安瀾模擬系統(tǒng)的構(gòu)建與應(yīng)用

黃 海，關(guān)見(jiàn)朝，張 磊，王大宇

（中國(guó)水利水電科學(xué)研究院 泥沙研究所，北京 100048）

1 研究背景

伴隨著基礎(chǔ)理論、數(shù)值算法和信息技術(shù)的長(zhǎng)足發(fā)展，國(guó)外在水動(dòng)力學(xué)軟件產(chǎn)品上具有較大優(yōu)勢(shì)，所開(kāi)發(fā)的模型具有較強(qiáng)的實(shí)用性，并充分利用計(jì)算機(jī)技術(shù)完成了系統(tǒng)化集成。例如，MIKE11/21/3是由丹麥水利研究所（DHI）開(kāi)發(fā)的1/2/3維水動(dòng)力學(xué)軟件，基于GIS開(kāi)發(fā)和應(yīng)用，可用于河流、河口、海灣、海岸及海洋的水流、波浪、泥沙和環(huán)境的模擬，軟件以組件購(gòu)買(mǎi)的形式提供商業(yè)服務(wù)，費(fèi)用高昂。Delft3D為WL|Delft Hydraulics公司開(kāi)發(fā)的開(kāi)源軟件，把水動(dòng)力、水沙、水質(zhì)、生態(tài)及地貌動(dòng)力學(xué)結(jié)合在一起，用于2/3維水動(dòng)力數(shù)值模擬，實(shí)現(xiàn)了與GIS的無(wú)縫銜接，目前軟件無(wú)一維水動(dòng)力計(jì)算模塊，且開(kāi)源版本只支持曲面網(wǎng)格形式［1］。EFDC模型是由美國(guó)弗吉尼亞海洋科學(xué)研究所開(kāi)發(fā)的開(kāi)源的三維地表水水質(zhì)模型，具有水動(dòng)力，水環(huán)境、底泥遷移、毒性物質(zhì)、風(fēng)浪以及底質(zhì)成巖等6個(gè)模塊，屬于多參數(shù)有限差分模型，水平方向只能采用正交網(wǎng)格，后由DSI公司基于Windows系統(tǒng)開(kāi)發(fā)了EFDC的前后處理商業(yè)軟件EFDC Explorer，友好簡(jiǎn)潔的界面設(shè)計(jì)使網(wǎng)格剖分、模型率定以及數(shù)據(jù)可視化等建模過(guò)程變得輕松容易［2］。FVCOM是由麻省大學(xué)海洋生態(tài)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室和伍茲霍爾海洋研究所合作開(kāi)發(fā)的自由表面、有限體積法、非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格、三維原始方程的開(kāi)源海洋模式，水平方向采用非結(jié)構(gòu)化三角形網(wǎng)格，模型集成了泥沙、水生態(tài)、水質(zhì)、海冰等模塊［3］。SCHISM模型是美國(guó)弗吉尼亞海洋科學(xué)研究所開(kāi)發(fā)的開(kāi)源2/3維水動(dòng)力學(xué)軟件，具有水動(dòng)力、泥沙、水質(zhì)、水生態(tài)、海冰和植被模塊，采用三角形/四邊形混合網(wǎng)格，模型基于Linux系統(tǒng)，用戶交互性較為欠缺［4］。

目前，國(guó)內(nèi)研發(fā)的水動(dòng)力軟件產(chǎn)品均以某方面需求為導(dǎo)向的專業(yè)化模型，系統(tǒng)化、集成化程度低，難以綜合描述整個(gè)區(qū)域或流域的水動(dòng)力、泥沙、水環(huán)境和水生態(tài)等過(guò)程，至今未形成可與歐美抗衡的品牌產(chǎn)品。例如，在泥沙數(shù)學(xué)模型方面，被廣泛使用的1維模型有韓其為模型［5］、李義天模型［6］、張紅武模型［7］、方春明模型［8］等，常見(jiàn)的2維模型有李義天模型［9］、方春明模型［10］、鐘德鈺模型［11］等，國(guó)內(nèi)3維泥沙模型發(fā)展相對(duì)較晚，較為成熟的有方紅衛(wèi)模型［12］、陸永軍模型［13］和胡德超模型［14］等。我國(guó)對(duì)河流水質(zhì)模型研究還處于初期探索階段，河海大學(xué)開(kāi)發(fā)了河網(wǎng)水量、水質(zhì)統(tǒng)一的Hwqnow模型［15］，郭磊等建立了水動(dòng)力、水體污染物輸運(yùn)及底泥污染物輸運(yùn)數(shù)值模型［16］，清華大學(xué)陳永燦等建立了考慮泥沙吸附污染物和泥沙沖淤對(duì)污染物輸移擴(kuò)散影響的三維渾水水質(zhì)模型［17］，黃磊等考慮磷在泥沙顆粒表面分布的不均勻性，構(gòu)建了水沙-磷通量1/2維耦合模型［18］。

