基于数学模型的水力仿真计算平台设计实现

吴 昊，夏中华

（天津市水利科学研究院，天津 300061）

随着城市发展，水利在社会、经济发展中的影响越来越大。合理分配水资源、积极改善水质和水环境、科学运用城市管网等将产生显著的经济社会效益。目前，水利面临的多数问题在科学研究上都会借助于水力学模型，包括物理和数学模型。水力数学模型技术先进，在大多数情况下能够代替物理模型，且建设及运行维护成本低，近年发展迅速并应用到基础民生行业，是今后水利信息化的发展趋势。

国外水力数学模型研究[1–2]起步早，一些成品专业软件已经取得科研政府机构认可，应用到实际项目中。以美国国家水科学与工程计算中心研究开发的 CCHE[3–4]数学模型系统系列软件为例，其作为水利工程和水资源的重要研究工具，广泛应用于现实世界各种水科学与工程实际问题的研究，包括：分析解决和地表水相关的水流泥沙运动，河流侵蚀保护与控制，污染物输移，洪灾风险管理，水质、生态与环境评估，水工建筑物设计与建设，风暴潮与海浪的灾害影响等。

国内高校、科研院所和流域机构越来越多地将水力数学模型应用到实际工程中。以成品专业水利软件 MIKE[5–9]系列软件为例，在国内的应用案例众多，包括长江 1998 年洪水预报、三峡水库水流条件及冲淤积研究、太湖流域环境治理、黄河、乌江梯级水库建设、松花江洪水预警平台、奥林匹克场馆洪水及景观水体研究，以及中国渤、黄、东、南海域水动力和水环境的数值模拟研究等。

为了更好地解决水利发展与改革中存在的各种技术问题，以天津市水务工作为基础，利用先进的水力数学模型软件和分布式存储技术[10]建立水力仿真计算平台，为水利科研、设计和生产管理提供数字化的模拟实验环境。

1 总体架构设计

水力仿真计算平台的搭建以水力专业软件与计算服务器、数据存储服务器、计算机和网络集成为基础，提供数学模型搭建、运行计算、数据存储、成果数据分析的系统平台，总体架构设计如图 1 所示。

2 软件设计

水力仿真平台集成 MIKE 2016 系列和 3E WATER等专业水力数学模型软件，可进行水资源、水环境、城市管网、地下水、洪水、水利工程、泥沙等各专业领域的建模和计算。

2.1 一维水模拟软件

主要建模功能模块包括 MIKE HYDRO River 的一维水动力、水工建筑物操作、溃坝、降雨径流、对流扩散和水质生态，主要应用于河网水系水动力学模拟、河流水系的生态及水质评价、洪水风险分析和洪泛图绘制，水工建筑物和调蓄池的设计、排水和灌溉研究、河流和水库优化运作、溃坝分析、洪水预报、水质预报、地下水和地表水综合分析。

图 1 总体功能架构图

2.2 二维水模拟软件

主要建模功能模块包括 MIKE 21 的二维水动力、对流扩散、水质生态、沙传输、泥传输，同时采用前后处理和动画模拟功能提升运算效率、展示运算结果。二维水建模软件可用于模拟河流、湖泊、河口、海湾、海岸和海洋的水流，波浪，泥沙及水环境问题，不仅可以满足海洋、海岸及河口等领域的深层次应用，也可用于内陆地表水相关课题的研究，比如洪水的坡面溢流现象、湖泊及水库环境评价等。

2.3 三维水模拟软件

采用 3E WATER 和 3E SERVER 软件，其中 3E WATER 是一套基于地理信息平台进行地表水二/三维水动力-水质模拟的专业建模和分析工具软件，3E SERVER 在同一平台集成各种环境数值模拟计算模式，3E WATER 通过前处理工具、模型配置和后处理分析等软件调用 3E SERVER 的计算模型，完成用户三维水利建模计算，如风暴潮、泥沙输移、污染扩散、防洪能力、水流场、溢油、水质、潮流、温排水、水利工程、洪水风险、滑坡堰塞等模拟。

2.4 城市管网模拟软件

主要建模功能模块采用 MIKE URBAN 的排水管流、降雨径流、实时控制、污染物传输、水质生态、输配水、汇水模型，同时采用模型管理器和 3D处理工具用于数据输入输出处理，城市管网模拟软件可用于城市排水与防洪、分流制管网的入流/渗流、合流制管网的溢流、受水影响、在线模型、管流监控、城市水综合管理。

