一、HydroMPM模型

1、模型介紹

2016年度自立項(xiàng)目HydroMPM系統(tǒng)開發(fā)與集成完成的洪水分析模擬軟件等成果經(jīng)權(quán)威專家鑒定整體達(dá)到國際領(lǐng)先水平，HydroMPM_FloodRisk入選國家防總《全國重點(diǎn)地區(qū)洪水風(fēng)險(xiǎn)圖編制項(xiàng)目可選軟件名錄》。成果應(yīng)用項(xiàng)目100余項(xiàng)，累計(jì)合同額達(dá)4億元，并獲2019年中國大壩工程學(xué)會科技進(jìn)步獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)。
“HydroMPM模型云平臺”是珠科院基于前沿云應(yīng)用理念和新型云建模技術(shù)獨(dú)立自主研發(fā)的純國產(chǎn)化建模平臺。云平臺基于B/S架構(gòu)研發(fā)，內(nèi)置了HydroMPM數(shù)學(xué)模型引擎，實(shí)現(xiàn)了一維、二維、一二維耦合水動力模型的構(gòu)建、計(jì)算方案配置及成果可視化展示，形成了標(biāo)準(zhǔn)化、一體化的業(yè)務(wù)操作流程。依托動態(tài)網(wǎng)頁交互技術(shù)，云平臺在功能架構(gòu)上綜合實(shí)現(xiàn)了水動力建模業(yè)務(wù)的云建模、云計(jì)算、云展示與云存儲功能，具有高速、高穩(wěn)、高效、高集成的特點(diǎn)，將以“四高”支撐水旱災(zāi)害防御“四預(yù)”業(yè)務(wù)。HydroMPM模型引擎內(nèi)核結(jié)合CPU-GPU高速并行計(jì)算技術(shù)，可見模型計(jì)算效率可提高至30倍，有力支撐實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)預(yù)演，且具有模型計(jì)算不發(fā)散、任意初始場可計(jì)算收斂穩(wěn)定的特點(diǎn)，確保了預(yù)報(bào)預(yù)演業(yè)務(wù)的穩(wěn)定運(yùn)行。云平臺建模較傳統(tǒng)建模方法效率提高50%以上，可基于網(wǎng)頁隨時(shí)隨地協(xié)作建模，模型更新無需重復(fù)集成發(fā)布，進(jìn)而依托云服務(wù)實(shí)現(xiàn)了模型在“四預(yù)”業(yè)務(wù)系統(tǒng)中的自動發(fā)布與集成。

HydroMPM包括一維 (HydroMPM1D )、二維 (HydroMPM2D ) 和一維 二維耦合 (HydroMPM12D ) 等。 HydroMPM2D 二維水動力及其伴生過程耦合數(shù)學(xué)模型 ，包括以下數(shù)學(xué)模型 ：
1） HydroMPM2D _ FLOW(二維淺水流動數(shù)學(xué)模型 )。
2） HydroMPM2D _ SWAN(二維波流耦合數(shù)學(xué)模型 )。
3） HydroMPM2D _ ECOLOGY(二維水生態(tài)多過程耦合數(shù)學(xué)模型 )。
4） HydroMPM2D _ SED[水 (潮) 流 鹽度 波浪 泥沙耦合數(shù)學(xué)模型 ]
5）HydroMPM2D _ GPU(并行計(jì)算模型 )。選取 OpenACC 并行編程模式 ，實(shí) 現(xiàn)了二維水動力及其伴生過程耦合數(shù)學(xué)模型的 CPU GPU異構(gòu)并行計(jì)算 ，顯著提高 了模型計(jì)算效率 。

2、 珠江流域水旱災(zāi)害防御“四預(yù)”平臺

珠江流域水旱災(zāi)害防御“四御”平臺已經(jīng)集成和調(diào)用的水利專業(yè)模型主要包括水文模型、水動力模型（重點(diǎn)河段淹沒模型）、咸潮模型、水庫群調(diào)度模型四類。珠江水利科學(xué)研究院研發(fā)了通用性的一二維水動力模型HydroMPM，以及具有珠江流域特色的風(fēng)暴潮模型、咸潮模型及水庫群調(diào)度模型。這些模型在珠江流域水旱災(zāi)害防御工作中具有較好的應(yīng)用前景，其中部分模型已經(jīng)應(yīng)用于珠江流域水旱災(zāi)害防御“四預(yù)”系統(tǒng)。