總體來(lái)說(shuō)，歐美國(guó)家對(duì)水動(dòng)力軟件的研究比國(guó)內(nèi)早，已建立了系統(tǒng)集成的多種水動(dòng)力模型，廣泛應(yīng)用于水沙、水質(zhì)、水生態(tài)等領(lǐng)域，并將其軟件化，提高了模型的通用性。我國(guó)的水動(dòng)力軟件產(chǎn)品的研發(fā)還處于初期探索階段，與國(guó)外的差距，主要不是在建立模型的方法上，而在于開(kāi)發(fā)軟件的系統(tǒng)性、集成性、通用性、界面以及開(kāi)發(fā)工具、平臺(tái)、數(shù)據(jù)庫(kù)等方面，嚴(yán)重制約了研究成果向應(yīng)用的轉(zhuǎn)化和推廣。鑒于此，中國(guó)水科院泥沙所構(gòu)建了安瀾模擬系統(tǒng)（CAES，Cross-scale All-dimensional Environment Simulation System）。系統(tǒng)集成了數(shù)據(jù)庫(kù)、前處理、求解器和后處理等四大功能模塊，實(shí)現(xiàn)了基于GIS平臺(tái)的數(shù)據(jù)庫(kù)管理、項(xiàng)目管理、網(wǎng)格/斷面剖分和虛擬現(xiàn)實(shí)成果展示，集成了1/2/3維水沙、水質(zhì)和水生態(tài)數(shù)學(xué)模塊，尤其是在水沙數(shù)學(xué)模型中，不僅有傳統(tǒng)水沙數(shù)學(xué)模型，還提供了兩相渾水模型［19］可供選擇，強(qiáng)化了四大功能模塊間工作流，使得模擬工作得以標(biāo)準(zhǔn)化、流程化。本文著重介紹安瀾模擬系統(tǒng)及其應(yīng)用。

2 安瀾模擬系統(tǒng)的構(gòu)建

安瀾模擬系統(tǒng)是一個(gè)跨尺度復(fù)合維度水沙生境模擬系統(tǒng)，跨尺度是指該系統(tǒng)可應(yīng)用于包含河流、湖泊、水庫(kù)、河口海岸等不同尺度的水域計(jì)算。復(fù)合維度是指可進(jìn)行一、二、三維數(shù)值計(jì)算，并能開(kāi)展二、三維復(fù)合模擬。水沙生境模擬是指系統(tǒng)集成了水沙、水質(zhì)和水生態(tài)數(shù)學(xué)模塊。本節(jié)將對(duì)系統(tǒng)的四大功能模塊分別進(jìn)行詳細(xì)介紹。

2.1 數(shù)據(jù)庫(kù)模塊 數(shù)據(jù)庫(kù)基于B/S架構(gòu)，用于數(shù)據(jù)、項(xiàng)目和服務(wù)管理。數(shù)據(jù)庫(kù)模塊基于MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)及Spring+SpringMVC+Hibernate框架實(shí)現(xiàn)。MySQL是開(kāi)源數(shù)據(jù)庫(kù)，采用多線程編程，不會(huì)過(guò)多占用系統(tǒng)資源，可以靈活地提供數(shù)據(jù)管理服務(wù)，擁有穩(wěn)定的基于線程的內(nèi)存分配系統(tǒng)，具有體積小、檢索速度快、穩(wěn)定性高的特點(diǎn)。用戶與MySQL服務(wù)器之間的口令傳送均被安全加密，能有效保障數(shù)據(jù)安全。Hibernate框架解決了阻抗不匹配問(wèn)題，可根據(jù)不同數(shù)據(jù)庫(kù)動(dòng)態(tài)調(diào)整sql語(yǔ)句，使得數(shù)據(jù)庫(kù)具有較強(qiáng)的可移植性。數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)包括水文數(shù)據(jù)、地形數(shù)據(jù)以及項(xiàng)目方案數(shù)據(jù)，其中水文數(shù)據(jù)依據(jù)水利部《基礎(chǔ)水文數(shù)據(jù)庫(kù)表結(jié)構(gòu)及標(biāo)識(shí)符標(biāo)準(zhǔn)》（SL324-2005）設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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級(jí)配等數(shù)據(jù)，地形數(shù)據(jù)包括一維模型斷面、地形散點(diǎn)等，項(xiàng)目方案數(shù)據(jù)包含數(shù)值模擬過(guò)程中的輸入文件以及計(jì)算成果文件等。用戶根據(jù)權(quán)限對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行使用和管理。數(shù)據(jù)庫(kù)模塊提供對(duì)數(shù)據(jù)的增、刪、改、查等功能。

