杨芳：珠江流域水旱灾害防御“四预”系统模型研发及应用
“四预”系统中水利专业模型定位和作用
珠江流域水旱灾害特点
珠江由西江、北江、东江及珠江三角洲诸河组成，珠江三角洲呈“三江汇流、八口出海、河网密布、径潮交汇”的特征，是全球最复杂河口之一。珠江流域地处热带、亚热带气候区，4—6月锋面暴雨较多，常导致中下游及珠江三角洲出现峰高、量大、历时长、范围广的洪水；7—9月多发台风雨，降雨较为集中且强度大但持续时间短，洪水来势迅猛，峰高而量相对较小。在全国七大流域片区，珠江流域极端和特强降水过程出现概率最高，流域内多数区域极端最大日降水量在100～500mm之间。
旱情叠加咸情，威胁城镇供水安全，是珠江流域干旱的一大特点。珠江流域整体属于丰水地区，但水资源时空分布不均，干旱时有发生。位于下游及三角洲地区的大湾区城镇地区主要依赖河道型水源，工程调蓄供水能力不足，水文气象干旱极易发展成社会经济干旱。珠江河口区也是咸潮活跃区域，咸潮上溯影响取水口水质，进一步加剧供水压力。如在2009—2010年、2021—2022年干旱中，均发生了较强的咸潮上溯，严重威胁三角洲地区供水。
当前，流域防洪工程体系及水资源配置工程体系尚未完善，亟需通过加强水旱灾害防御预报、预警、预演、预案“四预”能力，实现水工程精细化调度，最大程度发挥水工程的防灾减灾效益。然而，流域性洪水、台风暴潮增水、咸潮上溯等的形成演化过程极为复杂，水利专业模型在精细化程度、计算速度、处理各类边界不确定性等方面还存在一定不足，需要结合数字孪生平台，从算据、算法、算力等方面不断提升模型性能。
水利专业模型在“四预”系统中的定位
水利专业模型是支持“四预”决策的重要技术，包括基于物理机制的模型和数据挖掘模型两类。从数字孪生流域加强“算据”“算法”“算力”建设三大核心任务看，水利专业模型提供的是“算法”支撑；从“四预”系统的总体结构看，水利专业模型为“算据”（各类基础数据作为输入）和业务需求（业务相关水安全要素作为输出）建立了联系；从“四预”功能看，水利专业模型直接服务于预报和预演两个环节。而预警以预报结果为依据，预案则基于预演的结果进行编制。所以，“四预”效果很大程度上取决于水利专业模型的表现。
“四预”系统对水利专业模型的要求
智慧水利建设需要开展智慧化模拟，明确要求“在数字孪生流域的基础上，集成耦合多维多时空尺度高保真数学模型，构建数字孪生流域模拟仿真平台，支撑水安全全要素预报、预警、预演、预案的模拟分析”。《水利业务“四预”基本技术要求（试行）》则明确“尽量缩短作业时间，提高时效性”。可见服务“四预”功能模拟系统对模型的要求至少包括以下五个方面：一是“高保真”，二是“全要素”，三是“多时空尺度”，四是具有较好的时效性，五是模型通用性及开放性。
“高保真”要求模型计算精度高。随着水利专业模型的迅速发展，各类模型层出不穷。如何评估和选择同一领域内不同的模型，以业务需求为导向，提高模型计算精度，实现“高保真”目标，是“四预”系统在模型研发和选择上的一个重要方面。
“全要素”意味着跟业务需求高度相关的重要因素都应纳入“四预”系统的考量。例如，珠江流域干旱的重要不利影响在于大湾区城镇供水保障受到威胁，其中一个关键因素是咸潮上溯，影响取水口水质，所以服务于珠江流域干旱业务的“四预”系统应该将咸潮的模拟放在重要位置。
“多时空尺度”，以服务于水旱灾害防御的水库（群）调度为例，从较长的时间周期看，既要防汛抗洪，又要保供水，既需要长期的上游来水研判及下游用水需求预测，也需要汛期更准确的短期来水预报，以统筹考虑在较长时间尺度和较大空间尺度上，对防汛抗洪和抗咸保供水的双重乃至多重业务需求。
时效性是“四预”系统对模型的又一重要需求。对水旱灾害防御（尤其是洪涝灾害）而言，实时预报、及时预警十分重要。当系统满足前三个需求时，会相应增加模型复杂程度、延长模型计算时间，使得针对不同水安全要素模拟模型的时效性尤为重要。
