数字孪生南四湖防洪调度模型研究及应用

刘业森，杜庆顺，李 匡，胡文才，赵艳红，喻海军，姚 远，孙 琳，常思源

（1.中国水利水电科学研究院，100038，北京；2.水利部数字孪生流域重点实验室，100038，北京；3.水利部淮河水利委员会沂沭泗水利管理局水文局（信息中心），221018，徐州）

一、背 景

数字孪生流域技术要求中明确提出要构建模型平台，提高算法，为数字孪生流域提供智能化支撑。在数字孪生流域框架中对模型平台的构建、运行提出了全新需求。传统的模型构建和运行方式难以适应数字孪生流域环境。随着数字孪生流域先行先试等项目开展，对超大规模并行计算技术、跨平台运行技术等进行了探索，并取得了很多成功经验。但对于南四湖这种具有独特水系特征的模型构建，需要在现有成果基础上探索、验证新的模式和方法。

南四湖水系湖西地区地势低平，水系交叉，闸坝密布，洪水预报难度大。湖区行洪在一定程度上受到多年淤积的影响，增加了洪水预报计算难度。由于历史原因，南四湖湖区内尚有10 多万渔业湖民生产生活，湖内圈圩、湖田众多，阻水严重，洪水下泄缓慢，给二级坝水利枢纽精准化防洪调度造成很大困难。根据多年洪水预报调度实践经验，南四湖水系形成了以API 经验模型为主的洪水预报方法，具有较好的实用性。在数据底板方面，建成了实时水文数据库，采集了主要入湖河流断面数据和湖区水下地形数据，为南四湖水系数字孪生流域模型平台建设提供了很好的基础和条件。

二、模型的空间布局

根据南四湖水系水文特征和防洪调度需求，构建概念性水文预报模型，进行119个流域分区产流计算；构建6 座大中型水库的洪水调度模型，实现水库规程调度和指令调度；构建分布式时空变源模型，进行全区河网流场计算；构建河道一维演进模型，与水文预报模型进行耦合，实现53条入湖河流的洪水演进过程计算；构建湖区二维模型，实现湖区洪水水位、流场计算；在洪水预报基础上，构建工程调度模型，通过二级坝、韩庄枢纽、蔺家坝闸等闸坝调度，实现上级湖和下级湖正向控制、反向控制。针对湖东三个滞洪区，开发了二维洪水演进模型，实现分洪情况下滞洪区洪水过程计算。模型布局见图1。

图1 南四湖防洪调度模型布局图

模型程序部署于内网云平台，通过GPU 加速、CPU加速，实现洪水预报、预演过程的快速计算，为防洪调度系统提供支撑。

三、模型的主要内容

1.概念性水文预报模型

由于水文预报与人类经济活动密切相关，其预报技术和方法发展很快。随着计算机技术应用和其他信息技术渗透，已提出百余种数学物理模型，且复杂程度不一。本研究选用已经在我国得到广泛应用的三水源新安江模型，并结合南四湖流域河流的具体特性，对新安江模型加以改进。湖东河流采用新安江模型，湖西河流采用改进新安江模型。水文预报模型具体构建步骤如下：

①以现有水文站为控制范围，将南四湖水系分区划分，其中包括水文站之间的区间流域，各分区根据地形、地质、下垫面等不同条件设定不同的模型参数。

②对于每一分区再细分若干个单元（共119 个单元），以考虑由于降雨分布不均匀影响以及上下不同单元块洪水传播影响。

③对于每一单元，应用新安江模型、改进新安江模型做降雨、蒸发、土壤含水量、水源分配和消退、单元河网单位线等一系列分析计算。

④每个单元出口的流量通过河道汇流计算到分区的出口站，各单元到达出口站的流量过程线叠加得到出口站的流量过程。

⑤采用历史水文资料，选择率定期和验证期，对每一计算单元模型参数进行率定；评价预报方案等级。

2.水库调度模型

水库调洪方式是指根据水库防洪要求（包括大坝安全和下游防洪要求），利用泄洪设施泄放流量的方式，也称为水库泄洪方式或水库防洪调度方式。采用的水库调洪方式应根据泄洪建筑物的型式、是否担负下游防洪任务以及下游防护地点洪水组成情况等方面因素来考虑和区分。

主要针对南四湖水系内尼山、西苇、岩马、马河、贺庄、庄里6座大中型水库构建了调度模型，通过耦合水文预报模型，根据入库洪水预报结果，实现了规程调度、指令调度，计算的出库过程为河道演进模型的边界条件。

