CFDPro水文水动力仿真，适用于中小流域洪水四预的精细化产汇流模型

4月前浏览4522

水动力模型与水文模型是水利工程与水文学研究中不可或缺的两大工具。水动力模型着重于流体运动的动力学机制，通过一系列方程组捕捉水流的时空变化，而概念性水文模型则侧重于流域尺度的水文循环过程，利用物理概念与经验关系进行近似模拟。两者相互补充，共同构成了现代水文学与水资源管理领域的核心分析手段。

概念性流域水文模型是结合水文现象的物理概念和一些经验公式的水文模型，一般采用马斯京根模型进行汇流计算。但在实际应用中，这个假设条件可以在一定程度上反映规整河道或大江大河的水文特性，却无法完全准确地描述较复杂的水文过程。而水动力模型的发展是考虑了不可压缩条件和静水压力假设的二维浅水方程，极大简化了复杂水动力问题的分析。针对水库及深水区域的特殊需求，三维浅水方程也可通过在垂直方向上的分层，提高模型的精确度，更好捕捉水流的细微动态。

水文模型与水动力模型优缺点比较

· 水文模型

优点：计算量小出结果速度快、建模相对简单，能处理垂向空间的产流问题。

缺点：对历史监测数据的依赖性非常强，预测数据的时间分辨率低，无法应对复杂洪水场景，如水工建筑控流、下游顶托等，对历史数据覆盖较少的极端气象条件下的预测结果准确率低，且下垫面发生宏观改变后，之前的历史监测数据对水文模型来说就失效了。

· 水动力模型

优点：能够准确计算各种复杂场景的水量和洪峰传播规律，对历史监测数据的依赖性小，数据产出丰富，可以包含水位、流量、流速等各种信息。

缺点：计算量大，建模精细化程度高，步骤相对复杂，没有合理的产流机制。

CFDPro水文水动力模型：适用于中小流域洪水四预的精细化产汇流模型

经过多年研发和实践打磨，积鼎结合了水文的产流机制和水动力的对流动的准确计算，创新研发CFDpro—水文水动力模型，这是一种充分适用于中小流域洪水四预的基于二维不规则网格的精细化产汇流模型。

针对中小流域的暴雨洪水具有洪水反应快，洪水空间分布及推进反应真实等特点，能够一次计算同时完成洪水预报和淹没分析，可通过雨量站的实测数据和数值气象预报的网格数据进行预报和演进计算。具体特征如下所述。

· 二维不规格网格空间划分

在研究对象的集水范围内，通过二维网格的形式对空间进行离散，网格的节点保存高程值。

图1 研究区域影像图

图2 研究区域网格离散图

· 针对不同土地特征的下垫面设置

下垫面根据降雨到产流的不同特征分为水体、水泥地、裸土、草地以及林地等多种土地特征。根据相关的土地利用性质影像图资料就可方便快捷的进行自动映射到网格上，如下图所示。

图3 土地属性网格图

整个垂直空间的降雨截流、产流及下渗架构如下表

· 灵活精准的面雨量计算

面雨量的计算是根据监测雨量的点的位置关系进行空间距离权重插值。既可以使用传统的水文站点数据，也可以使用数值气象预报的大网格数据。相对而言，采用数值天气的网格数据能够相对更准确的反应面雨量的空间不均衡性。在实际项目实施中，若雨量站较少，则一般考虑全部站点的权重分布；若采用数值气象预报，降雨数据点等距分布且数量较多，则每个网格点只选用距离最近的适当数量权重数据点进行插值。

适用场景

该模型可以广泛的满足各类水利数字孪生的应用需求（如河道、湖库等水利对象），准确性也是历经多场次洪水的对比验证，特别适用于中小流域的暴雨洪水“四预”建设，在配合数字孪生平台建设时采用标准化数据交互接口，空间模型搭建完成后即插即用快速响应。

CFDPro水文水动力模型优势

由于中小流域的暴雨洪水过程线的特性受该流域的空间分布特性影响较大，通过网格的离散形式，加强了对空间信息和状态的描述。舍弃了地表径流过程线这种统计性的经验描述方法，让跨临界流动力波去自由计算地表径流的流动状态，采用此方式能够在时间上动态、细致的对山洪进行演算。

通过网格的离散形式，能够对错综复杂的土地类型进行区分，从而在产流的计算上实现不同属性的土地空间有不同产流量的真实效果。也能够处理复杂集水区域或出口区域的流域形态，并且能实现集预报计算和淹没分析于一体的多功能一体化计算进程。

本模型解决方案适用于普遍的中小流域场景，特别适用于无水文资料的流域，若采用数值气象预报数据，还可以应用于不方便建设地面雨量站和水文站的流域。

模型计算可用GPU并行加速，计算时间短，一般流域十二小时预报计算可在1~2分钟内完成，完全满足预报计算的时效要求。

计算准确率高，项目准确率高达85%
计算效率高，同等算力条件下耗时节省40%
算法强大，可解决洪水顶托、水工建筑调度等问题
计算结果时空分辨率高，实现全流域水情动态演进
扩展性强，可实现产汇流、水动力、水质、泥沙等水利业务模型耦合计算

应用案例

某小流域暴雨洪水过程，出口流量实测数据与预测数据对比。

图5 流量过程对比

实测最大流量：1140 m3/s

计算最大流量：1179 m3/s

流量峰值准确率：96.6%

峰值时间误差：46 min

来源：多相流在线

建筑水利水工数字孪生气象 CFDPro

著作权归作者所有，欢迎分享，未经许可，不得转载

首次发布时间：2024-06-16