數(shù)字模型技術(shù)在水利行業(yè)的應(yīng)用及展望

□師 琨（福建水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院）

數(shù)字模型技術(shù)在水利行業(yè)的應(yīng)用及展望

□師 琨（福建水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院）

計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)的不斷進(jìn)步以及軟件技術(shù)的不斷拓展，加速了模型技術(shù)由實(shí)體物理模型向電子數(shù)字模型的演變。在水利行業(yè)中，數(shù)字模型技術(shù)正在改變著傳統(tǒng)思路和方法，借助自身的強(qiáng)大功能，不斷提升工作的精度和廣度。文章通過對(duì)主要數(shù)字模型技術(shù)的介紹，并借助“948”項(xiàng)目對(duì)Infow orks RS軟件的應(yīng)用實(shí)例，證明數(shù)字模型技術(shù)在水利行業(yè)中確實(shí)有著較好的應(yīng)用前景。

水利行業(yè)；數(shù)字模型技術(shù)；應(yīng)用；展望

1 前言

“興水利，除水害”是水利部門多年的愿望和期許，也是一直以來為之努力和奮斗的目標(biāo)。新中國成立以來，水利行業(yè)取得了舉世矚目的成就，完成了諸如三峽大壩等多個(gè)為世人所贊嘆的超大型工程，也形成了一套較為完善的理論和應(yīng)用體系。模型技術(shù)在水利行業(yè)的應(yīng)用由來已久，早些年的模型多為物理模型。黃河水利委員會(huì)在鄭州市建設(shè)了黃河物理模型，用于研究黃河的流態(tài)以及泥沙問題，很多高校也都有自己的水利模型實(shí)驗(yàn)室。這些模型的最大優(yōu)點(diǎn)在于直觀，可以直接觀測(cè)到每一處的河流形態(tài)，模擬結(jié)果也較為合理。但這類模型多占用較大的場地，可變性差，更改外界條件將產(chǎn)生較大的時(shí)間成本和費(fèi)用，且隨著時(shí)間的推移，一些物理固件的老化，也會(huì)影響其模擬的合理性。近些年，數(shù)字模型理念逐步引入中國，其中最為著名的是由河海大學(xué)團(tuán)隊(duì)開發(fā)的新安江模型。該模型應(yīng)用水文與水資源專業(yè)的相關(guān)理論和方法，結(jié)合計(jì)算機(jī)程序自行完成區(qū)域產(chǎn)匯流的計(jì)算，經(jīng)多年參數(shù)調(diào)整和實(shí)踐檢驗(yàn)，具有較好的精準(zhǔn)度和合理性。除新安江模型之外，國外各大水利研究機(jī)構(gòu)經(jīng)多年的研究和開發(fā)，也推出了實(shí)用性較好的商業(yè)軟件，其中在國內(nèi)應(yīng)用較多的，主要有SWMM模型、MIKE系列軟件和Infoworks系列軟件。

2 SWMM模型及在水利行業(yè)中的應(yīng)用

SWMM模型，全名為storm water manager model，由美國環(huán)保局在20世紀(jì)70年代，運(yùn)用校企合作的模式開發(fā)得來，主要用于城市管網(wǎng)排水系統(tǒng)的管理。近年來，隨著國內(nèi)城市排水矛盾的日益加劇，該模型在我國的北京、深圳等地均有應(yīng)用研究，并取得了較好的模擬成果。SWMM模型運(yùn)用霍頓下滲理論，將地面分為透水層和不透水層，同時(shí)將模擬區(qū)域分割為多個(gè)子模塊，通過求解圣維南方程，分別計(jì)算每個(gè)子模塊的地面匯流、管網(wǎng)匯流等，最后將各子模塊的匯流進(jìn)行疊加，得出各區(qū)域出口斷面的流量。此外，SWMM模型也可用于水質(zhì)模擬。

3 MIKE系列模型及在水利行業(yè)中的應(yīng)用

MIKE系列軟件，由丹麥水資源與水環(huán)境研究所開發(fā)，是進(jìn)入中國較早的商業(yè)軟件，也是在國內(nèi)應(yīng)用較為成熟的商業(yè)軟件。該系列軟件包含眾多模塊，包括MIKE11、MIKE21、MIKE SHE、MIKE BASIN以及MIKE 3等等，其應(yīng)用范圍涵蓋了諸如產(chǎn)匯流計(jì)算、水動(dòng)力學(xué)模擬運(yùn)算、海岸分析、城市給排水計(jì)算、灘區(qū)淹沒模擬計(jì)算、水資源調(diào)度運(yùn)算、地下水與地表水聯(lián)合運(yùn)算等，應(yīng)用非常廣泛，基本可以在水利行業(yè)的各個(gè)部門發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)。

MIKE11：該模塊涵蓋了多個(gè)應(yīng)用模型，包括水動(dòng)力學(xué)模型、洪水預(yù)警模型、水質(zhì)模型、降雨產(chǎn)匯流模型等等，可以在一維維度對(duì)河流、管網(wǎng)等進(jìn)行模擬，是出現(xiàn)比較早、較為基礎(chǔ)的模塊。該模塊在廣東省珠江流域的多個(gè)城市有實(shí)際應(yīng)用，效果良好。

MIKE21：該模塊將應(yīng)用拓展至二維空間，除可以計(jì)算顯示基礎(chǔ)的流速、水位等數(shù)值之外，還可以計(jì)算顯示如區(qū)域流場，點(diǎn)流向等數(shù)據(jù)。其應(yīng)用范圍亦擴(kuò)大到諸如潮汐、海岸等區(qū)域。

