吳時(shí)強(qiáng) 黎東洲 范子武 劉國(guó)慶 烏景秀 楊 帆 黃 玄

（1.南京水利科學(xué)研究院，南京 210029；2.水利部太湖流域水治理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210029）

0 引 言

長(zhǎng)江三角洲（以下簡(jiǎn)稱長(zhǎng)三角）河湖眾多，水網(wǎng)密布，河網(wǎng)縱橫交錯(cuò)，城市下墊面變化快，水利工程眾多且調(diào)度復(fù)雜，是中國(guó)河網(wǎng)密度最高的地區(qū)，平均河網(wǎng)長(zhǎng)度達(dá)4.8～6.7 km/km2，平原上共有湖泊200 多個(gè)，水域面積超過2.45 萬km2，包括425 km 的長(zhǎng)江和819 km 的運(yùn)河，區(qū)域防洪、城市防洪排澇、圩區(qū)排澇等問題凸顯。流域防洪、區(qū)域防洪排澇主要模擬方法是水文—水動(dòng)力耦合模擬，常用模型主要有國(guó)外模型PCSWMM、InfoWorksICM、MIKE flood等[1-3]，以及國(guó)內(nèi)自主開發(fā)的DigitalWater、IFMS Urban 及IHUM 等[4-6]，針對(duì)太湖流域平原河網(wǎng)區(qū)洪澇模擬，楊帆等[7]開展了蘇南運(yùn)河沿線精細(xì)化水文—水動(dòng)力模型研究，王船海等[8-9]構(gòu)建了太湖流域水循環(huán)精細(xì)化模型，同時(shí)提出了城市降雨—產(chǎn)匯流—內(nèi)澇全過程高效模擬方法。然而，由于平原河網(wǎng)水動(dòng)力模擬模型有其內(nèi)在的復(fù)雜性，大型平原河網(wǎng)水文—水動(dòng)力耦合模擬通常難以滿足模型數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)更新和多尺度分級(jí)模擬要求，需要向異構(gòu)模型交互、多尺度分級(jí)、智能預(yù)報(bào)調(diào)度一體化模擬發(fā)展[10-11]。

針對(duì)平原河網(wǎng)水動(dòng)力學(xué)軟件模擬中存在的文件管理繁雜、圩區(qū)河道處理弊端多、管網(wǎng)模擬不健全及模型參數(shù)選擇不合理、模擬精度與時(shí)效性矛盾等問題，在充分掌握平原河網(wǎng)水系格局、河道分級(jí)特性、工程及調(diào)度、地理信息基礎(chǔ)上，借鑒數(shù)據(jù)庫管理、GIS分級(jí)顯示、離散化建模技術(shù)，構(gòu)建河道槽蓄量自動(dòng)提取、河道連通拓?fù)潢P(guān)系自動(dòng)矯正功能的模型網(wǎng)絡(luò)，形成適用不同區(qū)域及應(yīng)用業(yè)務(wù)的長(zhǎng)三角地區(qū)平原河網(wǎng)流域—區(qū)域—城鎮(zhèn)多尺度、水文—水動(dòng)力多屬性異構(gòu)模型庫，解決開放式模型界面定義、數(shù)據(jù)交換協(xié)議、組件接口標(biāo)準(zhǔn)化等問題，支持不同功能應(yīng)用目的和適應(yīng)任意復(fù)雜下墊面地形的平原河網(wǎng)模型自適應(yīng)生成，集成開發(fā)平原河網(wǎng)水動(dòng)力智能模擬系統(tǒng)，最終實(shí)現(xiàn)流域—區(qū)域—城鎮(zhèn)多尺度分級(jí)水動(dòng)力全過程快速、精準(zhǔn)、自適應(yīng)模擬，為長(zhǎng)三角地區(qū)水安全保障的水循環(huán)模擬系統(tǒng)集成與應(yīng)用提供技術(shù)支撐。