數(shù)據(jù)庫(kù)能夠根據(jù)用戶需求制定相應(yīng)的數(shù)據(jù)接口與Web服務(wù)，方便數(shù)據(jù)服務(wù)管理，提供數(shù)據(jù)服務(wù)接口供GIS平臺(tái)調(diào)用，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)和項(xiàng)目方案與地理位置信息的關(guān)聯(lián)，可根據(jù)地理信息位置對(duì)數(shù)據(jù)源進(jìn)行快捷查找，方便查詢和管理。對(duì)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)（水位、流量、含沙量、泥沙級(jí)配、斷面地形等）以圖片形式展示，提供時(shí)間范圍及空間范圍選取功能，選取結(jié)果可直接導(dǎo)為模型計(jì)算輸入文件的格式，避免人工轉(zhuǎn)化數(shù)據(jù)。項(xiàng)目方案的輸入文件和計(jì)算輸出成果均可上傳至數(shù)據(jù)庫(kù)，項(xiàng)目歷史有跡可循。

2.2 前處理模塊 前處理模塊基于GIS平臺(tái)，集成了一維河網(wǎng)編輯和二、三維網(wǎng)格劃分、空間坐標(biāo)系轉(zhuǎn)化、河網(wǎng)空間數(shù)字地形自動(dòng)構(gòu)建、水沙模型參數(shù)（糙率和初始床沙級(jí)配）自動(dòng)率定調(diào)整等功能，生成的計(jì)算配置文件可以項(xiàng)目形式保存在數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)（如圖1）。一維河網(wǎng)編輯以水系拓?fù)鋱D的方式繪制河網(wǎng)，可通過(guò)框選計(jì)算區(qū)域自動(dòng)提取河網(wǎng)拓?fù)湫畔?，可直接將?shù)據(jù)庫(kù)中已有斷面位置和地形加載進(jìn)一維河網(wǎng)中，也可通過(guò)界面導(dǎo)入斷面起點(diǎn)距和斷面地形信息，實(shí)現(xiàn)斷面的增、刪和編輯等操作，可設(shè)置水工建筑物（包括堰、閘、渠、虹吸管等）。2/3維平面網(wǎng)格剖分集成了開(kāi)源的gmsh網(wǎng)格剖分腳本［20］，實(shí)現(xiàn)了河道邊界勾勒、區(qū)域分塊以及三角形/四邊形混合網(wǎng)格生成功能，多維網(wǎng)格可基于GIS三維全景展示?？臻g坐標(biāo)系轉(zhuǎn)化功能基于地理信息理論，獲取了WGS84經(jīng)緯度坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成為其他投影坐標(biāo)的5326條坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)，通過(guò)調(diào)用Python Pyproj4功能庫(kù)，可快速進(jìn)行坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換。河網(wǎng)空間數(shù)字地形自動(dòng)構(gòu)建功能，集成了Google Earth地形提取程序和基于KD樹(shù)的地形插值功能，并對(duì)插值結(jié)果進(jìn)行誤差評(píng)估，可快速捕獲實(shí)測(cè)地形缺失區(qū)域的地形數(shù)據(jù)，進(jìn)行快速的河網(wǎng)空間數(shù)字地形構(gòu)建。水沙模型參數(shù)（糙率和初始床沙級(jí)配）自動(dòng)率定調(diào)整功能包含了糙率分區(qū)反演試算法和初始床沙級(jí)配自動(dòng)調(diào)整率定方法，保證了率定所得參數(shù)的合理性，加快率定流程，大大減少了人工干預(yù)。計(jì)算文件的配置提供了三種途徑：（1）從外部文件（電子表格）加載導(dǎo)入；（2）從數(shù)據(jù)庫(kù)直接獲取，并自動(dòng)轉(zhuǎn)換為計(jì)算文件格式；（3）通過(guò)系統(tǒng)交互界面直接輸入編輯。配置文件可以圖形化（折線圖、等值線圖等）方式展示，編輯完后可選擇直接保存到數(shù)據(jù)庫(kù)中。