通用性包括模型原理及算法的普适性、模型接口的可扩展性以及模型评价指标的权威性。具有通用性的模型便于参与行业内标准化测评，以评估模型的精度，助推优秀国产水利专业模型在数字孪生流域建设中的推广。服务“四预”功能的模拟系统需要不同模型之间的耦合，因此，模型具有开放性、模型之间易耦合也相应成为一个重要需求。
关键科学问题和技术难点
关键科学问题
流域下垫面受人类活动的影响剧烈。比如，快速城市化使得建设用地显著增加，土地利用类型变化对径流影响显著；干、支流水库建设提高了流域调蓄洪水的能力，改变了洪水的运动特征；堤防修建提升洪水抵御能力，也使得原洪泛区蓄滞洪功能丧失，洪水归槽现象显著；受采砂影响，河床不均匀下切，河道地形变化对洪水演进影响不可忽视。人类活动对洪水形成演变的影响十分复杂，从流域层面揭示各类人类活动对洪水形成演变的影响规律，提出满足模型精细化程度、模拟精度和时效性需求的流域洪涝预报方法，是珠江流域洪涝灾害防御相关的关键科学问题之一。
受气候变化影响，强台风频次增加，加之人工挖沙、航道疏浚、滩涂围垦等高强度人类活动，大湾区河网地形及河口岸线剧烈变化，风暴潮波在海洋—河口—河网的传播过程中发生变异，风暴潮增水及顶托效应加剧，导致潮水漫堤、排涝不畅。海洋及气象部门发布的风暴潮增水预报往往仅覆盖海岸线以外区域，对河口沿岸及河网地区覆盖不够。如何实现河口及河网区风暴潮增水的精细化预报，是珠江流域洪涝灾害防御的关键科学问题之一。
河口咸潮具有典型的三维密度分层流特性，盐淡水垂向、纵向及横向扩散的各项异性特征明显。咸潮上溯动力过程对盐度初始场较为敏感。取水口往往位于低盐度区（盐度＜0.5‰），而低盐度区的盐度模拟对边界条件、初始场及数值算法等均较为敏感。此外，河口水域航道、港池、拦门沙、挖沙深坑等陡坡突变地形广泛分布，对河口咸潮上溯动力过程影响显著。如何实现河口咸潮的精确模拟，从而对河道取水口的水质进行精准预报，是珠江流域干旱灾害防御相关的关键科学问题之一。
流域水库群作为一个复杂系统，存在水库间拓扑关系复杂、各水库特征参数不一、不同时段水库调度目标多变等特点，导致水库群调度难度显著加大。变化环境影响下，水文气象要素的非一致性愈发突出，极端气象、水文事件频发，给水库调度带来了新的挑战，这在洪水风险与干旱风险交织的汛前消落期和汛末蓄水期表现尤为明显。如何从多空间、全时段的调度需求出发，充分考虑不同阶段水旱灾害防御风险，实现水库群的联合优化调度，是珠江流域水旱灾害防御的另一个关键科学问题。
需突破的技术难点
洪水预报方面需突破的技术难点主要包括：洪水预报调度一体化技术及实时校正方法；适应复杂边界和流态的圣维南方程数值解算方法；水动力模型GPU（图形处理器）并行计算技术；基于云平台的水动力建模技术；高分辨率天气预报模型与水文水动力模型的耦合。
风暴潮模拟方面需要突破的技术难点主要包括：台风暴潮集合预报技术；风暴潮模拟中台风风场的精确刻画和模拟；模型中河口河网区的风暴潮增水过程精细化描述。
咸潮数值模拟方面需要突破的技术难点主要包括：考虑盐淡水垂向、纵向及横向的扩散各向异性特征，模拟盐淡水垂向混合—层化动态交替和盐淡水输运动力过程；取水口所在低盐度区的盐度过程模拟；三维盐度初始场刻画；陡坡突变地形从现实向模型空间的准确映射。
水库群调度方面需要突破的关键技术主要包括：梯级水库区间洪水预报技术；流域水库群调度目标的时空变异识别；考虑预报不确定性的水库群全周期多目标联合调度技术；大规模流域水库群多目标联合调度模型的高效求解算法；基于数字孪生流域的水库群调度方案智能评估与决策技术。
珠江流域水旱灾害防御“四预”系统相关水利专业模型