基于上述關(guān)鍵技術(shù)構(gòu)建了長(zhǎng)三角太湖地區(qū)多尺度分級(jí)智能模型，自主研發(fā)了平原河網(wǎng)水動(dòng)力多尺度分級(jí)智能模擬系統(tǒng)軟件，實(shí)現(xiàn)流域—區(qū)域—城鎮(zhèn)不同時(shí)空尺度河網(wǎng)水動(dòng)力雙向嵌套模擬，為長(zhǎng)三角太湖流域不同水利分區(qū)、城市、圩區(qū)提供預(yù)報(bào)、預(yù)警、調(diào)度的模型服務(wù)，也可為更小尺度區(qū)域提供定制服務(wù)，提高不同空間尺度模擬范圍選擇的靈活性，推動(dòng)行業(yè)模型服務(wù)模式的轉(zhuǎn)變。

1 河網(wǎng)多尺度分級(jí)特點(diǎn)

目前已有許多研究利用水文—水動(dòng)力耦合模型計(jì)算和評(píng)估平原河網(wǎng)區(qū)的洪水過程、非點(diǎn)源污染等。構(gòu)建平原河網(wǎng)區(qū)模型時(shí)，由于河網(wǎng)范圍較廣，水系十分復(fù)雜，河道數(shù)量眾多，河道規(guī)模、過水流量等相差較大，若將大小不一的所有河道作為單一河道參與計(jì)算，工作量會(huì)很大，計(jì)算機(jī)硬件及運(yùn)算時(shí)間無法滿足要求。為節(jié)省工作量，一般的處理方法是將規(guī)模較小的河道進(jìn)行概化處理，構(gòu)建平原河網(wǎng)區(qū)的概化模型，但平原河網(wǎng)區(qū)存在大面積平坦地形、密集交織的河網(wǎng)、大量的湖泊與水庫、成片的圩區(qū)、眾多的人工河道及水工設(shè)施等使得水力學(xué)概化模型方法在該區(qū)域應(yīng)用受到很大限制。

多尺度分級(jí)模型是按照流域—區(qū)域—城市—圩區(qū)等尺度構(gòu)建模型，模型構(gòu)建時(shí)將平原河網(wǎng)區(qū)河道分為流域性河道、區(qū)域性河道、跨縣河道、縣城河道、鄉(xiāng)鎮(zhèn)河道、街道社區(qū)河道6個(gè)等級(jí)，模型特性主要有以下3點(diǎn)。

（1）多尺度模型互相嵌套，形成邊界封閉計(jì)算模型。平原河網(wǎng)區(qū)域內(nèi)河流的流向、流態(tài)特征呈現(xiàn)一定的隨機(jī)性，邊界不清晰。多尺度模型互相嵌套，大尺度模型可為小尺度模型提供計(jì)算邊界，從而保證模型計(jì)算的精確度。

（2）可精細(xì)化模擬圩區(qū)尺度。圩區(qū)所在地區(qū)河網(wǎng)眾多，水文過程復(fù)雜，且圩區(qū)排灌站的排水和引水措施需受人工控制，這些都增加了河網(wǎng)模擬研究的難度。通過構(gòu)建圩區(qū)尺度的水文—水動(dòng)力模型，模擬圩區(qū)內(nèi)河道及閘泵調(diào)度工程，解決概化模型不能準(zhǔn)確模擬圩區(qū)產(chǎn)匯流過程和水體與外圍交換的問題。

（3）根據(jù)不同需求組合不同尺度模型，保證計(jì)算精度和效率。采用模型進(jìn)行洪澇分析、水動(dòng)力調(diào)控、水環(huán)境污染物轉(zhuǎn)移與擴(kuò)散等研究時(shí)，構(gòu)建精細(xì)化的全河網(wǎng)區(qū)模型（構(gòu)建到第6 級(jí)社區(qū)河道和閘站），可以提高模型的精度，與河網(wǎng)區(qū)實(shí)際情況相符。但是由于所有河道和閘泵均參與計(jì)算，導(dǎo)致模型計(jì)算速度下降，如何既能保證計(jì)算精度又能保證計(jì)算效率，就需要構(gòu)建不同尺度的分級(jí)模型，根據(jù)研究區(qū)域尺度和功能需求組合嵌套模型，保證模型的精度和效率。

