數字模型技術在水利行業的應用及展望

□師 琨（福建水利電力職業技術學院）

數字模型技術在水利行業的應用及展望

□師 琨（福建水利電力職業技術學院）

計算機硬件技術的不斷進步以及軟件技術的不斷拓展，加速了模型技術由實體物理模型向電子數字模型的演變。在水利行業中，數字模型技術正在改變著傳統思路和方法，借助自身的強大功能，不斷提升工作的精度和廣度。文章通過對主要數字模型技術的介紹，并借助“948”項目對Infow orks RS軟件的應用實例，證明數字模型技術在水利行業中確實有著較好的應用前景。

水利行業；數字模型技術；應用；展望

1 前言

“興水利，除水害”是水利部門多年的愿望和期許，也是一直以來為之努力和奮斗的目標。新中國成立以來，水利行業取得了舉世矚目的成就，完成了諸如三峽大壩等多個為世人所贊嘆的超大型工程，也形成了一套較為完善的理論和應用體系。模型技術在水利行業的應用由來已久，早些年的模型多為物理模型。黃河水利委員會在鄭州市建設了黃河物理模型，用于研究黃河的流態以及泥沙問題，很多高校也都有自己的水利模型實驗室。這些模型的最大優點在于直觀，可以直接觀測到每一處的河流形態，模擬結果也較為合理。但這類模型多占用較大的場地，可變性差，更改外界條件將產生較大的時間成本和費用，且隨著時間的推移，一些物理固件的老化，也會影響其模擬的合理性。近些年，數字模型理念逐步引入中國，其中最為著名的是由河海大學團隊開發的新安江模型。該模型應用水文與水資源專業的相關理論和方法，結合計算機程序自行完成區域產匯流的計算，經多年參數調整和實踐檢驗，具有較好的精準度和合理性。除新安江模型之外，國外各大水利研究機構經多年的研究和開發，也推出了實用性較好的商業軟件，其中在國內應用較多的，主要有SWMM模型、MIKE系列軟件和Infoworks系列軟件。

2 SWMM模型及在水利行業中的應用

SWMM模型，全名為storm water manager model，由美國環保局在20世紀70年代，運用校企合作的模式開發得來，主要用于城市管網排水系統的管理。近年來，隨著國內城市排水矛盾的日益加劇，該模型在我國的北京、深圳等地均有應用研究，并取得了較好的模擬成果。SWMM模型運用霍頓下滲理論，將地面分為透水層和不透水層，同時將模擬區域分割為多個子模塊，通過求解圣維南方程，分別計算每個子模塊的地面匯流、管網匯流等，最后將各子模塊的匯流進行疊加，得出各區域出口斷面的流量。此外，SWMM模型也可用于水質模擬。

3 MIKE系列模型及在水利行業中的應用

MIKE系列軟件，由丹麥水資源與水環境研究所開發，是進入中國較早的商業軟件，也是在國內應用較為成熟的商業軟件。該系列軟件包含眾多模塊，包括MIKE11、MIKE21、MIKE SHE、MIKE BASIN以及MIKE 3等等，其應用范圍涵蓋了諸如產匯流計算、水動力學模擬運算、海岸分析、城市給排水計算、灘區淹沒模擬計算、水資源調度運算、地下水與地表水聯合運算等，應用非常廣泛，基本可以在水利行業的各個部門發揮其優勢和特點。

MIKE11：該模塊涵蓋了多個應用模型，包括水動力學模型、洪水預警模型、水質模型、降雨產匯流模型等等，可以在一維維度對河流、管網等進行模擬，是出現比較早、較為基礎的模塊。該模塊在廣東省珠江流域的多個城市有實際應用，效果良好。

MIKE21：該模塊將應用拓展至二維空間，除可以計算顯示基礎的流速、水位等數值之外，還可以計算顯示如區域流場，點流向等數據。其應用范圍亦擴大到諸如潮汐、海岸等區域。