3、西枝江流域?qū)崟r(shí)洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)

“西枝江流域?qū)崟r(shí)洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)”以西枝江流域?yàn)檠芯繀^(qū)域，以“數(shù)字化場景、智慧化模擬、精準(zhǔn)化決策”為目 標(biāo)，充分結(jié)合人工智能、大數(shù)據(jù)、傾斜攝影建模等新一代信息技術(shù)，以水文、水動力、調(diào)度多學(xué)科數(shù)值模型為支撐，為 流域防洪奠定了智慧化的先行示范基礎(chǔ)。
在西枝江洪水實(shí)時(shí)調(diào)度系統(tǒng)建設(shè)中，通過水文機(jī)理模型和深度學(xué)習(xí)模型相結(jié)合，提出串、并聯(lián)耦合的洪水實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)技術(shù)，降低模型選擇不當(dāng)帶來的決策失誤風(fēng)險(xiǎn)。通過對降雨徑流模型、洪水演進(jìn)模型及水庫調(diào)度模型的無縫耦合，并建成系統(tǒng)平臺，實(shí)現(xiàn)預(yù)報(bào)調(diào)度一體化及業(yè)務(wù)化。
結(jié)合西枝江流域洪水特點(diǎn)，基于新安江模型、TOPMODEL模型、基于地形指數(shù)的分布式水文模型、人工智能預(yù)報(bào)模型、一二維水動力模型提出多模型耦合的洪水實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了流域洪水預(yù)報(bào)預(yù)警及洪災(zāi)預(yù)演模擬，為數(shù)字孿生西枝江防洪模型平臺的建設(shè)奠定了基礎(chǔ)。
上、下游邊界：水庫下泄流量、嶺下站流量、博羅站水位為實(shí)測值，部分河道區(qū)間流量過程為水文預(yù)報(bào)模型計(jì)算結(jié)果。水動力模型中增加內(nèi)邊界，耦合流域中的水利樞紐調(diào)度模型（按控制水位運(yùn)行）。

二、 流溪河模型

1、模型介紹

流溪河模型包括流域劃分、蒸散發(fā)計(jì)算、 產(chǎn)流計(jì)算、匯流計(jì)算、參數(shù)確定和模擬計(jì)算六個(gè)相互獨(dú)立的部分。

• 流域劃分子模型：收集各類流域特性數(shù)據(jù)，包括數(shù)字高程模型、土地利用類型和土壤類型等 ；在此基礎(chǔ)上，將一個(gè)研究流域按 DEM 劃分成多個(gè)單元流域，并確定各個(gè)單元流域上的物理特性數(shù)據(jù)；根據(jù)現(xiàn)有的流域降雨數(shù)據(jù)，估算各個(gè)單元流域上的降雨量。
• 蒸散發(fā)計(jì)算子模型：根據(jù)單元流域上的降雨量及土壤前期濕潤指標(biāo)，計(jì)算確定 各個(gè)單元流域上的蒸散發(fā)量。
• 產(chǎn)流計(jì)算子模型：根據(jù)單元流域上的降雨量和蒸散發(fā)量，計(jì)算確定各個(gè)單元流 域上的產(chǎn)流量，并將其劃分成地表徑流、壤中流和地下徑流。
• 流域匯流子模型中有五種匯流類型：邊坡匯流，發(fā)生在邊坡單元上的地表徑流匯流，采用運(yùn)動波法進(jìn)行計(jì)算；河道匯流 ，采用擴(kuò)散波法進(jìn)行計(jì)算；水庫匯流，采用平移方法進(jìn)行匯流計(jì)算;壤中流匯流，采用達(dá)西公式直接進(jìn)行匯流計(jì)算；地下徑流匯流，采用線性水庫法進(jìn)行匯流計(jì)算。
• 參數(shù)確定子模型：根據(jù)相應(yīng)的方法，確定各個(gè)單元上的模型參數(shù)。
  模擬計(jì)算子模型：根據(jù)確定的模型參數(shù)，對一場洪水，根據(jù)降雨量的大小，進(jìn)行 洪水過程的模擬計(jì)算，并對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2、流溪河模型應(yīng)用

