数字模型技术在水利行业的应用及展望

□师 琨（福建水利电力职业技术学院）

数字模型技术在水利行业的应用及展望

□师 琨（福建水利电力职业技术学院）

计算机硬件技术的不断进步以及软件技术的不断拓展，加速了模型技术由实体物理模型向电子数字模型的演变。在水利行业中，数字模型技术正在改变着传统思路和方法，借助自身的强大功能，不断提升工作的精度和广度。文章通过对主要数字模型技术的介绍，并借助“948”项目对Infow orks RS软件的应用实例，证明数字模型技术在水利行业中确实有着较好的应用前景。

水利行业；数字模型技术；应用；展望

1 前言

“兴水利，除水害”是水利部门多年的愿望和期许，也是一直以来为之努力和奋斗的目标。新中国成立以来，水利行业取得了举世瞩目的成就，完成了诸如三峡大坝等多个为世人所赞叹的超大型工程，也形成了一套较为完善的理论和应用体系。模型技术在水利行业的应用由来已久，早些年的模型多为物理模型。黄河水利委员会在郑州市建设了黄河物理模型，用于研究黄河的流态以及泥沙问题，很多高校也都有自己的水利模型实验室。这些模型的最大优点在于直观，可以直接观测到每一处的河流形态，模拟结果也较为合理。但这类模型多占用较大的场地，可变性差，更改外界条件将产生较大的时间成本和费用，且随着时间的推移，一些物理固件的老化，也会影响其模拟的合理性。近些年，数字模型理念逐步引入中国，其中最为著名的是由河海大学团队开发的新安江模型。该模型应用水文与水资源专业的相关理论和方法，结合计算机程序自行完成区域产汇流的计算，经多年参数调整和实践检验，具有较好的精准度和合理性。除新安江模型之外，国外各大水利研究机构经多年的研究和开发，也推出了实用性较好的商业软件，其中在国内应用较多的，主要有SWMM模型、MIKE系列软件和Infoworks系列软件。

2 SWMM模型及在水利行业中的应用

SWMM模型，全名为storm water manager model，由美国环保局在20世纪70年代，运用校企合作的模式开发得来，主要用于城市管网排水系统的管理。近年来，随着国内城市排水矛盾的日益加剧，该模型在我国的北京、深圳等地均有应用研究，并取得了较好的模拟成果。SWMM模型运用霍顿下渗理论，将地面分为透水层和不透水层，同时将模拟区域分割为多个子模块，通过求解圣维南方程，分别计算每个子模块的地面汇流、管网汇流等，最后将各子模块的汇流进行叠加，得出各区域出口断面的流量。此外，SWMM模型也可用于水质模拟。

3 MIKE系列模型及在水利行业中的应用

MIKE系列软件，由丹麦水资源与水环境研究所开发，是进入中国较早的商业软件，也是在国内应用较为成熟的商业软件。该系列软件包含众多模块，包括MIKE11、MIKE21、MIKE SHE、MIKE BASIN以及MIKE 3等等，其应用范围涵盖了诸如产汇流计算、水动力学模拟运算、海岸分析、城市给排水计算、滩区淹没模拟计算、水资源调度运算、地下水与地表水联合运算等，应用非常广泛，基本可以在水利行业的各个部门发挥其优势和特点。

MIKE11：该模块涵盖了多个应用模型，包括水动力学模型、洪水预警模型、水质模型、降雨产汇流模型等等，可以在一维维度对河流、管网等进行模拟，是出现比较早、较为基础的模块。该模块在广东省珠江流域的多个城市有实际应用，效果良好。

MIKE21：该模块将应用拓展至二维空间，除可以计算显示基础的流速、水位等数值之外，还可以计算显示如区域流场，点流向等数据。其应用范围亦扩大到诸如潮汐、海岸等区域。

MIKE-SHE：该模块为分散式水文模型，主要用于进行地表水和地下水的水资源管理问题。

MIKE BASIN：该模块内置了降雨产汇流模块和水质模块，可进行区域产汇流计算以及水质及污染物分析计算，主要应用方向为水库优化调度以及水资源的优化配置。同时，该模块的开发性较好，可与其他软件进行端口融合。国内多家部门使用该软件进行了水资源调配、水资源管理等的应用研究，效果较好。