MIKE-SHE：該模塊為分散式水文模型，主要用于進行地表水和地下水的水資源管理問題。

MIKE BASIN：該模塊內置了降雨產匯流模塊和水質模塊，可進行區域產匯流計算以及水質及污染物分析計算，主要應用方向為水庫優化調度以及水資源的優化配置。同時，該模塊的開發性較好，可與其他軟件進行端口融合。國內多家部門使用該軟件進行了水資源調配、水資源管理等的應用研究，效果較好。

MIKE3：即三維水流模擬模塊，該模塊在計算方法上與其他模塊類似，均以圣維南方程為基礎進行六點隱式拆分，主要針對自由表面水體進行水動力學模擬。不過其表現力強勁，生動而真實，未來應用前景較好。

4 Infow orks系列模型及在水利行業中的應用

Infoworks系列模型由英國wallingford公司開發生產，包含RS、CS、WS和SD四個模塊，其中RS主要用于模擬河流水動力學以及相關水工建筑物；CS主要用于模擬城市管網和下水道系統；WS主要用于模擬城市供水系統；SD主要用于模擬海岸風暴潮等。

借助水利部“948”項目契機，該軟件的RS模塊曾在福建省某山區流域進行了應用研究。該山區流域的上游為一片約140km2的山區，地質條件較為單一，植株較為茂密；下游為一片約60 km2的平原區，地形較為平緩，周圍有居民居住；流域最下部為河流匯合口。為驗證軟件計算成果的合理性，從往年資料中選取了兩場較為典型、影響較為嚴重的臺風作為驗證參考。

首先，對上游山區做產匯流參數率定計算。從水文年鑒中選取了7場較為有代表性的降雨，應用RS模塊自帶的流域水文模型PDM軟件，對區域的降雨產匯流系數進行率定。該山區流域的出口處有一個綜合性水文站，有著多年的實測數據，剛好可以用來對比分析計算結果。通過率定計算，最終確定了區域的降雨換算因子（類似于產流系數）、降雨成流滯時、最大和最小下滲深度、Pareto指數、線性水庫系數等，同時計算得出的流量過程線與實測流量過程線在峰值和過程線方面均吻合較好。

其次，在完成參數率定之后，運用率定得到的參數，將臺風期間的實測降雨過程錄入PDM軟件，計算得到臺風降雨所產生的洪水過程線，再將該過程線錄入下游平原區的一維和二維河道水動力學系統。系統運用RS模塊的ISIS計算引擎根據所分配的流量過程線、河道斷面的水力學特性、河道中出現的水工建筑物以及下游出口處的水位過程線，運用四點隱式計算法拆分圣維南方程組，計算獲得每個河道斷面的流量、水位、流速、弗勞德數等數據。

最后，進行結果驗證和分析。當年臺風來襲時，水利部門在該區域共調查獲得了三個洪痕點，其中兩個位于平原區河道的上游，一個位于河道的中游，貼近本次水動力學系統中的三個水文斷面。本次模擬計算，以這三處洪痕點作為分析依據，判斷軟件計算成果的精確度。經分析對比，三處洪痕點的計算值與實測值之間的誤差均在0.10 m以內，相對誤差均不超過5%，滿足精度要求。

5 結論與展望

通過對SWMM軟件和MIKE系列軟件的功能介紹以及Infoworks RS軟件的實際應用，可以看出數字模型軟件在計算功能、計算精度等方面均達到了水利部門的要求，通過多種渠道、多種環境的實際應用和計算，數字模型軟件也逐步得到水利部門的認可和青睞。誠然，數字模型軟件還存在著諸如硬件要求過高、應用難度較大、功能覆蓋還不夠全面等問題，在一定程度上限制了數字模型軟件的上手速度以及推廣速度。但是，隨著技術的不斷推進以及軟件功能的不斷拓展和優化，相信在未來的水利工作中，上到系統決策預警,下到工程計算規劃，都將出現數字模型的身影，將伴隨著水利一起，踏上新的征程，走向新的輝煌。

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（責任編輯：符 蕾）

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1673-8853（2016）12-60-02

2010-10-08