,且单峰洪水过程模拟精度高;城市化后流域内其他用地向城市建设用地转移,流域内不透水面积增加明显,使得产流量增加,洪峰流量增大,峰现时间提前约2 h。