圖1 前處理模塊界面

2.3 求解器模塊 求解器模塊集成了1/2/3維水動(dòng)力、水沙、水質(zhì)和水生態(tài)模塊，能夠進(jìn)行2/3維度復(fù)合模擬（復(fù)合維度模擬是指在一套網(wǎng)格下進(jìn)行二、三維分區(qū)同步模擬），可應(yīng)用于包含河流、湖泊、水庫(kù)、河口海岸等不同尺度的水域計(jì)算。求解器采用C/S和B/S兩種方式部署，可在本地機(jī)上運(yùn)行，也可通過(guò)終端界面向遠(yuǎn)程服務(wù)端提交計(jì)算任務(wù)，采用遠(yuǎn)程服務(wù)端模式支持多用戶、多方案的并發(fā)計(jì)算，支持對(duì)windows/Linux平臺(tái)數(shù)值模型的混合調(diào)用。一維數(shù)學(xué)模型的水沙模塊是基于韓其為院士非均勻沙不平衡輸沙理論［21］建立，非均勻懸移質(zhì)不平衡輸沙理論是泥沙運(yùn)動(dòng)的最前沿研究，主要包括床面泥沙交換統(tǒng)計(jì)規(guī)律，非均勻懸移質(zhì)不平衡輸沙規(guī)律、懸移質(zhì)擴(kuò)散方程及邊界條件，非均勻沙挾沙能力統(tǒng)計(jì)理論等。具備幾個(gè)特點(diǎn)：（1）可應(yīng)用于計(jì)算多種復(fù)雜的水流條件（急流、緩流和臨界流動(dòng)）；（2）可以計(jì)算復(fù)雜斷面，并且分灘槽對(duì)糙率進(jìn)行設(shè)定；（3）可計(jì)算多種水工建筑物（閘、壩、渠和倒虹吸等）；（4）可建立滯洪區(qū)和河道的聯(lián)系。

求解器中的2/3維數(shù)學(xué)模型采用了美國(guó)弗吉尼亞海洋科學(xué)研究所的SCHISM模型，它是開(kāi)源的2/3維水動(dòng)力學(xué)軟件，具有水動(dòng)力、泥沙、水質(zhì)、水生態(tài)、海冰和植被模塊，作者在SCHISM模型基礎(chǔ)上構(gòu)建了2/3維兩相渾水?dāng)?shù)學(xué)模型，與傳統(tǒng)的水沙數(shù)學(xué)模型相比，考慮了固液相間作用、顆粒紊動(dòng)、顆粒碰撞等微觀物理機(jī)制對(duì)挾沙水流運(yùn)動(dòng)的影響，能夠反映流速分布、含沙量垂線分布對(duì)挾沙水流紊流調(diào)制的響應(yīng)，提高了水沙模型在更大含沙量和泥沙粒徑范圍的適用性［19］。模型具備幾個(gè)特點(diǎn)：（1）可應(yīng)用于河流、河口和海岸等跨尺度模擬；（2）水平向采用三角形和四邊形混合網(wǎng)格；（3）垂向采用局部sigma坐標(biāo)，各個(gè)節(jié)點(diǎn)垂向分層數(shù)量可以不同，取決于水深；（4）可開(kāi)展復(fù)合維度模擬，既可以對(duì)2維、3維分別獨(dú)立計(jì)算，也可以在一套網(wǎng)格下進(jìn)行二、三維耦合模擬（如圖2）。求解器中的1/2/3維數(shù)值模型均采用高性能并行加速技術(shù)，大大提高計(jì)算效率。

圖2 2/3維水動(dòng)力數(shù)值模型平面混合網(wǎng)格和垂向局部sigma坐標(biāo)