水利部珠江水利委员会立足流域水旱灾害防御的需求及水利信息化建设现状，建设了珠江流域水旱灾害防御“四预”平台。该平台已于2021年初步建成上线，并在2021—2022年珠江流域（片）特大干旱、珠江“22·6”特大洪水中发挥了重要的决策支撑作用。在水旱灾害防御“四预”系统中，涉及的水利专业模型及其可能的关键信息交互关系如下图所示。珠江流域水旱灾害防御“四御”平台已经集成和调用的水利专业模型主要包括水文模型、水动力模型（重点河段淹没模型）、咸潮模型、水库群调度模型四类。珠江水利科学研究院研发了通用性的一二维水动力模型HydroMPM，以及具有珠江流域特色的风暴潮模型、咸潮模型及水库群调度模型。这些模型在珠江流域水旱灾害防御工作中具有较好的应用前景，其中部分模型已经应用于珠江流域水旱灾害防御“四预”系统。
▲水旱灾害防御“四预”系统水利专业模型体系及关键信息交互关系
通用性的一二维水动力模型HydroMPM
HydroMPM能适应包括山区性河流洪水、溃坝洪水、多汊复杂河网洪水、河口风暴潮及城市暴雨洪涝等情景下的洪涝模拟。模型在有限体积法离散基础上，运用汊点水位预测—校正法，实现了完全数值解耦的复杂河网计算格式，相对传统方法提高了收敛性；且在国产洪水模拟软件中率先研发了基于GPU并行的单机高性能计算技术。通过低阶精度格式、有效单元自适应动态调整及GPU并行计算，显著提升洪水演进模型计算效率。基于浏览器/服务器（B/S）架构，基于云平台实现了一维、二维、一二维耦合水动力模型的构建、计算方案配置及成果可视化展示，形成了标准化、一体化的业务操作流程。依托于动态网页交互技术，系统在功能架构上综合实现了水动力建模业务的云建模、云计算、云展示与云存储。基于多点实时通信协议，云平台可实现河道、断面、汊点、网格、水工构筑物等多类型要素的多端协同建模。基于二、三维GIS（地理信息系统）地图组件及动态渲染技术，云平台研发了断面水位过程、水面线、漫堤段统计、洪水演进模拟、流场展示、粒子示踪等多类型成果展示模块，实现了水流动态模拟成果的可视化展示，通过地图—图表—报表多向联动支撑用户在线率定及成果展示。模型的云托管实现了计算过程中用户的低黏性与高性能的双重保障，同时克服了模型计算所需硬件依赖。云计算和GPU并行加速技术极大地提高了模型的时效性。
珠江河口风暴潮预报模型
珠江河口风暴潮模型基于二、三维水动力模型构建，模型覆盖珠江三角洲，包括珠江河口干流、河网、八大口门、湾区、外海；水域面积约4万km2。模型接入多个机构的台风路径预报结果，结合历史台风的大数据资料进行风险判断，得出最危险台风路径并对其进行集合化预报。针对各机构台风预报动态变化的被动性，模型主动设置滚动预报功能，预见期定为台风登陆前36h、24h、12h，实现风暴潮预报的动态调整。基于多场台风期间原型观测平台的实测风速、气压数据，得出粤港澳大湾区登陆台风中心外围风场指数型经验模式，显著提升台风经验风场反演准确度，台风风场模拟精度提高30%。
本模型采用跨尺度水动力模型，对珠江三角洲河网、口门区以及口外海域进行整体考虑，基于最新的水下地形资料，采用混合网格对河口、河网进行全贴合建模，在保持模型精度的同时降低模型网格数量，提高计算效率；模型实时接入珠江流域水文模型，获取上游西、北、东江的实测及预报流量，从输入边界方面提高河网模拟的准确度；调用多核并行计算，在调用24核处理器的条件下，模型计算5天时长的一场台风暴潮过程仅需15~20分钟。
三维斜压咸潮模型
珠江河口三维斜压咸潮模型控制方程组基于三维原始方程组，可模拟密度梯度力、径流、潮汐、风、沿岸流等动力因素对咸潮上溯的耦合作用。模型上边界为西江梧州、北江石角、东江博罗等控制断面，外海边界取至约200 m水深范围，覆盖了珠江三角洲河网、河口湾及近海的整个水域，保障了盐淡水输移的整体性和连续性。
针对低盐度区盐淡水输移扩散特性，提出高精度TVD数值格式和新的r因子函数；采用两点通量近似算法模拟盐分物质各向异性扩散过程，推求盐度纵向扩散系数表达式方程，提升了数值模型在低盐度区的模拟精度。通过构建表层盐度多因子星地协同遥感反演方法，提升河口区域水体盐度反演精度，基于垂向分层特性对盐度进行垂向插值，为模型提供更为精准的盐度初始场。在对珠江河口的典型咸潮上溯事件的复演中，模拟的咸界位置和取水口盐度特征值平均误差在±20%以内，低盐度区咸潮模拟精度提升50%。
