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水 利 学 报

２０２３年 ３月 ＳＨＵＩＬＩ ＸＵＥＢＡＯ 第 ５４卷 第 ３期

文章编号：０５５９ － ９３５０（２０２３）０３ － ０３０２ － ０９

基于多重网格的地表水文与二维水动力动态双向耦合模型研究

申言霞，周 琦，段艳华，江春波
（清华大学 水沙科学与水利水电工程国家重点实验室，北京 １０００８４）

摘要：针对流域洪涝模拟模型的计算精度、格式稳定性及计算效率等问题，本文提出基于多重网格技术的地表水
文与二维水动力动态双向耦合模型（Ｍ－ ＤＢＣＭ）。地表水文模型采用非线性水库法模拟降雨产流和径流；二维水动
力模型采用浅水方程模拟洪水演进过程。采用不同分辨率的网格划分计算区域，在粗网格区域采用地表水文模型
模拟降雨径流过程；在细网格区域采用二维水动力模型模拟洪涝积水区的水流运动。地表水文和二维水动力模型
通过内部耦合移动界面（ ＣｏｕｐｌｉｎｇＭｏｖｉｎｇＩｎｔｅｒｆａｃｅ，ＣＭＩ）实现无缝连接，保证通过 ＣＭＩ的水量和动量等通量守恒，
提高模型的模拟精度。采用时间显式格式同时求解地表水文和水动力模型，在不同区域采用不同的计算时间步
长，以提高模型的计算效率。通过典型案例验证本文构建的耦合模型的性能，结果表明本文提出的动态双向耦合
模型能够在保证模拟精度的同时提高计算效率。
关键词：流域洪涝模拟；多重网格；动态双向耦合；内部耦合移动界面；计算效率；模拟精度
中图分类号：ＴＶ１２２
文献标识码：Ａ ｄｏｉ：１０．１３２４３?ｊ．ｃｎｋｉ．ｓｌｘｂ．２０２２０６４５

１ 研究背景

暴雨洪涝灾害是全球影响范围最广，对人类生存和发展危害最为显著的自然灾害之一。据统计 ［１］ ，
２０００—２０１９年全球遭受的自然灾害中，发生次数最多的是洪水（４４％）和风暴（２８％），受灾人口最多的是
洪水（４１％）和干旱（３５％），两项指标洪水均居首位。随着全球气候变化，极端暴雨洪涝发生的可能性与
不确定性逐渐增大，对人民生命安全和财产构成巨大威胁 ［２］ 。因此及时准确地模拟暴雨洪涝过程，为风
险辨识与危险感知提供必要的依据，对于提高洪水风险防范能力，减少洪涝灾害损失具有重要意义。
目前常采用水文与水动力耦合模型模拟洪涝过程。水文模型以降雨作为输入驱动，分析计算不同
频率降雨的产汇流情况 ［３］ 。如采用非线性水库方法进行水量平衡计算，假定水流沿水文响应单元的最
大坡度方向运动，应用一维曼宁公式进行地表汇流计算，将径流沿河道演算到流域出口，输出结果一
般是流域出口的流量变化过程 ［４］ 。水动力模型基于数学方程组（如浅水方程或圣维南方程），对方程组
直接求解得到洪涝过程，可以反映建筑物对水位的壅高等特征。在与水文模型耦合的过程中，可以采
用水文模型提供的边界入流条件进行模拟，也可以从实际降雨中计算渗入地下的水量，求出形成地表
径流的净雨量，将其作为水动力模型连续方程的源汇项，即水文产流模块与水动力模型的耦合。
当水文模型为水动力模型提供流量边界条件时，根据水动力模型是否对水文模型产生反馈可分为
单向耦合和双向耦合。目前大部分耦合方式为单向耦合，水文和水动力模型在时间上不能实时同步，
水文模型模拟完成后，将输出的流量时间序列数据作为水动力模型的输入，驱动水动力模型运行 ［４］ 。
［５］
［６］
一些成熟的模型如 ＳＷＡＴ（ＳｏｉＷａｔｅｒＡｓｓｅｓｓｍｅｎｔＴｏｏｌ） 、ＨＥＣ（ＨｙｄｒｏｌｏｇｙＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＣｅｎｔｅｒ） 等，提
收稿日期：２０２２ － ０８ － １１；网络首发日期：２０２３ － ０２ － １０
网络首发地址：ｈｔｔｐｓ：??ｋｎｓ．ｃｎｋｉ．ｎｅｔ?ｋｃｍｓ?ｄｅｔａｉｌ?１１．１８８２．ＴＶ．２０２３０２０９．１３５８．００１．ｈｔｍｌ
基金项目：国家自然科学基金面上项目（５２１７９０６８）；水沙科学与水利水电工程国家重点实验室项目（２０２１ － ＫＹ － ０４）
作者简介：申言霞（ １９９５ － ），博士生，主要从事水文及洪涝灾害治理研究。Ｅ － ｍａｉｌ：ｓｈｅｎｙｘ２１＠ｍａｉｌｓ．ｔｓｉｎｇｈｕａ．ｅｄｕ．ｃｎ
通讯作者：江春波（１９６０ － ），博士，教授，主要从事水力学及水灾害治理研究。Ｅ － ｍａｉｌ：ｊｃｂ＠ｔｓｉｎｇｈｕａ．ｅｄｕ．ｃｎ
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