2.4 后處理模塊 后處理模塊的主要功能是計(jì)算結(jié)果的可視化，引入虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，更加真實(shí)地呈現(xiàn)水位、流速、泥沙和水質(zhì)要素信息。后處理模塊采用高效能仿真云體系架構(gòu)［22］，基于三維虛擬仿真地球軟件平臺(tái)進(jìn)行開(kāi)發(fā)，平臺(tái)由數(shù)據(jù)支撐層、組件支撐層與應(yīng)用層三層架構(gòu)組成，其中數(shù)據(jù)支撐層提供各種測(cè)繪數(shù)據(jù)的接入、組織管理、服務(wù)發(fā)布；組件支撐層包含平臺(tái)引擎與二次開(kāi)發(fā)組件，提供核心技術(shù)支撐與開(kāi)發(fā)服務(wù)；應(yīng)用層包括場(chǎng)景設(shè)計(jì)器及其他輔助工具，提供面向桌面與Web的行業(yè)應(yīng)用解決方案。該平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了三維地理信息（3DGIS）和三維虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）技術(shù)，支持構(gòu)建全球范圍無(wú)縫無(wú)邊界的虛擬環(huán)境及三維仿真應(yīng)用，突破了傳統(tǒng)GIS軟件三維仿真特性弱，如畫(huà)面質(zhì)量差、物體表面不細(xì)膩、一般無(wú)光影效果、不具備完善的仿真實(shí)體模擬系統(tǒng)、物理模擬系統(tǒng)、AI系統(tǒng)、三維音效系統(tǒng)、仿真聯(lián)機(jī)系統(tǒng)、三維UI系統(tǒng)以及完善的場(chǎng)景編輯系統(tǒng)等缺陷，突破了傳統(tǒng)VR軟件地理信息功能弱，如不具備地理空間參考、無(wú)法支持超大范圍（數(shù)萬(wàn)平方公里以上）的仿真場(chǎng)景，不支持測(cè)繪遙感數(shù)據(jù)（DEM、DOM、DLG、DRG）、不具備專業(yè)3DGIS分析的能力等缺陷。對(duì)于一維數(shù)值模型的計(jì)算結(jié)果，包括各斷面水位、流量、泥沙和水質(zhì)等信息可通過(guò)曲線圖、散點(diǎn)圖及數(shù)據(jù)表的形式進(jìn)行展示。對(duì)于2/3維數(shù)值模型的計(jì)算結(jié)果（包括流場(chǎng)、水位、泥沙和水質(zhì)等信息）可基于三維虛擬仿真地球軟件平臺(tái)進(jìn)行虛擬現(xiàn)實(shí)可視化展示（如圖3）。

圖3 三維虛擬仿真地球軟件平臺(tái)

3 安瀾模擬系統(tǒng)在長(zhǎng)江-洞庭湖區(qū)域的應(yīng)用

本文以長(zhǎng)江-洞庭湖區(qū)域水沙數(shù)值模擬為例闡述安瀾模擬系統(tǒng)的功能和應(yīng)用情況。2003年后隨著三峽及上游梯級(jí)水庫(kù)群聯(lián)合調(diào)度，長(zhǎng)江中下游水沙條件發(fā)生深刻變化，長(zhǎng)江多年平均徑流量略有減小，減幅約2.8%～6.3%，輸沙量大幅減少，減幅約67%～93%，致使長(zhǎng)江中下游河道枯水河槽全線沖刷，2003—2018年期間上荊江和下荊江河槽平均沖刷分別為2.86 m和1.99 m。洞庭湖區(qū)域由荊南三口（松滋口、太平口和藕池口）分泄長(zhǎng)江水流，洞庭湖匯集湘資沅澧來(lái)流后，于城陵磯匯入長(zhǎng)江。近年來(lái)，洞庭湖泥沙淤積量及沉積率均大幅減小，部分年份出湖沙量大于入湖沙量。為科學(xué)高效應(yīng)對(duì)新水沙條件下長(zhǎng)江-洞庭湖江湖關(guān)系變化，有必要基于安瀾模擬系統(tǒng)對(duì)該區(qū)域的水文地形數(shù)據(jù)、模型、項(xiàng)目方案進(jìn)行規(guī)范化管理，對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行直觀展示。鑒于洞庭湖與長(zhǎng)江通量交換的復(fù)雜性、大時(shí)空尺度的特點(diǎn)，對(duì)長(zhǎng)江-洞庭湖區(qū)域構(gòu)建了全局的一維河網(wǎng)水沙數(shù)學(xué)模型開(kāi)展大尺度、長(zhǎng)歷時(shí)模擬。

對(duì)局部重點(diǎn)河段，以陳家馬口至城陵磯河段為例，可構(gòu)建平面二維水沙數(shù)學(xué)模型，獲取水位、流速和沖淤的平面分布信息（如圖4）。陳家馬口至城陵磯河段位于下荊江尾閭，屬典型的彎曲型河道，河道蜿蜒曲折，隨著三峽上游干支流水庫(kù)群陸續(xù)蓄水運(yùn)用，熊家洲至城陵磯河段河勢(shì)調(diào)整更加劇烈，彎道彎曲半徑持續(xù)減小，八姓洲狹頸區(qū)具有發(fā)生自然裁彎的有利條件，一旦發(fā)生自然裁彎，將引起上下游河勢(shì)和江湖關(guān)系的巨大變化，給長(zhǎng)江中下游的防洪、水資源利用、航運(yùn)及水生態(tài)環(huán)境等帶來(lái)重大影響，給區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展和人民生命財(cái)產(chǎn)帶來(lái)重大損失。