模型部署于Linux等操作系统，基于三角形无结构平面计算网格进行求解。结合地形坡度自适应平面无结构计算网格剖分方法和适用于陡坡突变地形的无阶贴底垂向坐标模式，实现三维斜压模型计算效率与精度之间的最佳平衡。采用有限体积法对控制方程组进行离散求解，并进行并行化处理，实现模型的高效计算，整体计算速度提升35%。
水库群多目标联合调度模型
针对流域水库联合调度中维度高、目标多、约束杂、决策难等问题，在解析防洪、抑咸、生态、航运等复杂约束边界基础上，充分考虑流域上游水库群防洪调度、发电调度、蓄水调度以及枯水期水量调度之间的启动时机、转换条件、衔接关系，采用不同时间尺度长短嵌套调度模式，构建自适应多目标协调调度模型。
利用改进差分算法对模型进行求解，得到上游水库群联合调度方案，并与下游河网区闸泵群调度相耦合，从而初步创建了全流域全时空覆盖的多尺度多目标一体化协同调度方案集合。
典型场景及应用效果
珠江口及河网区台风暴潮增水预报
针对珠江河口八大口门及河网区域，珠科院团队基于自主研发的风暴潮模型在2022年实时精准滚动预报，提前36h、24h、12h预报了“木兰”“马鞍”“奥鹿”“纳沙”“尼格”等5场台风暴潮。24h预报的重要站点潮位及增水结果平均误差在10mm以内，相位误差小于1h。
抗旱防咸保供水预演
开展不同咸潮上溯情景和调度方案下低盐度区的水厂取水口取淡窗口期等关键指标的精准预演，为水行政主管部门决策提供技术依据。2021—2022年枯水期，开展西江、东江咸潮预演工作，提供了调度方案的预演成果，与实际取淡窗口期误差在2h以内。按不利条件，中山马角水闸最大含氯度2980mg/L，全天超标；东莞第三水厂最大含氯度602mg/L，超标6h。调度后马角水闸最大含氯度1868mg/L，全天超标11h；东莞第三水厂最大含氯度332mg/L，全天超标3h。
其他典型应用场景
研发的相关模型除已应用于支撑珠江委的水旱灾害“四预”系统外，还在珠江流域内其他层级的水旱灾害防御“四预”实践中得到成功应用。在西枝江洪水实时调度系统建设中，通过水文机理模型和深度学习模型相结合，提出串、并联耦合的洪水实时预报技术，降低模型选择不当带来的决策失误风险。通过对降雨径流模型、洪水演进模型及水库调度模型的无缝耦合，并建成系统平台，实现预报调度一体化及业务化。系统自2019年4月上线以来，成功支撑了惠州市防御“查帕卡”“圆规”“卢碧”等台风暴雨洪水。在黄埔区实时洪涝风险图项目中，分别基于水文—水动力—管网耦合模型和人工智能大数据模型实现河道洪水和城区内涝的精准化预测预报，积水预报准确率平均达67%。随着数据的累积，准确率将会继续提高。
结论与展望
水利专业模型是支撑数字孪生流域建设、实现水旱灾害“四预”功能的核心。本文针对珠江流域水旱灾害特点，探讨了水旱灾害防御“四预”系统对水利专业模型的需求，介绍了珠江水利科学研究院研发的相关模型，主要包括通用性的一二维水动力模型HydroMPM，以及具有珠江流域特色的风暴潮模型、三维斜压咸潮模型，水库群多目标协同调度模型等。研发的水利专业模型支撑了珠江流域水旱灾害防御“四预”系统建设，并在相关实践中得到成功应用。从水旱灾害防御“四预”的需要看，水利专业模型依然有待进一步发展。
结合数字孪生水利建设的深入，水利专业模型未来的工作主要包括以下方面：提升监测技术，完善城市水文、气象、水质等数据监测体系，为水旱灾害防御“四预”提供扎实的基础数据；加强机理研究，夯实水利专业模型研发理论基础，提高模型精度和通用性；积极探索有物理机制的模型和深度学习模型的融合互补，平衡“算得准”与“算得快”之间的关系，为实际需求做支撑；拓展水利专业模型范畴，将水利专业模型与社会经济要素更紧密结合；构建流域—城市智慧水务平台，让水利专业模型系统服务于水利、市政、环境、生态等诸多领域。