流溪河流域?qū)儆谑芩こ逃绊懙牡湫土饔?#xff0c;建成了以流溪河水庫和黃龍帶水庫為龍頭，包括大坳等 9 個(gè)攔河壩為骨干的防洪體系。9個(gè)攔河壩主要功能是提高壩址處的水位，在進(jìn)行流域洪水預(yù)報(bào)及河道洪水演進(jìn)計(jì)算時(shí)，可不考慮這些攔網(wǎng)壩工程對洪水徑流量的調(diào)蓄作用，但由于攔河壩抬高了壩址以上水頭，其對洪水演進(jìn)的速度是有影響的，這方面的影響應(yīng)該在洪水預(yù)報(bào)或洪水演進(jìn)計(jì)算模型中予以考慮。
流溪河模型成功應(yīng)用于流溪河水庫流域、小型少資料的黃龍帶水庫流域、整體流溪河流域。

三、貴仁模型云

1、 模型介紹

• 一維模型（包括水動力、水質(zhì)）：采用有限差分法求解圣維南方程組以及一維對流擴(kuò)散方程，可用于單一河道或復(fù)雜河網(wǎng)的水動力水質(zhì)模擬；可處理恒定流及非恒定流；提供了水位、流量、水位-流量關(guān)系型、自由出流、水閘、水堰等邊界類型；可考慮區(qū)間入流或點(diǎn)源排污；可模擬水閘、水堰、水泵的作用以及其調(diào)度過程；可實(shí)時(shí)輸出監(jiān)測斷面的水位、流量等計(jì)算結(jié)果；可冷啟動或熱啟動；可自定義模型輸出方式。
• 二維模型（包括水動力、水質(zhì)）：采用三角形網(wǎng)格，可用于具有任意地形和邊界的區(qū)域的水動力水質(zhì)模擬；可概化堤防、公路等線狀阻水結(jié)構(gòu)；可處理恒定流及非恒定流；可模擬水閘、水堰、水泵的作用以及其調(diào)度過程；提供了水位、流量、自由出流、固壁等邊界類型；可考慮點(diǎn)源排污；可采用固定時(shí)間步長或自適應(yīng)時(shí)間步長；可實(shí)時(shí)輸出監(jiān)測點(diǎn)的水位、流速等計(jì)算結(jié)果，以及監(jiān)測斷面的流量計(jì)算結(jié)果；可統(tǒng)計(jì)輸出最大淹沒水深、洪水到達(dá)時(shí)間等洪水風(fēng)險(xiǎn)信息；可冷啟動或熱啟動；可自定義模型輸出方式。
• 一二維耦合模型：包括“上下游型”和“側(cè)向型”等兩種模型耦合方式；可設(shè)置堤防等水工建筑物；可設(shè)置堤防潰決條件及潰口發(fā)展過程。

2、 長江防洪預(yù)報(bào)調(diào)度系統(tǒng)

長江防洪預(yù)報(bào)調(diào)度系統(tǒng)建設(shè)是國家防汛抗旱指揮系統(tǒng)二期工程2014年度項(xiàng)目，采取洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)和防洪調(diào)度系統(tǒng)深度融合、實(shí)現(xiàn)洪水預(yù)報(bào)與防洪調(diào)度一體化的思路建設(shè)。長江防洪預(yù)報(bào)調(diào)度系統(tǒng)是以電子地圖、專用數(shù)據(jù)庫、水雨情信息、防洪預(yù)報(bào)調(diào)度模型為基礎(chǔ)支撐，成功實(shí)現(xiàn)了模型與系統(tǒng)的緊密集成，該系統(tǒng)是由貴仁科技研發(fā)完成。

三、HydroInfo水力信息系統(tǒng)

HydroInfo是由大連理工大學(xué)開發(fā)的計(jì)算復(fù)雜水流與輸運(yùn)問題的大型數(shù)值模擬軟件。在理論研究，算法分析與工程應(yīng)用的過程中，HydroInfo進(jìn)行了大量的解析數(shù)值驗(yàn)證、試驗(yàn)室測量數(shù)據(jù)驗(yàn)證與原型觀測數(shù)據(jù)驗(yàn)證，廣泛的實(shí)際工程應(yīng)用顯示了該模型的可靠性、穩(wěn)定性與并行計(jì)算的高效性。HydroInfo配備了方便靈活的前后處理功能及與其他工具軟件的數(shù)據(jù)接口，便于用戶的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備，及豐富的數(shù)據(jù)提取與動畫展示。