圖4 長(zhǎng)江-洞庭湖區(qū)域主要河道和陳家馬口至城陵磯河段示意圖

3.1 數(shù)據(jù)庫(kù)建立 數(shù)據(jù)庫(kù)依據(jù)水利部《基礎(chǔ)水文數(shù)據(jù)庫(kù)表結(jié)構(gòu)及標(biāo)識(shí)符標(biāo)準(zhǔn)》（SL324-2005）格式標(biāo)準(zhǔn)化存儲(chǔ)了長(zhǎng)江-洞庭湖區(qū)域23個(gè)水文站1991—2018年的水文數(shù)據(jù)（水位、流量、含沙量、懸沙床沙級(jí)配），其中長(zhǎng)江干流存儲(chǔ)了8個(gè)重點(diǎn)水文站，分別是：宜昌、枝城、沙市、新廠、監(jiān)利、螺山、漢口和九江；洞庭湖區(qū)（含三口河道及四水洪道）共有15個(gè)站，分別是新江口、沙道觀、彌陀寺、康家崗、管家鋪、安鄉(xiāng)、大湖口、官垸、自治局、南縣、草尾、小河咀、七里山、津市、石龜山。地形數(shù)據(jù)方面，入庫(kù)了2957個(gè)江湖實(shí)測(cè)斷面地形數(shù)據(jù)（2003、2013年）、2008、2011、2016年長(zhǎng)江（宜昌-大通）地形數(shù)據(jù)和1995年洞庭湖區(qū)地形數(shù)據(jù)，可通過(guò)框選計(jì)算范圍對(duì)斷面或散點(diǎn)地形數(shù)據(jù)進(jìn)行快速選擇和導(dǎo)出，用于地形插值。將數(shù)據(jù)與空間地理信息相結(jié)合，用戶能更快捷地獲取所需數(shù)據(jù)，通過(guò)在終端的三維虛擬仿真地球軟件平臺(tái)點(diǎn)擊水文站點(diǎn)、控制斷面等對(duì)數(shù)據(jù)資料進(jìn)行查看和管理（如圖5）。

圖5 長(zhǎng)江-洞庭湖區(qū)域數(shù)據(jù)庫(kù)（宜昌站）

3.2 前處理構(gòu)建 前處理模塊主要用于實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)江-洞庭湖區(qū)域一維河網(wǎng)劃分（如圖6）、陳家馬口至城陵磯河段二維網(wǎng)格剖分，斷面地形提取、散點(diǎn)地形插值、配置文件生成和參數(shù)設(shè)置等功能。長(zhǎng)江-洞庭湖區(qū)域一維河網(wǎng)模型計(jì)算范圍：長(zhǎng)江干流上起宜昌，下至大通，區(qū)間考慮了清江、漢江、湖口入?yún)R；洞庭湖區(qū)包括松滋河、虎渡河、藕池河三口河系，以及湘資沅澧四水尾閭。框選計(jì)算范圍可實(shí)現(xiàn)河網(wǎng)拓?fù)湫畔⒆詣?dòng)提取，自動(dòng)獲取數(shù)據(jù)庫(kù)中存儲(chǔ)的2957個(gè)江湖實(shí)測(cè)斷面起點(diǎn)距和斷面地形信息，并可通過(guò)編輯菜單對(duì)斷面進(jìn)行增、刪和修改等操作。區(qū)域內(nèi)水文站多采用吳淞高程系，各站點(diǎn)與常用的1985國(guó)家高程基準(zhǔn)的高程轉(zhuǎn)換關(guān)系均不相同，平臺(tái)可對(duì)空間坐標(biāo)信息進(jìn)行快速轉(zhuǎn)化。在長(zhǎng)江-洞庭湖一維河網(wǎng)水沙數(shù)學(xué)模型中，主河長(zhǎng)江除擁有宜昌入口斷面的水量沙量邊界外，還有清江、漢江、湖口等水沙邊界，下游大通出口斷面提供水位邊界。洞庭湖區(qū)的水沙條件，主要考慮湘水、資水、沅水、澧水的外部匯入，其與長(zhǎng)江的水沙交互由河網(wǎng)數(shù)學(xué)模型內(nèi)部計(jì)算。進(jìn)出口水文信息數(shù)據(jù)（水位、流量、含沙量和懸沙床沙級(jí)配數(shù)據(jù)）依據(jù)計(jì)算起止時(shí)間從數(shù)據(jù)庫(kù)中選取，并直接將實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為計(jì)算所需的配置文件。

