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        基于分布式水文模型的強(qiáng)降雨下流域匯流研究

        2020-10-28 13:17:38李一如
        江蘇水利 2020年10期
        關(guān)鍵詞:模型

        楊 崧,李一如,鄭 聰

        (常州市城市防洪工程管理處,江蘇 常州 213000)

        地勢高差較大且植被覆蓋率較低的地方容易在持續(xù)強(qiáng)降雨的影響下發(fā)生滑坡、泥石流和山洪等災(zāi)害[1],如若進(jìn)一步引發(fā)水庫潰壩,對人民生命財(cái)產(chǎn)造成的損失更不堪設(shè)想,因此,能精確模擬計(jì)算出流域匯流的發(fā)展情況是提高預(yù)報(bào)暴雨洪澇災(zāi)害準(zhǔn)確度的重要技術(shù)要求。

        目前,應(yīng)用較廣泛的流域匯流模型是集總式水文模型和分布式水文模型[2]。集總式水文模型是將整個(gè)流域范圍作為研究對象,不考慮小范圍內(nèi)水文要素的具體分布,因此該模型的模擬結(jié)果能較準(zhǔn)確的反應(yīng)流域出口斷面的匯流流量,但無法計(jì)算流域內(nèi)的匯流過程。分布式水文模型是將流域離散為若干子區(qū)域,根據(jù)水流在各子區(qū)域內(nèi)的產(chǎn)流、匯流等情況,最終整合得到整個(gè)流域范圍內(nèi)的產(chǎn)流、匯流結(jié)果,研究人員應(yīng)用分布式水文模型能清晰地觀察、研究、整理各時(shí)段的流域匯流情況。本文基于分布式水文模型,在圖形處理器(GPU)并行計(jì)算的支持下開展了針對江蘇省某流域的匯流模擬。

        1 GPU模擬流域匯流的基本路徑

        計(jì)算機(jī)GPU擁有眾多具有緩存和邏輯運(yùn)算功能的計(jì)算內(nèi)核,能為并行計(jì)算提供必要的硬件支撐[3]。計(jì)算流域匯流模型時(shí),在時(shí)程上將模型離散為若干個(gè)時(shí)間段,從初始時(shí)間段開始計(jì)算模型的匯流場,并將該匯流場作為下一時(shí)間段的初始匯流場,以此類推,經(jīng)過一定次數(shù)的迭代計(jì)算后不僅能得到流域的最終匯流結(jié)果,還可以觀察到流域在各時(shí)間段內(nèi)的匯流情況。GPU具體模擬路徑如下:

        (1)劃分單元:以合適的單元類型將流域匯流平面模型劃分為眾多大小、形狀一致的柵格單元。見圖1。

        圖1 劃分流域匯流模型單元

        (2)定義單元屬性:通過調(diào)整各單元的關(guān)鍵影響參數(shù)的數(shù)值來定義單元的屬性,其表達(dá)式為

        cell={H;s;b;Wf;νf;Wt;νt}

        (1)

        式中,H為單元高程;s為單元類型;b為單元的邊界條件;Wf、νf分別為各時(shí)間段上的單元初始水深和水流流速;Wt、νt分別為各時(shí)間段上的單元最終水深和水流流速,Wt、νt是在Wf、νf的基礎(chǔ)上經(jīng)過一個(gè)時(shí)間段的計(jì)算后得到的,經(jīng)過數(shù)次迭代計(jì)算就可以模擬出流域的整個(gè)匯流過程。

        2 流域的水文地質(zhì)概況

        本文選取淮沭河流域?yàn)檠芯繉ο?,該地區(qū)的地勢高差較大,地形自北向南呈跌落狀,在東南季風(fēng)的影響下形成了降水夏多冬少的典型干旱河谷氣候,該流域的降水主要集中在7~8月,這2個(gè)月內(nèi)的降水量能達(dá)到400~600 mm,占年平均降水量的50%左右,持續(xù)的強(qiáng)降雨天氣極易引發(fā)局部的洪澇、滑坡、泥石流等災(zāi)害。流域干流河道總長39 km,匯流面積達(dá)到500 km2以上,選用流域上、下游兩個(gè)水文站作為模型的斷面出口,如圖2所示。

        3 流域匯流模型優(yōu)化

        本文將流域匯流模型的計(jì)算結(jié)果與該地區(qū)在2018年6月600 h強(qiáng)降雨下的匯流結(jié)果對比后發(fā)現(xiàn),模型處理的結(jié)果與實(shí)際水文觀測記錄存在很大偏差,在局部匯流路徑上形成了紊流和水流反向遷移現(xiàn)象,而且水位出現(xiàn)了只升不降的異常情況,主要原因是:①模型采用的N-S方程中的平流項(xiàng)和外力項(xiàng)隨迭代的推進(jìn)出現(xiàn)了失真,使流域匯流場逐漸進(jìn)入到不穩(wěn)定狀態(tài),流域匯流場的水深和水流流速與客觀規(guī)律相差的越來越遠(yuǎn),最終使模擬結(jié)果出現(xiàn)較大誤差;②河床地形出現(xiàn)了誤差,主要是高程的誤差,使得水流不連續(xù),引發(fā)水流淤積現(xiàn)象。因此,需要在模型中增加水流混合模擬,還要對河床地形進(jìn)行修正[4]。