2 多尺度分級(jí)智能模型思路

根據(jù)上述河網(wǎng)模型特點(diǎn)，在構(gòu)建多尺度分級(jí)模型的過程中，首先需要統(tǒng)一模型構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)，以便模型進(jìn)行不同尺度拆分與嵌套，基于模型構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)及河網(wǎng)模型特點(diǎn)，快速構(gòu)建包含區(qū)域、河道等級(jí)、時(shí)間等不同尺度特點(diǎn)的多尺度模型，并根據(jù)不同尺度模型的邊界封閉性，選取封閉區(qū)域構(gòu)建形成基于流域—區(qū)域—城市等大—中—小尺度的模型并進(jìn)行數(shù)據(jù)交互耦合，大尺度模型為小尺度模型提供邊界，小尺度模型為大尺度模型提供水量過程，根據(jù)不同尺度模型結(jié)果進(jìn)行耦合嵌套，從而形成多尺度雙向耦合嵌套模型，具體構(gòu)建過程如下。

2.1 多尺度分級(jí)模型庫構(gòu)建及標(biāo)準(zhǔn)

在河網(wǎng)水文—水動(dòng)力模型的構(gòu)建中，涉及的對(duì)象、類型繁多，首先需要構(gòu)建統(tǒng)一的模型標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)模型輸入輸出及對(duì)象特點(diǎn)，將模型分為網(wǎng)絡(luò)庫、事件庫、邏輯庫，其中網(wǎng)絡(luò)庫主要為模型網(wǎng)絡(luò)，事件庫主要為模型的水位、流量等邊界條件，邏輯庫主要為閘泵等水利工程的調(diào)度邏輯等。針對(duì)各個(gè)對(duì)象制定統(tǒng)一的建模標(biāo)準(zhǔn)，有利于后續(xù)不同尺度模型的分裝拆裝及關(guān)聯(lián)，從而進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化的嵌套耦合。

（1）模型網(wǎng)絡(luò)庫。根據(jù)河網(wǎng)特點(diǎn)，可以將河網(wǎng)描述為拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)由節(jié)點(diǎn)及連接節(jié)點(diǎn)的邊構(gòu)成，其中節(jié)點(diǎn)為河道交叉點(diǎn)、窨井、調(diào)蓄池等物理對(duì)象，邊主要描述節(jié)點(diǎn)之間的連接關(guān)系，如河道分叉點(diǎn)之間的河段，上下游之間的水閘、堰、泵站等對(duì)象，利用圖模型能夠描述河網(wǎng)、水利工程對(duì)象的上下游連接關(guān)系。根據(jù)各對(duì)象相應(yīng)數(shù)據(jù)格式、河道分級(jí)定義（拓?fù)潢P(guān)系）、時(shí)間標(biāo)簽版本控制等標(biāo)準(zhǔn)化建模的要求，可快速篩選出不同尺度模型所需的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)，搭建組裝相應(yīng)尺度模型。

（2）模型事件庫。事件庫主要包括河網(wǎng)水文—水動(dòng)力模型計(jì)算所需的降雨、水位、流量等邊界條件。在具有明顯上下游關(guān)系的河道中（如山區(qū)樹狀河流），下游一般采用水位邊界，上游采用流量邊界。對(duì)于平原河網(wǎng)地區(qū)，河道連通復(fù)雜性高，水流緩慢，一般采用水位邊界。降雨邊界根據(jù)計(jì)算需要選擇，當(dāng)水文—水動(dòng)力耦合模擬時(shí)需要添加降雨邊界。模型的邊界條件選取位置至關(guān)重要，流量邊界位置根據(jù)實(shí)際需要選取在計(jì)算域進(jìn)口處，水位邊界位置選取需要減少邊界對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，降雨邊界位置一般根據(jù)降雨站的位置進(jìn)行選取。