圖6 長(zhǎng)江-洞庭湖區(qū)域一維河網(wǎng)斷面劃分示意圖

長(zhǎng)江下荊江陳家馬口至城陵磯河段二維水沙數(shù)學(xué)模型，計(jì)算區(qū)域?yàn)殛惣荫R口～城陵磯的長(zhǎng)江干流河段和七里山～城陵磯洞庭湖入?yún)R河段。采用前處理模塊集成的2/3維平面網(wǎng)格剖分功能，基于衛(wèi)星遙感影像開(kāi)展河道邊界勾勒、區(qū)域分塊以及三角形網(wǎng)格生成的操作，最終生成可基于GIS平臺(tái)三維全景展示的網(wǎng)格文件（如圖7）。

圖7 陳家馬口至城陵磯河段2維網(wǎng)格剖分示意圖

3.3 求解器調(diào)用 通過(guò)求解器模塊調(diào)用一維和二維水沙數(shù)值模型，針對(duì)長(zhǎng)江-洞庭湖區(qū)域大時(shí)空尺度采用一維水沙數(shù)學(xué)模型進(jìn)行模擬，可以快速獲取各控制斷面的水位、流量、含沙量、沖淤變化等信息，對(duì)于局部重點(diǎn)河段開(kāi)展二維水沙數(shù)值模擬，以長(zhǎng)江下荊江陳家馬口至城陵磯河段為例，可獲取重點(diǎn)河段水位、流速和沖淤的平面分布信息，一維模型可為二維模型提供水沙邊界條件，在同一平臺(tái)上，實(shí)現(xiàn)大尺度一維，局部重點(diǎn)區(qū)域2/3維的跨尺度模擬。對(duì)于長(zhǎng)江-洞庭湖一維河網(wǎng)模型，采用2003—2013年的實(shí)測(cè)資料開(kāi)展了水位、流量和沖淤量的計(jì)算，對(duì)模型進(jìn)行率定驗(yàn)證。對(duì)于陳家馬口至城陵磯河段二維數(shù)學(xué)模型，模型率定計(jì)算時(shí)段起于2008年止于2009年，驗(yàn)證計(jì)算時(shí)段起于2010年止于2013年。

3.4 后處理生成 長(zhǎng)江-洞庭湖區(qū)域一維水沙數(shù)值模型的計(jì)算結(jié)果，包括各斷面水位、流量、含沙量和斷面沖淤量，可選擇斷面位置、要素名稱和相應(yīng)的驗(yàn)證水文站，即可生成圖片。如圖8是長(zhǎng)江干流2003—2013年部分水文站的水位流量驗(yàn)證計(jì)算值與實(shí)測(cè)值對(duì)比圖，可見(jiàn)各站模型計(jì)算水位流量關(guān)系與實(shí)測(cè)吻合較好。如圖9是2003—2012年長(zhǎng)江中游分段沖淤量計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)值對(duì)比，可見(jiàn)計(jì)算值與實(shí)測(cè)值符合良好。

圖8 長(zhǎng)江干流部分站點(diǎn)2003～2013年水位流量計(jì)算值與實(shí)測(cè)值對(duì)比

圖9 長(zhǎng)江中游2003—2012年河道沖淤驗(yàn)證結(jié)果

對(duì)三口河道分流分沙的驗(yàn)證，使用了2003—2013年實(shí)測(cè)資料，計(jì)算所得松滋河、虎渡河和藕池河三口分流和分沙值如表1。三口分流分沙計(jì)算值與實(shí)際值符合良好，模型計(jì)算2003—2013年三口年均分流分沙量分別為453億m3和1226萬(wàn)t，與實(shí)測(cè)值相比分流量小3.82%，分沙量大13.2%。通過(guò)驗(yàn)證計(jì)算所得長(zhǎng)江與荊江三口各站水位流量關(guān)系曲線、長(zhǎng)江干流分段沖淤結(jié)果，以及三口分流分沙量可以判定以此模型研究三峽下游河道沖淤變化是可靠的。