        (1)水流混合模擬的實(shí)現(xiàn)路徑是:在各迭代步的平流項(xiàng)和外力項(xiàng)的計(jì)算結(jié)束后,計(jì)算每個(gè)單元及周圍單元的匯流總流量和總動量,將單元的總動量與匯流總流量相除,得到優(yōu)化后的水流流速,其結(jié)果如表1所示。

        表1 水流混合模擬后的水流流速變化

        由表1可以看出,水流混合模擬下的水流流速得到了優(yōu)化,具體表現(xiàn)為流速隨迭代步的推進(jìn)能穩(wěn)定在初始流速附近,這為提高流域匯流的計(jì)算精度提供了必要的條件。

        (2)河床地形修正的重點(diǎn)在于高程,具體的步驟是:首先提取河床中心線、選擇高程采集點(diǎn);為保證匯流水流由高處向低處匯集,將各采集點(diǎn)對應(yīng)的高程進(jìn)行排序,保證采集點(diǎn)高程的排列順序?yàn)閺母叩降?、從上游到下游;采用空間插值法對排序后的高程進(jìn)行修正,最終得到圖2所示的結(jié)果。從圖2可以看出,經(jīng)過修正后的河床高程從上游到下游的過度平緩,水流能較平穩(wěn)的流動、匯集。

        圖2 河床地形修正前后的高程對比

        4 強(qiáng)降雨下的流域匯流模擬

        4.1 流域前期穩(wěn)定流場

        實(shí)際情況中,由于上游河道補(bǔ)水、前期地下水的影響,河道內(nèi)會存在水量和流動量都較穩(wěn)定的河水,這樣的前期水情被稱為流域前期穩(wěn)定流場[5],是否考慮前期穩(wěn)定流場是影響流域匯流模擬精度的重要指標(biāo),本模型的前期穩(wěn)定流場采用上游來水法得到,具體步驟為

        (1)假設(shè)流域的上游來水是不間斷且流量恒定的,經(jīng)過一定次數(shù)的迭代后輸出具有穩(wěn)定水深和水流流速的穩(wěn)定流場。

        (2)在此基礎(chǔ)上,以強(qiáng)降雨發(fā)生前24h的上游流量作為初始流場,再次進(jìn)行迭代,直至模型產(chǎn)生穩(wěn)定流場,該穩(wěn)定流場即為流域前期穩(wěn)定流場。

        4.2 流域匯流模擬

        為對比河道地形修正及流域前期穩(wěn)定流場對模擬結(jié)果的影響,設(shè)置了不同的工況,計(jì)算強(qiáng)降雨600 h作用下的匯流水位的演變,圖3為不同工況下的流域匯流結(jié)果。

        圖3 不同工況下的流域匯流結(jié)果

        從圖3可觀察到,考慮了河床地形修正和前期水情(流域前期穩(wěn)定流場)的工況模擬的結(jié)果與實(shí)際水位較接近。實(shí)際水位的最大上升滯后時(shí)間、最大水位峰值滯后時(shí)間分別在13 h、14 h左右,考慮地形修正及前期水情工況的結(jié)果分別在13 h、16 h左右,僅考慮地形修正工況的結(jié)果則約為14 h、19 h,其余工況與實(shí)際水位的差距更大。與實(shí)際水位的平均值相比,考慮地形修正及前期水情工況的平均水位誤差約為0.4 m,考慮地形修正工況的平均水位誤差在0.45 m左右,而原始地形工況下的平均水位誤差達(dá)到了2.3 m,考慮原始地形及前期水情工況的結(jié)果達(dá)到2.4 m??紤]原始地形的工況與考慮原始地形和前期水情工況的結(jié)果高度吻合。

        由以上數(shù)據(jù)可知,考慮了地形修正和前期水情工況的模擬結(jié)果與實(shí)際水位最接近,僅考慮地形修正工況的結(jié)果與之較接近,其余工況的結(jié)果與之相差較大。

        5 結(jié) 論

        本文基于分布式水文模型開展了強(qiáng)降雨作用下的流域匯流模擬,得到以下結(jié)論:

        (1)模型采用的水流混合模擬、河床地形修正及前期穩(wěn)定流場設(shè)定對計(jì)算結(jié)果均產(chǎn)生了有利作用,計(jì)算結(jié)果的精度得到了一定程度的提高。

        (2)河床地形對匯流結(jié)果的影響顯著,未考慮河床地形修正的流域匯流結(jié)果與實(shí)際測量結(jié)果相差較大,而考慮了河床地形修正的流域匯流結(jié)果與實(shí)測結(jié)果更加接近,更具有參考價(jià)值。

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