3.时空变源模型

时空变源分布式水文模型是由中国水利水电科学研究院（以下简称中国水科院）自主研发的新一代分布式水文模型。在对小流域非线性产汇流时空变源机制科学认知的基础上，提出小流域不同产流机制的地貌水文响应单元划分标准和方法，基于小流域地貌水文响应单元和最新非饱和土壤下渗计算方法（GARTO 模型），发展融合小流域下渗能力和蓄水能力超渗/蓄满时空转换的产流计算方法，从超渗/蓄满机制的平面混合、垂向混合、时段混合三个方面构建小流域时空变源混合产流模型结构，解决适用于不同类型区的无资料小流域产流模拟问题。对比传统的产流理论，时空变源混合产流的“源”从流域产流组分层面是指分水源，产流过程和机制上又受质量源（降雨和蒸发等）和动量源（重力和基质吸力）影响，使其随时间和空间都有较大变化。时空变源是指土壤水分在外因（降雨入渗和蒸发）和内因（重力和基质吸力）共同作用下的时空变化；混合产流是指在内外因耦合作用下的流域不同产流机制呈现时空动态变化和时空组合。基于南四湖流域特征和模型原理，将1318 个小流域划分为16 个计算单元，对每个计算单元提取了包括小流域空间属性、土壤质地、土地利用等75 项流域相关基础属性信息，建立了以小流域为单元的空间拓扑关系，构建了南四湖流域时空变源分布式水文模型，对1318 个小流域出口节点、水库上游支流入流节点及重点水利工程上游来水进行实时流量过程模拟及未来洪水预报。

4.河道演进模型

河道演进模型构建的难点在于，不同流态的洪水传播要针对洪水波的运动形态建立相应的数值计算格式，特别是洪水波中大梯度、强激波的处理方式直接影响到数值计算的稳定性和准确性。本文河道演进模型采用中国水科院自主研发的一维河道水动力模型，应用有限体积格式，采用Godunov 型格式以迎风方式计算激波，将通量求解定义为局部黎曼问题，在流场的局部区域得到欧拉方程的精确解，将其拼合成整个流场，保证了数值精度。模型有强大的河流模拟能力，可以处理上千条河网，用于防洪控制工程和水库调度工作；可模拟多种水工建筑物，包括泵站、通用堰、堰闸；可实时查询河道水位信息、过程数据、河段信息、断面信息。

通过分析南四湖流域洪水特点及河网特性，基于水力学方法建立河道演进模型，覆盖南四湖53 条主要入流河道，涉及河道实测断面940 个，设置各个断面的左右堤顶位置以及糙率等参数，对河道上下游断面及河道汇口断面进行节点概化。查询水文模型小流域节点与河道断面的空间分布，建立耦合关系。将水文模型小流域节点的流量设置为一维河道断面的入流边界条件，实时模拟不同来水过程下河道断面水位、流量、流速情况。

5.湖区洪水演进模型

南四湖湖区水平尺度远大于垂向尺度，各水力参数（如流速、水深等）在垂直方向的变化远小于水平方向，其流态可用沿水深的平均流动量来表示，故湖区洪水演进模型采用二维水动力学模型完成。本文湖区洪水演进模型选用中国水科院自主研发的二维地表水动力模型，基于非结构网格，采用Godunov 型有限体积法数值格式离散求解二维浅水方程，通量计算中Riemann 问题采用ROE 格式的近似解进行计算，同时具备GPU 并行计算功能，计算效率高。

本文湖区洪水演进模型覆盖上级湖和下级湖，建模面积分别为625 km2及682 km2。通过侧向连接实现一二维水动力模型耦合，由河道演进模型向湖区洪水演进模型提供来水边界；设置闸坝等水利设施，通过控制运行规则，反馈二级坝枢纽、韩庄枢纽在上下湖水力联系中的调控作用，结合流域调度方案、湖区库容—水位关系等设计资料，对湖区库容及水位进行及时调整，采用数字高程模型（DEM）叠加水位分析，将高程值低于给定水位的点皆计入淹没区，经累加形成淹没范围并进行展示。

6.南四湖工程调度模型

在入湖洪水过程预报和湖区洪水演进的基础上，开发工程调度模型，实现二级坝、韩庄枢纽、蔺家坝闸的调度。由于二级坝下泄流量闸上闸下水位的影响，下泄流量计算采用指令控制和堰流公式相结合的方式，在指令泄量低于闸门全开条件下堰流公式计算流量，采用指令泄量；反之，采用堰流计算泄量。按照防洪调度需求和工程调度实际，综合考虑计算效率和精度，以小时为间隔迭代计算。