MIKE3：即三维水流模拟模块，该模块在计算方法上与其他模块类似，均以圣维南方程为基础进行六点隐式拆分，主要针对自由表面水体进行水动力学模拟。不过其表现力强劲，生动而真实，未来应用前景较好。

4 Infow orks系列模型及在水利行业中的应用

Infoworks系列模型由英国wallingford公司开发生产，包含RS、CS、WS和SD四个模块，其中RS主要用于模拟河流水动力学以及相关水工建筑物；CS主要用于模拟城市管网和下水道系统；WS主要用于模拟城市供水系统；SD主要用于模拟海岸风暴潮等。

借助水利部“948”项目契机，该软件的RS模块曾在福建省某山区流域进行了应用研究。该山区流域的上游为一片约140km2的山区，地质条件较为单一，植株较为茂密；下游为一片约60 km2的平原区，地形较为平缓，周围有居民居住；流域最下部为河流汇合口。为验证软件计算成果的合理性，从往年资料中选取了两场较为典型、影响较为严重的台风作为验证参考。

首先，对上游山区做产汇流参数率定计算。从水文年鉴中选取了7场较为有代表性的降雨，应用RS模块自带的流域水文模型PDM软件，对区域的降雨产汇流系数进行率定。该山区流域的出口处有一个综合性水文站，有着多年的实测数据，刚好可以用来对比分析计算结果。通过率定计算，最终确定了区域的降雨换算因子（类似于产流系数）、降雨成流滞时、最大和最小下渗深度、Pareto指数、线性水库系数等，同时计算得出的流量过程线与实测流量过程线在峰值和过程线方面均吻合较好。

其次，在完成参数率定之后，运用率定得到的参数，将台风期间的实测降雨过程录入PDM软件，计算得到台风降雨所产生的洪水过程线，再将该过程线录入下游平原区的一维和二维河道水动力学系统。系统运用RS模块的ISIS计算引擎根据所分配的流量过程线、河道断面的水力学特性、河道中出现的水工建筑物以及下游出口处的水位过程线，运用四点隐式计算法拆分圣维南方程组，计算获得每个河道断面的流量、水位、流速、弗劳德数等数据。

最后，进行结果验证和分析。当年台风来袭时，水利部门在该区域共调查获得了三个洪痕点，其中两个位于平原区河道的上游，一个位于河道的中游，贴近本次水动力学系统中的三个水文断面。本次模拟计算，以这三处洪痕点作为分析依据，判断软件计算成果的精确度。经分析对比，三处洪痕点的计算值与实测值之间的误差均在0.10 m以内，相对误差均不超过5%，满足精度要求。

5 结论与展望

通过对SWMM软件和MIKE系列软件的功能介绍以及Infoworks RS软件的实际应用，可以看出数字模型软件在计算功能、计算精度等方面均达到了水利部门的要求，通过多种渠道、多种环境的实际应用和计算，数字模型软件也逐步得到水利部门的认可和青睐。诚然，数字模型软件还存在着诸如硬件要求过高、应用难度较大、功能覆盖还不够全面等问题，在一定程度上限制了数字模型软件的上手速度以及推广速度。但是，随着技术的不断推进以及软件功能的不断拓展和优化，相信在未来的水利工作中，上到系统决策预警,下到工程计算规划，都将出现数字模型的身影，将伴随着水利一起，踏上新的征程，走向新的辉煌。

[1]赵树旗，晋存田，李小亮等.SWMM模型在北京市某区域的应用[J].给水排水，2009.

[2]王越兴.SWMM在城市排水管网分析中的应用[J].给水排水，2010.

[3]莫铠，李军，贾鹏.MIKEBASIN水资源模型对复杂水库调度程序的开发及应用[J].水科学与工程技术，2008.

[4]陈欣，顾世祥，谢波等.MIKEBASIN在水资源论证中的应用研究[J].中国农村水利水电，2009.

[5]刘俊勇，张云，崔树彬.MIKE软件在珠江流域水资源管理与规划中的应用[J].人民珠江，2010.

[6]何文华，黄国如.Mike21软件在白云湖流场分析中的应用[J].广东水利水电，2010.

（责任编辑：符 蕾）

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2010-10-08