（3）模型邏輯庫。邏輯庫主要包括閘泵等水利工程的調(diào)度邏輯及控制邏輯。在調(diào)度邏輯方面，主要包括：①依據(jù)測(cè)站斷面水位、流量進(jìn)行邏輯規(guī)則控制，如城市大包圍樞紐站等。②依據(jù)閘泵上下游水位差控制，如圩區(qū)自排閘門、沿江趁潮位排水閘門等。③復(fù)雜規(guī)則控制，如部分綜合性控制功能需要視多個(gè)條件啟用。在閘泵控制邏輯方面，主要包括固定開度或固定流量控制，條件開度（水位—開度階梯曲線）或條件流量（水位—流量階梯曲線）控制，固定時(shí)段啟閉控制等。

2.2 河網(wǎng)模型多尺度快速構(gòu)建

河網(wǎng)多尺度模型構(gòu)建劃分為河網(wǎng)數(shù)學(xué)模型構(gòu)建和多尺度分級(jí)。

河網(wǎng)數(shù)學(xué)模型構(gòu)建流程包括：①河網(wǎng)拓?fù)潢P(guān)系構(gòu)建。依據(jù)水系底圖畫出河道中心線構(gòu)建河網(wǎng)拓?fù)潢P(guān)系。②河道斷面處理。模型采用實(shí)測(cè)斷面對(duì)國(guó)家水利普查名錄河流和拓展河流創(chuàng)建。對(duì)于更細(xì)一級(jí)河流由于缺少實(shí)測(cè)斷面，需要對(duì)其概化處理。概化斷面規(guī)則為：對(duì)于河道兩側(cè)有實(shí)測(cè)斷面、中間需要添加斷面情形時(shí)，采用就近兩個(gè)斷面線性差值方法；河道兩端無實(shí)測(cè)斷面情形時(shí)，概化成梯形斷面，斷面頂寬根據(jù)影像圖確定，斷面邊坡根據(jù)相近河道斷面確定，斷面頂高程根據(jù)地形高程和相近河道堤防綜合考慮，斷面底高程參考相近河道底高程。③水利工程及運(yùn)行調(diào)度規(guī)則添加。水利工程調(diào)度大致劃分為兩類：第一類屬于鄉(xiāng)鎮(zhèn)級(jí)管理，其調(diào)度原則相對(duì)簡(jiǎn)單，達(dá)到設(shè)定水位就開啟運(yùn)行。此類調(diào)度只需要確定水利工程的運(yùn)行水位和停止水位；第二類屬于流域、省市級(jí)管理，調(diào)度規(guī)則十分復(fù)雜。首先，需要確定什么時(shí)間運(yùn)行，可根據(jù)設(shè)定水位、內(nèi)外水位差、其他工程運(yùn)行狀態(tài)等判定。其次，需要確定怎么運(yùn)行，如固定特定開度或者不同水位對(duì)應(yīng)不同的開度等。

模型的多尺度分級(jí)：模型的尺度分級(jí)分為時(shí)間尺度分級(jí)和空間尺度分級(jí)（圖1）。時(shí)間尺度分級(jí)根據(jù)模型時(shí)間標(biāo)簽，模型每次更新后記錄模型更新時(shí)間，依據(jù)時(shí)間標(biāo)簽進(jìn)行模型時(shí)間尺度劃分?？臻g尺度劃分成流域、區(qū)域、城市和圩區(qū)尺度模型。以江蘇省太湖地區(qū)為例，流域尺度模型為整個(gè)模型的框架和基礎(chǔ)，該模型范圍內(nèi)的河道為1 級(jí)、2 級(jí)主干河道；區(qū)域尺度模型可劃分為湖西區(qū)模型、武澄錫虞區(qū)模型、陽澄淀泖區(qū)模型、太湖區(qū)模型等，以流域內(nèi)水利片為對(duì)象，重點(diǎn)關(guān)注區(qū)域內(nèi)部河道，主要包含3 級(jí)、4 級(jí)次主干河道；城市尺度模型以城市為對(duì)象，重點(diǎn)關(guān)注城市內(nèi)部河道，河道等級(jí)精細(xì)化至5級(jí)；圩區(qū)尺度模型為精細(xì)化級(jí)別最高模型，模型河道構(gòu)建至6級(jí)及以上級(jí)別河道。不同級(jí)別模型單獨(dú)組塊，以流域級(jí)河道為基礎(chǔ)，各級(jí)模型相互嵌套，模型銜接節(jié)點(diǎn)處構(gòu)建數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)表，根據(jù)模型選擇進(jìn)行交換。根據(jù)應(yīng)用實(shí)際選取需要等級(jí)及區(qū)域模型進(jìn)行模擬分析計(jì)算。