在正向控制中，输入指令调度泄量，逐小时计算上下级湖水位，如果在新水位边界下，指令泄量大于闸门全开情况下堰流公式计算泄量，则将实际泄量调整为堰流公式计算泄量。在反向控制中，以上下级湖水位为控制目标，包括目标水位和时间。采用逐步增大泄量的方式迭代计算逐小时下泄流量，直到满足水位控制目标。如果入湖洪水量过大，则达到滞洪区启用水位后，启用滞洪区。如闸门全开亦无法达到控制目标，则根据工程调度实际，尽早控制二级坝三闸及韩庄枢纽、蔺家坝闸全开，采用堰流公式计算泄量。调度流程见图2。

图2 正向控制（a）和反向控制（b）流程

四、防洪“四预”支撑

1.防洪演练

防洪演练是检验模型可用性的重要手段。以“郑州7·20”暴雨过程为例，将实际降雨过程插值到均匀的空间格网上，然后经过平移、旋转等操作，移植到南四湖水系，模拟计算洪水过程。为充分检验最不利情况下的结果，按照水系总降水量最大原则，将暴雨中心放置于上级湖汇流范围内。调用水文预报模型、水库调度模型、河道演进模型、湖区洪水演进模型进行洪水过程计算。经计算，入湖水量、重要断面的预报结果与成熟的API 模型预报结果接近，证实了多模型耦合结果的可用性。

2.洪水预报

洪水预报结果是防洪调度“四预”（预报、预警、预演、预案）的基础，防洪调度需要综合考虑洪水预报计算效率和精度。通过洪水率定保证模型计算精度，采用GPU 和CPU 加速，提高计算效率。根据防洪调度需求，对预报降雨、落地雨两种边界条件开展洪水预报。预报降雨以分区预报降雨的方式输入，按照上级湖东、上级湖西、上级湖面、下级湖、下级湖面5 个分区预报降雨，湖面的预报降雨直接分配到湖区二维模型网格上，其他3 个分区根据空间关系转换到水文分区上。耦合水文预报模型、水库调度模型、河道演进模型、湖区洪水演进模型，实现场次降雨洪水预报。输出结果包括每个断面洪水过程、入湖洪水过程、湖区洪水过程。

3.流场仿真

流场仿真内容包括水系流场和湖区流量，水系流场仿真根据时空变源模型计算结果进行逐时刻渲染。湖区流场以湖区二维模型计算结果为基础，利用每个二维格网计算的x、y 方向流速和总流速为基础，生成流场线，采用粒子效果在三维场景中渲染得到湖区流场。由于二维模型计算结果数据量大，影响渲染效率，采用分级概化的方式生成湖区流场线。概化效果见图3，在三维场景中的渲染效果见图4。

图3 不同比例尺下流场线效果

图4 三维场景中流场渲染效果

4.工程调度

防洪工程调度需要从整个流域角度综合考虑上下游、经济社会影响等多方面因素，南四湖水系作为沂沭泗流域的一部分，其工程调度需要考虑下游邳苍地区、骆马湖等约束条件。本文聚焦南四湖水系，按照下游无降雨条件进行工程调度。在防洪调度系统中，在预报、预警、预演环节，针对典型极端暴雨、多重现期暴雨、实际降雨进行了工程调度计算，并根据工程调度实际，加入了调度时间、会商时间等约束条件，给出不同降雨、水文条件下的调度建议，未来将从沂沭泗整个流域角度综合考虑，实现工程调度的优化。

五、结语

针对南四湖水系特征和防洪调度需求，按照空间布局，设计并构建了水文预报模型、水库调度模型、时空变源模型、河道演进模型、湖区洪水演进模型、工程调度模型等专业模型，实现洪水预报、洪水演进、工程调度等防洪调度需求。采用动态耦合方式，对防洪“四预”进行支撑，经过防洪演练、洪水预报、流场仿真、工程调度等典型应用，证实了模型在南四湖水系的可用性。但防洪调度需要综合考虑上下游、工程安全、洪水风险等多方面因素，模型建设范围和约束条件考虑不够充分，模型需要与相关水系模型进行融合，通过实际运用，进一步检验模型稳定性，提高模型效率，不断完善模型对数字孪生流域的智能化支撑作用。