水動(dòng)力模型與水文模型是水利工程與水文學(xué)研究中不可或缺的兩大工具。水動(dòng)力模型著重于流體運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)機(jī)制，通過(guò)一系列方程組捕捉水流的時(shí)空變化，而概念性水文模型則側(cè)重于流域尺度的水文循環(huán)過(guò)程，利用物理概念與經(jīng)驗(yàn)關(guān)系進(jìn)行近似模擬。兩者相互補(bǔ)充，共同構(gòu)成了現(xiàn)代水文學(xué)與水資源管理領(lǐng)域的核心分析手段。積鼎科技結(jié)合了水文的產(chǎn)流機(jī)制和水動(dòng)力的對(duì)流動(dòng)的準(zhǔn)確計(jì)算，創(chuàng)新研發(fā)CFDpro—水文水動(dòng)力模型，這是一種充分適用于中小流域洪水四預(yù)的基于二維不規(guī)則網(wǎng)格的精細(xì)化產(chǎn)匯流模型。

CFDPro水文水動(dòng)力模型：適用于中小流域洪水四預(yù)的精細(xì)化產(chǎn)匯流模型

經(jīng)過(guò)多年研發(fā)和實(shí)踐打磨，積鼎科技結(jié)合了水文的產(chǎn)流機(jī)制和水動(dòng)力的對(duì)流動(dòng)的準(zhǔn)確計(jì)算，創(chuàng)新研發(fā)CFDpro—水文水動(dòng)力模型，這是一種充分適用于中小流域洪水四預(yù)的基于二維不規(guī)則網(wǎng)格的精細(xì)化產(chǎn)匯流模型。針對(duì)中小流域的暴雨洪水具有洪水反應(yīng)快，洪水空間分布及推進(jìn)反應(yīng)真實(shí)等特點(diǎn)，能夠一次計(jì)算同時(shí)完成洪水預(yù)報(bào)和淹沒(méi)分析，可通過(guò)雨量站的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和數(shù)值氣象預(yù)報(bào)的網(wǎng)格數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)報(bào)和演進(jìn)計(jì)算。具體特征如下所述。

· 二維不規(guī)格網(wǎng)格空間劃分

在研究對(duì)象的集水范圍內(nèi)，通過(guò)二維網(wǎng)格的形式對(duì)空間進(jìn)行離散，網(wǎng)格的節(jié)點(diǎn)保存高程值。

圖1 研究區(qū)域影像圖 圖2 研究區(qū)域網(wǎng)格離散圖

· 針對(duì)不同土地特征的下墊面設(shè)置

下墊面根據(jù)降雨到產(chǎn)流的不同特征分為水體、水泥地、裸土、草地以及林地等多種土地特征。根據(jù)相關(guān)的土地利用性質(zhì)影像圖資料就可方便快捷的進(jìn)行自動(dòng)映射到網(wǎng)格上，如下圖所示。

圖3 土地屬性網(wǎng)格圖

整個(gè)垂直空間的降雨截流、產(chǎn)流及下滲架構(gòu)如下表

· 靈活精準(zhǔn)的面雨量計(jì)算

面雨量的計(jì)算是根據(jù)監(jiān)測(cè)雨量的點(diǎn)的位置關(guān)系進(jìn)行空間距離權(quán)重插值。既可以使用傳統(tǒng)的水文站點(diǎn)數(shù)據(jù)，也可以使用數(shù)值氣象預(yù)報(bào)的大網(wǎng)格數(shù)據(jù)。相對(duì)而言，采用數(shù)值天氣的網(wǎng)格數(shù)據(jù)能夠相對(duì)更準(zhǔn)確的反應(yīng)面雨量的空間不均衡性。在實(shí)際項(xiàng)目實(shí)施中，若雨量站較少，則一般考慮全部站點(diǎn)的權(quán)重分布；若采用數(shù)值氣象預(yù)報(bào)，降雨數(shù)據(jù)點(diǎn)等距分布且數(shù)量較多，則每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)只選用距離最近的適當(dāng)數(shù)量權(quán)重?cái)?shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行插值。

CFDPro水文水動(dòng)力模型優(yōu)勢(shì)

由于中小流域的暴雨洪水過(guò)程線的特性受該流域的空間分布特性影響較大，通過(guò)網(wǎng)格的離散形式，加強(qiáng)了對(duì)空間信息和狀態(tài)的描述。舍棄了地表徑流過(guò)程線這種統(tǒng)計(jì)性的經(jīng)驗(yàn)描述方法，讓跨臨界流動(dòng)力波去自由計(jì)算地表徑流的流動(dòng)狀態(tài)，采用此方式能夠在時(shí)間上動(dòng)態(tài)、細(xì)致的對(duì)山洪進(jìn)行演算。通過(guò)網(wǎng)格的離散形式，能夠?qū)﹀e(cuò)綜復(fù)雜的土地類型進(jìn)行區(qū)分，從而在產(chǎn)流的計(jì)算上實(shí)現(xiàn)不同屬性的土地空間有不同產(chǎn)流量的真實(shí)效果。也能夠處理復(fù)雜集水區(qū)域或出口區(qū)域的流域形態(tài)，并且能實(shí)現(xiàn)集預(yù)報(bào)計(jì)算和淹沒(méi)分析于一體的多功能一體化計(jì)算進(jìn)程。本模型解決方案適用于普遍的中小流域場(chǎng)景，特別適用于無(wú)水文資料的流域，若采用數(shù)值氣象預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)，還可以應(yīng)用于不方便建設(shè)地面雨量站和水文站的流域。模型計(jì)算可用GPU并行加速，計(jì)算時(shí)間短，一般流域十二小時(shí)預(yù)報(bào)計(jì)算可在1~2分鐘內(nèi)完成，完全滿足預(yù)報(bào)計(jì)算的時(shí)效要求。

計(jì)算準(zhǔn)確率高，項(xiàng)目準(zhǔn)確率高達(dá)85%

計(jì)算效率高，同等算力條件下耗時(shí)節(jié)省40%

算法強(qiáng)大，可解決洪水頂托、水工建筑調(diào)度等問(wèn)題

計(jì)算結(jié)果時(shí)空分辨率高，實(shí)現(xiàn)全流域水情動(dòng)態(tài)演進(jìn)

擴(kuò)展性強(qiáng)，可實(shí)現(xiàn)產(chǎn)匯流、水動(dòng)力、水質(zhì)、泥沙等水利業(yè)務(wù)模型耦合計(jì)算

· 適用場(chǎng)景

該模型可以廣泛的滿足各類水利數(shù)字孿生的應(yīng)用需求（如河道、湖庫(kù)等水利對(duì)象），準(zhǔn)確性也是歷經(jīng)多場(chǎng)次洪水的對(duì)比驗(yàn)證，特別適用于中小流域的暴雨洪水“四預(yù)”建設(shè)，在配合數(shù)字孿生平臺(tái)建設(shè)時(shí)采用標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)交互接口，空間模型搭建完成后即插即用快速響應(yīng)。

上海積鼎信息科技有限公司（簡(jiǎn)稱：積鼎科技）成立于2008年，是專注于自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的流體仿真軟件研發(fā)及技術(shù)服務(wù)的國(guó)家級(jí)高新技術(shù)企業(yè)，致力于打造好用、易用的國(guó)產(chǎn)流體仿真軟件。更多解決方案，歡迎關(guān)注“多相流在線”。

審核編輯 黃宇