一．計(jì)算模塊

HydroInfo采用有限體積法立三求解水流與與輸運(yùn)方程，大量的算例驗(yàn)證對比與工程應(yīng)用表明，該軟件具備模擬結(jié)果正確可靠，使用方便，計(jì)算效率高等特點(diǎn)。HYDROINFO目前包括以下幾個(gè)計(jì)算模型：

1． 流域河網(wǎng)與管網(wǎng)模型

(1) 流域河網(wǎng)模型：適用于流域復(fù)雜河網(wǎng)的水流泥沙運(yùn)動的高效計(jì)算。流域模型可包括庫群、河網(wǎng)、閘堰、分布入流與集中入流。

(2) 管網(wǎng)模型：適用于有壓與無壓管網(wǎng)的計(jì)算。包括了水擊及明滿流過渡的模擬。

(3) 水面線計(jì)算：適用于恒定流問題的水面線計(jì)算。結(jié)合了遺傳算法可以對河道糙率進(jìn)行自動率定。

2． 二維水流泥沙波浪模型

(1) 平面二維水流泥沙：適用于河流、湖泊、河口于海岸的水流、泥沙與污染物擴(kuò)散的計(jì)算模擬。采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格下的有限體積離散，包括顯示與隱式時(shí)間推進(jìn)，亞格子與代數(shù)紊流模型。結(jié)合了高分辨率重構(gòu)，可模擬潰壩、淹沒與露攤等復(fù)雜流動問題。

(2) 波浪緩坡模型：采用緩坡方程計(jì)算波浪的傳播變形與繞射反射。

(3) 波能輸運(yùn)模型：適用大范圍的風(fēng)浪傳播模擬，計(jì)算分析折射與繞射導(dǎo)致的風(fēng)浪波高波向的變化。

3． 三維自由水面流動模型

(1) 三維自由水面模擬：采用分層Euler-Lagrangian計(jì)算模式建立了平面上非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，垂向分層動網(wǎng)格的三維自由水面模型計(jì)算模型。模型包括靜水壓強(qiáng)與動水壓強(qiáng)兩種計(jì)算模式，其中三維動水壓強(qiáng)模型可模擬粘性流體下的波浪傳播與變形。

(2) 潮流波浪模擬：采用潮流場與波浪場相互作用模型，適用于大尺度問題。

4． 多維耦合問題

(1) 河網(wǎng)與平面二維淺水耦合：河網(wǎng)與二維淺水連接計(jì)算模型可以提高大尺度流動的計(jì)算效率。對于資料缺乏流域可采用一維河網(wǎng)模型，而對地形資料詳細(xì)且比較關(guān)系的區(qū)域可采用二維模型。河網(wǎng)與二維淺水連接的分配耦合模型可提高河口及潰堤等復(fù)雜水流泥沙問題的計(jì)算模擬效率。

(2) 多維模型耦合：多維模型耦合方式的目的是保證計(jì)算分析的精度與空間分辨率的前提下，提高計(jì)算效率。當(dāng)采用河網(wǎng)與平面二維淺水及三維自由水面模擬耦合時(shí)，重點(diǎn)關(guān)心的區(qū)域或流態(tài)負(fù)責(zé)區(qū)域采用三維模擬，次要區(qū)域在水深方向只采用一個(gè)分層退化為平面二維問題。

5． 泥沙與輸運(yùn)問題

(1) 水流泥沙問題在水庫泥沙淤積、河道演變、河口海岸演變等方面具有重要意義。泥沙模型可考慮推移質(zhì)，懸移質(zhì)或全沙模型。由于泥沙沖淤導(dǎo)致地形的改變，因此泥沙模型與水流模型是耦合的。

(2) 與水流相關(guān)或同水流一同運(yùn)動輸運(yùn)過程可能包括：溫度場、鹽度場或COD與BOD等環(huán)境水流污染物。

6． 波浪傳播問題

(1) 近岸波浪傳播過程中折射、繞射、反射對港口等沿岸工程具有重大影響。波從深海傳入沿岸地區(qū)，波浪要素在傳播過程中，及其于潮流場與海工建筑物的相互常常是設(shè)計(jì)中首先需要考慮的問題。