圖1 多尺度分級(jí)耦合模型結(jié)構(gòu)圖

2.3 河網(wǎng)模型雙向嵌套耦合模擬技術(shù)

借鑒GIS 圖層分級(jí)顯示思想，依據(jù)河網(wǎng)自然屬性和社會(huì)屬性分級(jí)，研究模型網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建分級(jí)管理、離散化建模，時(shí)間標(biāo)簽的模型網(wǎng)絡(luò)庫構(gòu)建，模型網(wǎng)絡(luò)分級(jí)管理自動(dòng)粗化與細(xì)化，粗化過程中下級(jí)河道槽蓄量自動(dòng)提取，粗化與細(xì)化過程中河道連通拓?fù)潢P(guān)系矯正等模型構(gòu)建技術(shù)，改進(jìn)平原河網(wǎng)區(qū)水動(dòng)力計(jì)算引擎，實(shí)現(xiàn)流域—區(qū)域—城鎮(zhèn)不同時(shí)空尺度河網(wǎng)水動(dòng)力雙向嵌套模擬。

根據(jù)平原圩區(qū)和自排區(qū)的特點(diǎn)及分區(qū)降雨與分區(qū)水位間的相關(guān)關(guān)系，結(jié)合下墊面特點(diǎn)，采用流域大模型計(jì)算出研究范圍內(nèi)的外邊界，研究外部邊界數(shù)據(jù)與研究區(qū)域離散化水力學(xué)模型的嵌套，實(shí)現(xiàn)精細(xì)化模型計(jì)算過程中邊界條件的自動(dòng)獲取，建立研究區(qū)域內(nèi)水動(dòng)力精細(xì)化模型。依據(jù)河網(wǎng)自然屬性和社會(huì)屬性分級(jí)，開展了模型網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建分級(jí)管理、離散化建模，時(shí)間標(biāo)簽的模型網(wǎng)絡(luò)庫構(gòu)建，模型網(wǎng)絡(luò)分級(jí)管理自動(dòng)粗化與細(xì)化研究，改進(jìn)平原河網(wǎng)區(qū)水動(dòng)力計(jì)算引擎。在長(zhǎng)三角平原河網(wǎng)區(qū)域構(gòu)建了里下河腹部防洪保護(hù)區(qū)、揚(yáng)州市城區(qū)、江蘇省太湖地區(qū)模型，模型構(gòu)建中制定了模型構(gòu)建數(shù)據(jù)輸入格式與相關(guān)建模標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)了模型網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建分級(jí)管理、離散化建模，時(shí)間標(biāo)簽的模型網(wǎng)絡(luò)庫構(gòu)建，在率定與驗(yàn)證的基礎(chǔ)上可以解決區(qū)域河網(wǎng)水動(dòng)力模擬，分區(qū)精細(xì)化離散模型作為流域、區(qū)域模型的內(nèi)部嵌套模型，實(shí)現(xiàn)模型之間的數(shù)據(jù)交互。

（1）大尺度提供小尺度計(jì)算邊界，滿足小尺度模型模擬要求。利用模型嵌套耦合技術(shù)，小尺度模型外部節(jié)點(diǎn)與大尺度模型內(nèi)部節(jié)點(diǎn)自動(dòng)匹配，按照統(tǒng)一的數(shù)據(jù)交互協(xié)議，如城區(qū)尺度大模型為圩區(qū)尺度小模型自動(dòng)提供外邊界，滿足圩區(qū)模擬和預(yù)報(bào)的封閉性要求。

（2）小尺度模型為大尺度模型外部節(jié)點(diǎn)提供產(chǎn)匯流過程。根據(jù)圩區(qū)集水區(qū)范圍、下墊面特點(diǎn)、槽蓄量、工程運(yùn)行參數(shù)，建立降雨—徑流—河道入流的關(guān)系，避免模型粗化過程模擬精度降低。