MIKE-SHE：該模塊為分散式水文模型，主要用于進(jìn)行地表水和地下水的水資源管理問題。

MIKE BASIN：該模塊內(nèi)置了降雨產(chǎn)匯流模塊和水質(zhì)模塊，可進(jìn)行區(qū)域產(chǎn)匯流計(jì)算以及水質(zhì)及污染物分析計(jì)算，主要應(yīng)用方向?yàn)樗畮靸?yōu)化調(diào)度以及水資源的優(yōu)化配置。同時(shí)，該模塊的開發(fā)性較好，可與其他軟件進(jìn)行端口融合。國內(nèi)多家部門使用該軟件進(jìn)行了水資源調(diào)配、水資源管理等的應(yīng)用研究，效果較好。

MIKE3：即三維水流模擬模塊，該模塊在計(jì)算方法上與其他模塊類似，均以圣維南方程為基礎(chǔ)進(jìn)行六點(diǎn)隱式拆分，主要針對(duì)自由表面水體進(jìn)行水動(dòng)力學(xué)模擬。不過其表現(xiàn)力強(qiáng)勁，生動(dòng)而真實(shí)，未來應(yīng)用前景較好。

4 Infow orks系列模型及在水利行業(yè)中的應(yīng)用

Infoworks系列模型由英國wallingford公司開發(fā)生產(chǎn)，包含RS、CS、WS和SD四個(gè)模塊，其中RS主要用于模擬河流水動(dòng)力學(xué)以及相關(guān)水工建筑物；CS主要用于模擬城市管網(wǎng)和下水道系統(tǒng)；WS主要用于模擬城市供水系統(tǒng)；SD主要用于模擬海岸風(fēng)暴潮等。

借助水利部“948”項(xiàng)目契機(jī)，該軟件的RS模塊曾在福建省某山區(qū)流域進(jìn)行了應(yīng)用研究。該山區(qū)流域的上游為一片約140km2的山區(qū)，地質(zhì)條件較為單一，植株較為茂密；下游為一片約60 km2的平原區(qū)，地形較為平緩，周圍有居民居??；流域最下部為河流匯合口。為驗(yàn)證軟件計(jì)算成果的合理性，從往年資料中選取了兩場較為典型、影響較為嚴(yán)重的臺(tái)風(fēng)作為驗(yàn)證參考。

首先，對(duì)上游山區(qū)做產(chǎn)匯流參數(shù)率定計(jì)算。從水文年鑒中選取了7場較為有代表性的降雨，應(yīng)用RS模塊自帶的流域水文模型PDM軟件，對(duì)區(qū)域的降雨產(chǎn)匯流系數(shù)進(jìn)行率定。該山區(qū)流域的出口處有一個(gè)綜合性水文站，有著多年的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，剛好可以用來對(duì)比分析計(jì)算結(jié)果。通過率定計(jì)算，最終確定了區(qū)域的降雨換算因子（類似于產(chǎn)流系數(shù)）、降雨成流滯時(shí)、最大和最小下滲深度、Pareto指數(shù)、線性水庫系數(shù)等，同時(shí)計(jì)算得出的流量過程線與實(shí)測(cè)流量過程線在峰值和過程線方面均吻合較好。

其次，在完成參數(shù)率定之后，運(yùn)用率定得到的參數(shù)，將臺(tái)風(fēng)期間的實(shí)測(cè)降雨過程錄入PDM軟件，計(jì)算得到臺(tái)風(fēng)降雨所產(chǎn)生的洪水過程線，再將該過程線錄入下游平原區(qū)的一維和二維河道水動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)。系統(tǒng)運(yùn)用RS模塊的ISIS計(jì)算引擎根據(jù)所分配的流量過程線、河道斷面的水力學(xué)特性、河道中出現(xiàn)的水工建筑物以及下游出口處的水位過程線，運(yùn)用四點(diǎn)隱式計(jì)算法拆分圣維南方程組，計(jì)算獲得每個(gè)河道斷面的流量、水位、流速、弗勞德數(shù)等數(shù)據(jù)。

最后，進(jìn)行結(jié)果驗(yàn)證和分析。當(dāng)年臺(tái)風(fēng)來襲時(shí)，水利部門在該區(qū)域共調(diào)查獲得了三個(gè)洪痕點(diǎn)，其中兩個(gè)位于平原區(qū)河道的上游，一個(gè)位于河道的中游，貼近本次水動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)中的三個(gè)水文斷面。本次模擬計(jì)算，以這三處洪痕點(diǎn)作為分析依據(jù)，判斷軟件計(jì)算成果的精確度。經(jīng)分析對(duì)比，三處洪痕點(diǎn)的計(jì)算值與實(shí)測(cè)值之間的誤差均在0.10 m以內(nèi)，相對(duì)誤差均不超過5%，滿足精度要求。

5 結(jié)論與展望

通過對(duì)SWMM軟件和MIKE系列軟件的功能介紹以及Infoworks RS軟件的實(shí)際應(yīng)用，可以看出數(shù)字模型軟件在計(jì)算功能、計(jì)算精度等方面均達(dá)到了水利部門的要求，通過多種渠道、多種環(huán)境的實(shí)際應(yīng)用和計(jì)算，數(shù)字模型軟件也逐步得到水利部門的認(rèn)可和青睞。誠然，數(shù)字模型軟件還存在著諸如硬件要求過高、應(yīng)用難度較大、功能覆蓋還不夠全面等問題，在一定程度上限制了數(shù)字模型軟件的上手速度以及推廣速度。但是，隨著技術(shù)的不斷推進(jìn)以及軟件功能的不斷拓展和優(yōu)化，相信在未來的水利工作中，上到系統(tǒng)決策預(yù)警,下到工程計(jì)算規(guī)劃，都將出現(xiàn)數(shù)字模型的身影，將伴隨著水利一起，踏上新的征程，走向新的輝煌。

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（責(zé)任編輯：符 蕾）

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