(2) 本系統(tǒng)主要包含二個(gè)波浪模型，一個(gè)是緩坡方程（Mild Slope）模型，另一個(gè)是波能輸運(yùn)模型。其中波能輸運(yùn)模型可以高效地應(yīng)用于大區(qū)域波浪的計(jì)算分析。

7． 流動與輸運(yùn)模型

(1) 流動與自由表面問題(VOF)：包括二維與三維，恒定流與非恒定流，可壓流與不可壓流?？梢詰?yīng)用VOF方法模擬自由水面問題，并包含了傳熱與自然對流、相變（結(jié)冰與融化）等專門問題。

(2) 流動與傳熱問題：處理傳熱，相變與多相流問題

(3) 可壓縮流：考慮高速運(yùn)動氣體的壓縮性。

8． 滲流與穩(wěn)定模型

(1) 滲流分析：分析地下水的水頭分布與浸潤線。

(2) 滑弧穩(wěn)定分析：分析壩體的穩(wěn)定性，計(jì)算安全系數(shù)。

(3) 靜力有限元分析：分析壩體內(nèi)的應(yīng)力與應(yīng)變分布，計(jì)算壩體的剪應(yīng)力水平，判斷壩的穩(wěn)定性及可能的失穩(wěn)面，為動力分析中的動模量的計(jì)算提供基本數(shù)據(jù)。

(4) 動力反映分析：分析壩體的地震動力反應(yīng)，計(jì)算在輸入地震波作用下，壩體的應(yīng)力，變形及加速度放大因子，及可能的液化區(qū)。

9． 城市雨洪與降雨徑流模型

(1) 城市雨洪動力學(xué)模型：采用平面二維淺水方程模擬坡面徑流，水動力學(xué)一維模型計(jì)算管網(wǎng)與河網(wǎng)，耦合降雨、蒸發(fā)與地下非飽和滲流，對環(huán)境水循環(huán)的全過程進(jìn)行動力學(xué)模擬計(jì)算，并提供多種簡化選項(xiàng)。

(2) 地下水滲流：采用地下水模型計(jì)算地下水滲流過程。

(3) 降雨徑流模型：采用水文模型或神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析預(yù)報(bào)徑流過程。

二．基于云的水動力水質(zhì)信息系統(tǒng)

HydroInfo建立基于云的水動力計(jì)算系統(tǒng)，為使用者提供遠(yuǎn)程計(jì)算服務(wù)。用戶只需要使用瀏覽器就能夠完成復(fù)雜的水動力學(xué)自動化建模以及計(jì)算模擬，省去了繁瑣的軟件安裝過程。此外，將模型以及計(jì)算結(jié)果集成到WebGIS平臺，實(shí)現(xiàn)無插件、GPU硬件加速、空間多維度展示水動力計(jì)算結(jié)果，為決策制定者提供科學(xué)依據(jù)。

在服務(wù)器端，水動力學(xué)模型HydroInfo提供計(jì)算服務(wù)，是整個(gè)系統(tǒng)的核心，包括離散方法、數(shù)值模型、文件系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫引擎等部分。數(shù)據(jù)庫提供整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)支持，包括圖形、建模、計(jì)算、水文數(shù)據(jù)等；在瀏覽器端，主要有兩部分：建模部分以及流場展示部分。主要功能為數(shù)值模型建模、參數(shù)設(shè)置、模擬結(jié)果統(tǒng)計(jì)查詢以及流場的展示等；Ajax 技術(shù)用于在瀏覽器與Web 服務(wù)器之間使用異步數(shù)據(jù)傳輸（HTTP 請求），這樣可在不重新加載頁面的情況下與Web 服務(wù)器交換數(shù)據(jù)，即不需要刷新整個(gè)頁面，就可以產(chǎn)生局部刷新的效果。

由于基于云的水動力計(jì)算系統(tǒng)的整個(gè)用戶體驗(yàn)都是基于網(wǎng)絡(luò)的，因此前端設(shè)計(jì)對于平臺整體的可用性具有關(guān)鍵的作用。現(xiàn)在的前端框架允許以組織良好和高效的方式來管理大型項(xiàng)目，采用了功能強(qiáng)大的前端框架VUE。本系統(tǒng)涉及到強(qiáng)交互的網(wǎng)絡(luò)內(nèi)容，包括表單、表格、圖形等，是VUE項(xiàng)目的典型應(yīng)用場景。同時(shí)采用VUE框架大大提高了源代碼的可維護(hù)性。