3 太湖地區(qū)多尺度雙向嵌套模型構(gòu)建

3.1 模型構(gòu)建

江蘇省太湖地區(qū)總面積1.96 萬km2，根據(jù)水系分區(qū)特點(diǎn)，可以分為太湖湖西、武澄錫虞、陽澄淀泖、浦南等區(qū)域性水系；行政區(qū)劃方面，主要包括鎮(zhèn)江、常州、無錫、蘇州等市。模型構(gòu)建時(shí)，根據(jù)太湖地區(qū)流域—水利分區(qū)—城市大包圍—圩區(qū)的水系分片分級(jí)特點(diǎn)，對(duì)模型河網(wǎng)進(jìn)行河道分級(jí)，并統(tǒng)計(jì)各河道槽蓄量，在進(jìn)行不同等級(jí)河道概化時(shí)，較小等級(jí)河道概化成調(diào)蓄節(jié)點(diǎn)加入?yún)R入的上一等級(jí)河道中，并將閘泵等其他對(duì)象進(jìn)行區(qū)域分區(qū)信息標(biāo)簽化，構(gòu)建模型網(wǎng)絡(luò)。流域模型構(gòu)建至4 級(jí)以上河道，水利分區(qū)區(qū)域模型采用更加精細(xì)化的分區(qū)離散模型，并關(guān)聯(lián)區(qū)域模型及流域模型中的數(shù)據(jù)交互節(jié)點(diǎn)，利用模型庫對(duì)各個(gè)流域區(qū)域模型進(jìn)行管理及嵌套，形成耦合嵌套模型。其中江蘇省太湖地區(qū)多尺度分級(jí)模型特性參數(shù)見表1，構(gòu)建的河道分級(jí)模型及水利分區(qū)多尺度模型示意圖見圖2 和圖3。

表1 江蘇省太湖地區(qū)多尺度分級(jí)模型特性參數(shù)統(tǒng)計(jì)

圖2 河道分級(jí)模型示意圖

圖3 水利分區(qū)多尺度模型示意圖

3.2 區(qū)域—城區(qū)模型嵌套耦合

在構(gòu)建完成流域尺度分級(jí)標(biāo)簽?zāi)Ｐ秃螅軌蛲ㄟ^河道分級(jí)標(biāo)簽、多尺度分級(jí)標(biāo)簽（水利分區(qū)、城市、大包圍、圩區(qū)等）等信息，快速抽取出不同河道等級(jí)的區(qū)域或城市模型，以武澄錫虞區(qū)及無錫大包圍為例，首先根據(jù)武澄錫虞區(qū)水利分區(qū)封閉條件，將河網(wǎng)模型通過分析標(biāo)簽抽取出來并設(shè)置外部邊界點(diǎn)；然后通過城區(qū)范圍構(gòu)建無錫城區(qū)模型，根據(jù)無錫大包圍及內(nèi)部圩區(qū)標(biāo)簽構(gòu)建相應(yīng)的尺度模型，并關(guān)聯(lián)上一級(jí)模型中的外邊邊界關(guān)聯(lián)節(jié)點(diǎn)，各區(qū)域尺度模型構(gòu)建過程如下。

在內(nèi)部區(qū)域模型計(jì)算過程中，需要關(guān)聯(lián)大模型邊界調(diào)節(jié)，邊界關(guān)聯(lián)主要設(shè)置模型邊界對(duì)象編碼、邊界類型及上一級(jí)尺度模型對(duì)象編碼。由于采用統(tǒng)一編碼，邊界對(duì)象編碼與上一級(jí)內(nèi)部節(jié)點(diǎn)對(duì)象編碼保持一致，省去了各尺度模型對(duì)象關(guān)聯(lián)的工作量，因此能夠直接通過設(shè)置邊界對(duì)象及邊界類型獲取大模型相應(yīng)要素，包括水位或者流量邊界。以無錫市城區(qū)大包圍模型為例，通過設(shè)置邊界站點(diǎn)類型，獲取了大包圍樞紐工程外部控制節(jié)點(diǎn)的水位過程作為邊界條件，從而解決了模型外邊界的封閉性問題。區(qū)域—城區(qū)模型嵌套耦合過程示意圖見圖4。

