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動的動力學(xué)機制，通過一系列方程組捕捉水流的時空變化，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)驗關(guān)系進行近似模擬。兩者相互補充，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)流機制和水動力的對流動的準確計算，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)的精細化產(chǎn)匯流模型

經(jīng)過多年研發(fā)和實踐打磨，積鼎科技結(jié)合了水文的產(chǎn)流機制和水動力的對流動的準確計算，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反應(yīng)真實等特點，能夠一次計算同時完成洪水預(yù)報和淹沒分析，可通過雨量站的實測數(shù)據(jù)和數(shù)值氣象預(yù)報的網(wǎng)格數(shù)據(jù)進行預(yù)報和演進計算。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)格的形式對空間進行離散，網(wǎng)格的節(jié)點保存高程值。

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

· 靈活精準的面雨量計算

面雨量的計算是根據(jù)監(jiān)測雨量的點的位置關(guān)系進行空間距離權(quán)重插值。既可以使用傳統(tǒng)的水文站點數(shù)據(jù)，也可以使用數(shù)值氣象預(yù)報的大網(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)能夠相對更準確的反應(yīng)面雨量的空間不均衡性。在實際項目實施中，若雨量站較少，則一般考慮全部站點的權(quán)重分布；若采用數(shù)值氣象預(yù)報，降雨數(shù)據(jù)點等距分布且數(shù)量較多，則每個網(wǎng)格點只選用距離最近的適當(dāng)數(shù)量權(quán)重數(shù)據(jù)點進行插值。

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)計性的經(jīng)驗描述方法，讓跨臨界流動力波去自由計算地表徑流的流動狀態(tài)，采用此方式能夠在時間上動態(tài)、細致的對山洪進行演算。通過網(wǎng)格的離散形式，能夠?qū)﹀e綜復(fù)雜的土地類型進行區(qū)分，從而在產(chǎn)流的計算上實現(xiàn)不同屬性的土地空間有不同產(chǎn)流量的真實效果。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)，并且能實現(xiàn)集預(yù)報計算和淹沒分析于一體的多功能一體化計算進程。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。模型計算可用GPU并行加速，計算時間短，一般流域十二小時預(yù)報計算可在1~2分鐘內(nèi)完成，完全滿足預(yù)報計算的時效要求。

計算準確率高，項目準確率高達85%

計算效率高，同等算力條件下耗時節(jié)省40%

算法強大，可解決洪水頂托、水工建筑調(diào)度等問題

計算結(jié)果時空分辨率高，實現(xiàn)全流域水情動態(tài)演進

擴展性強，可實現(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），準確性也是歷經(jīng)多場次洪水的對比驗證，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)時采用標準化數(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)。

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審核編輯 黃宇