2.5 水资源模拟与分析软件

采用 MIKE HYDRO Basin 软件，用于流域水资源综合分析，以及水资源的规划和管理，适用于各种尺度的水资源配置分析，也可用于水资源调查研究和辅助决策支持。

2.6 地下水模拟软件

采用 MIKE FEFLOWR 软件，可以模拟三维空间水流模型，二维平面、二维剖面或者轴对称二维水流模型；可以对非稳定流或稳定流及多层自由表面含水层，包括潜水含水层中的上层滞水进行模拟；可以对化学物质迁移及热转递模拟，包括温度、盐份迁移和可变密度流场模拟（盐水或海水入侵问题）；也可以模拟非饱和带流场及迁移等。

3 硬件环境设计

为了满足水力数学模型计算的需求，需要配置数学模型计算服务器、数据存储系统、应用管理服务器和网络环境。

3.1 水力数学模型计算环境

数学模型计算服务器用来安装水力数学模型软件以执行运算任务，根据需要配置 2 台 GPU 卡性能较高的计算服务器作为水力数学模型计算服务器。使用 2 台 DELL R730 型号服务器安装水资源模拟软件，实现高密度分析和计算。1 台计算服务器配置 Windows 系统，安装 MIKE 2016 用于水力数学模型的运算，1 台计算服务器配置 Linux 系统安装 3E SERVER 和 3E WATER 软件用于三维水模拟及相关模型的运算。

3.2 分布式数据存储系统

水力数学模型计算会产生大量的中间和最终成果数据。据实际估算，一个中等精细程度的天津市于桥水库的二维溃坝模型，网格精度在 10～50 m 不等，涉及计算范围的网格数达到 20 万以上，计算一次溃坝洪水的过程产生的最终成果数据量在 GB 级别，中间成果数据量在 100 GB 级别。近百个计算方案产生的数量就会达到 10 TB。而且随着数学模型精细程度的增加，数据量也会成倍的增加。存储这些数据至少需要 100 TB 级的存储系统并需要具有方便的扩容能力。

采用 Hadoop[11]分布式文件系统（HDFS）来实现模型数据及其他水力数学模型方案文件的大数据存储。HDFS 有着高容错性，可部署在低廉的硬件上。而且它提供高吞吐量来访问应用程序的数据，适合那些有着超大数据集的应用程序。HDFS 放宽了 POSIX 的要求，这样可以实现流的形式访问文件系统中的数据。水力仿真计算平台使用 9 台 DELL R730 型号服务器部署 HDFS，布置方案如图 2 所示。

图 2 HDFS 总体布置方案

1 台应用服务器用于安装 HDFS 客户端，作为模型文件的处理入口。8 台存储服务器都用安装HDFS 分布式文件系统，其中存储服务器 2 作为主机 Namenode 对外提供服务， 存储服务器 1 作为备机，在存储服务器 2 出现问题时，存储服务器 1 会自动接替，保持服务不间断的对外提供服务。存储服务器 3 作为 Resource Manager 服务器，用于资源管理。

3.3 应用管理服务器

应用管理服务器主要用来进行数据存储系统的管理，另外水力数学模型实验室面向水务系统的科研、设计和生产管理单位，因此需要配备必要的网络用户身份识别、授权等管理服务程序。

3.4 网络环境

水力数学模型实验室网络需要建立局域网络，并且可以接入水利业务网。服务器和台式电脑终端之间需要联网，建立一个高性能计算局域网络。配置交换机和集线器，并做网络布线。在局域网配置4 台台式电脑作为本地网络终端操作计算机。

4 结语

水力仿真计算平台建成后，可进行水资源、水环境、水安全等领域的建模和计算，如水资源优化配置、水资源综合开发利用、河道及河网水流特性模拟、城市水环境治理与改善、水资源论证、水环境影响评价、河湖生态修复、水库与河网洪水预报、防洪调度、防洪风险图的制定、防洪影响评价、雨洪水资源化技术、水利信息化应用系统开发等，并可以持续解决水利发展中出现的实际问题，为天津市水利行业各部门提供决策参考和技术支撑[12]。

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