圖4 區(qū)域—城區(qū)模型嵌套耦合過程示意圖

3.3 城區(qū)—圩區(qū)模型嵌套耦合

在小尺度模型與大尺度模型的嵌套過程中，需要把小尺度模型內(nèi)部出流過程作為大尺度模型的旁側(cè)入流邊界，因此可以將小尺度模型概化成連接到大尺度模型連接點(diǎn)的調(diào)蓄節(jié)點(diǎn)，概化為包括集水單元、河道蓄量曲線、帶有規(guī)則邏輯的閘泵連接出口節(jié)點(diǎn)的簡(jiǎn)單模型。將概化模型連接至上一級(jí)區(qū)域模型河道的匯流節(jié)點(diǎn)，作為河道旁側(cè)入流參數(shù)進(jìn)行模型計(jì)算。因此，耦合計(jì)算過程中，通過建立耦合模型中圩區(qū)模型出口邊界節(jié)點(diǎn)與城區(qū)模型河段節(jié)點(diǎn)的關(guān)聯(lián)關(guān)系，即可將圩區(qū)模型模擬計(jì)算得出的出口流量作為城區(qū)模型中概化圩區(qū)的產(chǎn)流過程，從而完成耦合嵌套計(jì)算。城區(qū)—圩區(qū)模型嵌套耦合過程示意圖見圖5。

圖5 城區(qū)—圩區(qū)模型嵌套耦合過程示意圖

3.4 場(chǎng)次洪水率定驗(yàn)證

建立太湖地區(qū)多尺度分級(jí)模型后，選擇2020 年6 月12 日至7 月20 日洪水過程進(jìn)行模型參數(shù)率定（圖6），選擇2021 年7 月20 日至8 月3 日洪水過程進(jìn)行模型參數(shù)驗(yàn)證（表2）。模型根據(jù)2020年和2021年實(shí)際工程建設(shè)和調(diào)度情況分別進(jìn)行歷時(shí)復(fù)原，骨干河道按照歷時(shí)實(shí)際情況進(jìn)行構(gòu)建，沿江、環(huán)湖、區(qū)域重要控制工程的外排或擋洪情況均采用實(shí)測(cè)流量過程、閘門開度過程，以減少工程調(diào)度對(duì)河網(wǎng)水位及流量的影響。

表2 模型率定驗(yàn)證結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

圖6 太湖地區(qū)代表性站點(diǎn)率定驗(yàn)證結(jié)果對(duì)比圖

江蘇省太湖地區(qū)整體模型參數(shù)在區(qū)域離散模型初步得到的水文模型參數(shù)基礎(chǔ)上進(jìn)行微調(diào)，由代表站實(shí)測(cè)水位值和模擬水位值可知，模型具有較高的精度，誤差在10 cm以內(nèi)，模型間的嵌套耦合能夠提升模型的計(jì)算精度，提高模型計(jì)算效率。

4 結(jié) 語

本文針對(duì)平原河網(wǎng)水系特點(diǎn)，提出了多尺度分級(jí)河網(wǎng)模型的構(gòu)建思路，并構(gòu)建了江蘇省太湖地區(qū)流域—區(qū)域—城市河網(wǎng)水動(dòng)力多尺度分級(jí)智能模型，實(shí)現(xiàn)了流域、區(qū)域、城市、圩區(qū)等不同空間尺度河網(wǎng)水動(dòng)力雙向嵌套模擬，提高了不同空間尺度模擬范圍選擇的靈活性、動(dòng)態(tài)計(jì)算與預(yù)報(bào)預(yù)警時(shí)效性，解決了復(fù)雜條件下平原河網(wǎng)水動(dòng)力模擬速度、精準(zhǔn)度、自適應(yīng)問題，模型能夠很好地應(yīng)用于江蘇省太湖地區(qū)不同水利分區(qū)、城區(qū)、圩區(qū)日常防汛調(diào)度，調(diào)水引流及水環(huán)境提升等方面，為區(qū)域水工程預(yù)報(bào)調(diào)度提供模型服務(wù)與技術(shù)支撐。