積鼎CFDPro水文水動力模型，專為中小流域洪水“四預(yù)”研發(fā)的流體仿真技術(shù)

水動力模型與水文模型是水利工程與水文學(xué)研究中不可或缺的兩大工具。水動力模型著重于流體運(yùn)動的動力學(xué)機(jī)制，通過一系列方程組捕捉水流的時(shí)空變化，而概念性水文模型則側(cè)重于流域尺度的水文循環(huán)過程，利用物理概念與經(jīng)驗(yàn)關(guān)系進(jìn)行近似模擬。兩者相互補(bǔ)充，共同構(gòu)成了現(xiàn)代水文學(xué)與水資源管理領(lǐng)域的核心分析手段。積鼎科技結(jié)合了水文的產(chǎn)流機(jī)制和水動力的對流動的準(zhǔn)確計(jì)算，創(chuàng)新研發(fā)CFDpro—水文水動力模型，這是一種充分適用于中小流域洪水四預(yù)的基于二維不規(guī)則網(wǎng)格的精細(xì)化產(chǎn)匯流模型。

CFDPro水文水動力模型：適用于中小流域洪水四預(yù)的精細(xì)化產(chǎn)匯流模型

經(jīng)過多年研發(fā)和實(shí)踐打磨，積鼎科技結(jié)合了水文的產(chǎn)流機(jī)制和水動力的對流動的準(zhǔn)確計(jì)算，創(chuàng)新研發(fā)CFDpro—水文水動力模型，這是一種充分適用于中小流域洪水四預(yù)的基于二維不規(guī)則網(wǎng)格的精細(xì)化產(chǎn)匯流模型。針對中小流域的暴雨洪水具有洪水反應(yīng)快，洪水空間分布及推進(jìn)反應(yīng)真實(shí)等特點(diǎn)，能夠一次計(jì)算同時(shí)完成洪水預(yù)報(bào)和淹沒分析，可通過雨量站的實(shí)測數(shù)據(jù)和數(shù)值氣象預(yù)報(bào)的網(wǎng)格數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)報(bào)和演進(jìn)計(jì)算。具體特征如下所述。

· 二維不規(guī)格網(wǎng)格空間劃分

在研究對象的集水范圍內(nèi)，通過二維網(wǎng)格的形式對空間進(jìn)行離散，網(wǎng)格的節(jié)點(diǎn)保存高程值。

圖1 研究區(qū)域影像圖 圖2 研究區(qū)域網(wǎng)格離散圖

· 針對不同土地特征的下墊面設(shè)置

下墊面根據(jù)降雨到產(chǎn)流的不同特征分為水體、水泥地、裸土、草地以及林地等多種土地特征。根據(jù)相關(guān)的土地利用性質(zhì)影像圖資料就可方便快捷的進(jìn)行自動映射到網(wǎng)格上，如下圖所示。

圖3 土地屬性網(wǎng)格圖

整個(gè)垂直空間的降雨截流、產(chǎn)流及下滲架構(gòu)如下表

· 靈活精準(zhǔn)的面雨量計(jì)算

面雨量的計(jì)算是根據(jù)監(jiān)測雨量的點(diǎn)的位置關(guān)系進(jìn)行空間距離權(quán)重插值。既可以使用傳統(tǒng)的水文站點(diǎn)數(shù)據(jù)，也可以使用數(shù)值氣象預(yù)報(bào)的大網(wǎng)格數(shù)據(jù)。相對而言，采用數(shù)值天氣的網(wǎng)格數(shù)據(jù)能夠相對更準(zhǔn)確的反應(yīng)面雨量的空間不均衡性。在實(shí)際項(xiàng)目實(shí)施中，若雨量站較少，則一般考慮全部站點(diǎn)的權(quán)重分布；若采用數(shù)值氣象預(yù)報(bào)，降雨數(shù)據(jù)點(diǎn)等距分布且數(shù)量較多，則每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)只選用距離最近的適當(dāng)數(shù)量權(quán)重?cái)?shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行插值。

CFDPro水文水動力模型優(yōu)勢

由于中小流域的暴雨洪水過程線的特性受該流域的空間分布特性影響較大，通過網(wǎng)格的離散形式，加強(qiáng)了對空間信息和狀態(tài)的描述。舍棄了地表徑流過程線這種統(tǒng)計(jì)性的經(jīng)驗(yàn)描述方法，讓跨臨界流動力波去自由計(jì)算地表徑流的流動狀態(tài)，采用此方式能夠在時(shí)間上動態(tài)、細(xì)致的對山洪進(jìn)行演算。通過網(wǎng)格的離散形式，能夠?qū)﹀e(cuò)綜復(fù)雜的土地類型進(jìn)行區(qū)分，從而在產(chǎn)流的計(jì)算上實(shí)現(xiàn)不同屬性的土地空間有不同產(chǎn)流量的真實(shí)效果。也能夠處理復(fù)雜集水區(qū)域或出口區(qū)域的流域形態(tài)，并且能實(shí)現(xiàn)集預(yù)報(bào)計(jì)算和淹沒分析于一體的多功能一體化計(jì)算進(jìn)程。本模型解決方案適用于普遍的中小流域場景，特別適用于無水文資料的流域，若采用數(shù)值氣象預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)，還可以應(yīng)用于不方便建設(shè)地面雨量站和水文站的流域。模型計(jì)算可用GPU并行加速，計(jì)算時(shí)間短，一般流域十二小時(shí)預(yù)報(bào)計(jì)算可在1~2分鐘內(nèi)完成，完全滿足預(yù)報(bào)計(jì)算的時(shí)效要求。

計(jì)算準(zhǔn)確率高，項(xiàng)目準(zhǔn)確率高達(dá)85%

計(jì)算效率高，同等算力條件下耗時(shí)節(jié)省40%

算法強(qiáng)大，可解決洪水頂托、水工建筑調(diào)度等問題

計(jì)算結(jié)果時(shí)空分辨率高，實(shí)現(xiàn)全流域水情動態(tài)演進(jìn)

擴(kuò)展性強(qiáng)，可實(shí)現(xiàn)產(chǎn)匯流、水動力、水質(zhì)、泥沙等水利業(yè)務(wù)模型耦合計(jì)算

· 適用場景

該模型可以廣泛的滿足各類水利數(shù)字孿生的應(yīng)用需求（如河道、湖庫等水利對象），準(zhǔn)確性也是歷經(jīng)多場次洪水的對比驗(yàn)證，特別適用于中小流域的暴雨洪水“四預(yù)”建設(shè)，在配合數(shù)字孿生平臺建設(shè)時(shí)采用標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)交互接口，空間模型搭建完成后即插即用快速響應(yīng)。

上海積鼎信息科技有限公司（簡稱：積鼎科技）成立于2008年，是專注于自主知識產(chǎn)權(quán)的流體仿真軟件研發(fā)及技術(shù)服務(wù)的國家級高新技術(shù)企業(yè)，致力于打造好用、易用的國產(chǎn)流體仿真軟件。更多解決方案，歡迎關(guān)注“多相流在線”。

審核編輯 黃宇