表1 2003—2013年三口年平均分流分沙量驗(yàn)證

對(duì)于陳家馬口至城陵磯河段二維水沙數(shù)學(xué)模型，圖10給出了鹽船套廣興洲2009年的實(shí)測(cè)日均水位值與計(jì)算值對(duì)比，采用了糙率自動(dòng)率定調(diào)整功能，二者符合良好，說(shuō)明二維模型能夠合理反映研究河段內(nèi)的水位情況。率定所得模型的糙率介于［0.02，0.035］區(qū)間。

圖10 二維模型水位率定結(jié)果（廣興洲站2009年日均水位）

圖11給出了研究河段典型斷面（斷面位置見(jiàn)圖4）2008年和2013年的實(shí)測(cè)輪廓，以及2013年的驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果，模型計(jì)算結(jié)果能夠合理反映各斷面的沖淤變化趨勢(shì)，特別是荊182等沖淤變化較大的斷面，其實(shí)際沖淤變化趨勢(shì)也被模型真實(shí)反映。

圖11 陳家馬口至城陵磯河段典型斷面地形驗(yàn)證對(duì)比

對(duì)于陳家馬口至城陵磯河段二維水沙數(shù)學(xué)模型的計(jì)算結(jié)果，可基于三維虛擬仿真地球軟件平臺(tái)進(jìn)行虛擬現(xiàn)實(shí)可視化展示，可對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)水位、斷面沖淤、水流流態(tài)進(jìn)行動(dòng)態(tài)展示（如圖12）。

圖12 基于三維虛擬仿真地球軟件平臺(tái)的可視化展示

4 結(jié)論

本文系統(tǒng)介紹了中國(guó)水利水電科學(xué)研究院泥沙所研發(fā)的安瀾模擬系統(tǒng)。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了：（1）工作流程的規(guī)范化管理。集成了數(shù)據(jù)庫(kù)、前處理、求解器和后處理模塊，統(tǒng)一數(shù)據(jù)格式，避免了頻繁的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和平臺(tái)切換，大大提高工作效率。（2）項(xiàng)目和數(shù)據(jù)的體系化管理?；谌S虛擬仿真地球軟件平臺(tái)構(gòu)建數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)實(shí)測(cè)水文數(shù)據(jù)、地理信息數(shù)據(jù)以及項(xiàng)目數(shù)據(jù)等基于地理信息進(jìn)行管理，便于查詢、編輯和復(fù)用；（3）集成的求解器模塊。集成了1/2/3維水沙、水質(zhì)和水生態(tài)數(shù)學(xué)模塊，尤其是在水沙數(shù)學(xué)模型中，不僅有傳統(tǒng)水沙數(shù)學(xué)模型，還提供了兩相渾水模型可供選擇；（4）基于三維虛擬仿真地球軟件平臺(tái)的模擬結(jié)果呈現(xiàn)。引入三維虛擬仿真展示技術(shù)，對(duì)水位、流場(chǎng)、含沙量和沖淤分布等計(jì)算結(jié)果進(jìn)行直觀展示。

本文以長(zhǎng)江-洞庭湖區(qū)域水沙數(shù)值模擬為例闡述安瀾模擬系統(tǒng)的功能和應(yīng)用情況。基于安瀾模擬系統(tǒng)對(duì)該區(qū)域的水文地形數(shù)據(jù)、模型、項(xiàng)目方案進(jìn)行規(guī)范化管理，對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行直觀展示。長(zhǎng)江-洞庭湖區(qū)域的水位、沖淤、三口分流分沙模擬結(jié)果真實(shí)可靠，為科學(xué)高效應(yīng)對(duì)新水沙條件下長(zhǎng)江-洞庭湖江湖關(guān)系變化提供了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)保障。

安瀾模擬系統(tǒng)的設(shè)計(jì)架構(gòu)充分考慮完整性、兼容性和可擴(kuò)展性，系統(tǒng)集成了1/2/3維水沙、水質(zhì)和水生態(tài)數(shù)學(xué)模塊，基本滿足江河湖庫(kù)、河口海洋的水動(dòng)力模擬需求，平臺(tái)支持對(duì)windows/Linux平臺(tái)的混合調(diào)用，便于其他數(shù)值模型（例如：水文模型、氣象降雨模型、城市洪澇模型等）的擴(kuò)展集成，未來(lái)可基于OpenMI標(biāo)準(zhǔn)接口，為模型之間提供步長(zhǎng)級(jí)的互操作耦合求解平臺(tái)，數(shù)據(jù)庫(kù)、前處理和后處理模塊采用組件化形式架構(gòu)，可方便地配合數(shù)值模型的集成進(jìn)行功能擴(kuò)展。