智慧防洪對水利業(yè)務(wù)模型的功能需求與技術(shù)實現(xiàn)構(gòu)想

文/呂 娟 張大偉

（中國水利水電科學(xué)研究院減災(zāi)中心）

當(dāng)今時代，以數(shù)字化、智慧化為特征的新一輪產(chǎn)業(yè)革命正在興起。水利部高度重視智慧水利建設(shè)，明確了構(gòu)建數(shù)字孿生流域、建設(shè)具有“四預(yù)”功能的“2+N”業(yè)務(wù)應(yīng)用體系和完善網(wǎng)絡(luò)安全防護體系的智慧水利建設(shè)主要任務(wù)。所謂“四預(yù)”，即預(yù)報、預(yù)警、預(yù)演、預(yù)案，并提出以數(shù)字化場景、智慧化模擬、精準(zhǔn)化決策為其實現(xiàn)路徑。滿足“四預(yù)”功能的智慧防洪系統(tǒng)已成為水利高質(zhì)量發(fā)展的顯著標(biāo)志，對系統(tǒng)中用到的水利業(yè)務(wù)模型提出了更高要求。

防洪信息化系統(tǒng)中的水利業(yè)務(wù)模型現(xiàn)狀

當(dāng)前防洪信息化系統(tǒng)中主流水利業(yè)務(wù)模型多數(shù)還是基于傳統(tǒng)的水文方法，如API 模型、河道上下游水位/流量相關(guān)的經(jīng)驗?zāi)Ｐ?、時段單位線法、滯后驗算法、馬斯京根河道匯流演算法和各種基于概念的集總式水文模型或半分布式水文模型。這些模型和方法在業(yè)務(wù)應(yīng)用中發(fā)揮了重要作用，在很多案例中也取得了較好結(jié)果，但缺陷也非常明顯，其可靠性嚴(yán)重依賴歷史水文數(shù)據(jù)，在水文資料缺失地區(qū)應(yīng)用非常困難。

我國社會經(jīng)濟正處于快速發(fā)展時期，在人類活動和氣候變化雙重影響下，流域下墊面條件和局地氣候特征不斷變化，這種變化不能及時反映在依靠歷史水文數(shù)據(jù)率定好的預(yù)報方案中，用過去的方案預(yù)測當(dāng)前變化環(huán)境下的洪水態(tài)勢，其準(zhǔn)確程度將會大打折扣。

滿足“四預(yù)”功能的水利業(yè)務(wù)模型需求

具備“四預(yù)”功能的智慧防洪系統(tǒng)是在數(shù)字孿生流域數(shù)據(jù)本底的基礎(chǔ)上，通過智慧化模擬的手段來支撐精準(zhǔn)化決策。這其中，智慧化模擬環(huán)節(jié)對水利業(yè)務(wù)模型提出了更高的需求。

①水利業(yè)務(wù)模型應(yīng)與支撐數(shù)字孿生流域的高分辨率基礎(chǔ)數(shù)據(jù)相匹配。傳統(tǒng)的水利業(yè)務(wù)模型大多是集總式的，不需要高分辨率的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來支撐，但是這類模型僅能提供流域內(nèi)控制節(jié)點處的水文要素信息，無法得知流域面上的水文要素信息，這顯然不能完全滿足在數(shù)字流場內(nèi)進行精細化推演的需求。

②水利業(yè)務(wù)模型應(yīng)能自動適應(yīng)各種復(fù)雜流態(tài)的精確模擬。我國地形地貌多樣，既有陡峭的山地丘陵區(qū)，也有地勢平緩的河網(wǎng)內(nèi)澇區(qū)；匯流方式復(fù)雜，既有溝溪江河的匯流，也有坡面薄層水流的匯流，還可能有一旦工程失事伴隨著激波而發(fā)生的水流，水利業(yè)務(wù)模型要能準(zhǔn)確模擬各復(fù)雜流態(tài)條件下的水流運動過程。

③水利業(yè)務(wù)模型要能處理流域中存在著的堰、閘、壩、泵、涵等構(gòu)筑物，能夠根據(jù)構(gòu)筑物的幾何尺寸、過流特點、調(diào)度規(guī)則等準(zhǔn)確模擬通過構(gòu)筑物的水流過程。

④水利業(yè)務(wù)模型的計算性能和效率要能支撐智慧防洪業(yè)務(wù)需求。精細化的水利業(yè)務(wù)模型必然伴生著計算資源的增加和計算用時的延長，如何在可獲取的算力條件下尋求精細化和效率化的平衡，將是一個長期命題。

面向數(shù)字孿生流域的新一代水利業(yè)務(wù)模型構(gòu)想及實踐

綜上可知，充分考慮水流運動機理，主要基于水動力機制的新一代水利業(yè)務(wù)模型將成為數(shù)字孿生流域智慧防洪系統(tǒng)建設(shè)的新需求之一。

>圖1 基于FASFLOOD 的淮河干流一維洪水計算結(jié)果

產(chǎn)流計算方面：基于不同的下墊面特點，盡量選取適宜的具有物理機制的產(chǎn)流計算方法，如采用Richards方程計算非飽和土壤水運動過程。匯流演進計算方面：流域地表水流運動多屬于淺水運動的范疇，可以用一維、二維淺水方程組來描述該過程。近些年，以求解Riemann 近似解為基礎(chǔ)的有限體積法已成為淺水?dāng)?shù)值模擬領(lǐng)域的流行方法，該方法可以自動適應(yīng)流態(tài)過渡、捕捉激波和間斷，因此坡面匯流、溝道匯流、分洪演進等過程均可以采用該方法進行模擬。此外，隨著GPU 硬件技術(shù)的快速提升和配套開發(fā)環(huán)境的完善，基于GPU 的異構(gòu)并行算法在淺水?dāng)?shù)值模擬領(lǐng)域得到了飛速發(fā)展，使得流域匯流演進全過程的水動力快速模擬成為可能。

案例簡介

> 圖2 基于FASFLOOD 的蒙洼蓄洪區(qū)分洪計算結(jié)果

在2021 年開展的淮河流域“四預(yù)”系統(tǒng)試點建設(shè)中，采用中國水利水電科學(xué)研究院自主研發(fā)的“通用高性能洪水分析計算軟件FASFLOOD”建立了從淮濱到正陽關(guān)淮河干流段的一維水動力模型及蒙洼、邱家湖、姜唐湖和南潤段等蓄滯洪區(qū)的二維水動力模型，模型均基于有限體積法，采用支持GPU 加速計算的CUDA 語言開發(fā)。在RTX3000 單塊顯卡上模擬166km長的淮河干流30 天洪水運動過程僅用時18s，模擬10 萬網(wǎng)格單元內(nèi)蒙洼等蓄滯洪區(qū)5 天左右的分洪過程用時不超過40s（部分計算結(jié)果如圖1 和圖2所示）。該模型初步實現(xiàn)了洪水推演秒級計算的要求，為下一步智慧水利工作全面開展打下了良好基礎(chǔ)。