小流域暴雨山洪水文模型与水动力学方法计算比较分析
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随着计算机技术的快速发展，采用水动力学方法进行暴雨山洪过程的模拟是今后研究方向和热 点 。 ［7-8］ 平 面 二 维 数 值 模 型 已 成 为 洪 水 演 进 模 拟 的 主 流 方 法 ， 但 间 断 水 流 、 干 湿 边 界 处 理 和 计 算 效 率 仍 存 在 较 多 难 点 ， 是 急 需 解 决 的 关 键 问 题［9］。 潘 佳 佳 等 认 ［10］ 为 基 于 运 动 波 和 扩 散 波 等 简 化 水 动 力 学 模 型 因 忽 略 了 流 动 的 力 学 因 子 ， 不 能 较 好 的 模 拟 山 洪 的 形 成 与 演 化 机 理 。 张 培 文 等 采 ［11］ 用 有 限 元法研究了降雨条件下坡面径流和入渗问题的耦合模拟；王娇进行了坡面径流—入渗耦合的解析 解 及 无 网 格 数 值 模 拟 研 究 ； ［12］ 基 于 Godunov 格 式 的 以 求 解 黎 曼 近 似 解 的 浅 水 数 值 模 拟 技 术 已 逐 渐 成 熟 ， 该 方 法 能 模 拟 光 滑 解 ， 又 能 自 动 适 应 复 杂 流 态 变 化 ， 并 得 到 广 泛 应 用 。 ［13-14］ 张 大 伟 等 提 ［15］ 出 了 新 的 基 于 Godunov 格 式 的 地 表 径 流 二 维 水 动 力 模 型 ， 使 干 湿 边 界 问 题 得 到 很 好 解 决 。 张 奕 虹 等 提 ［16］ 出了新的水深重构方法，解决了复杂地形上暴雨山洪数值模拟常面临的计算水深小于零、非物理 大 流 速 等 问 题 。 阚 光 远 等 在 ［17-18］ GPU 并 行 算 法 方 面 作 了 大 量 研 究 ， 发 现 使 用 GPU 并 行 算 法 可 大 幅 提高计算效率。GPU、CPU 等并行计算技术已经在水文和水动力学技术中得到初步应用，具有广阔 的 应 用 前 景 。 ［19］
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小流域暴雨山洪水文与水动力学方法计算比较分析 刘昌军 文 磊 周 剑 赵悬涛 郭 良 魏永强
针对暴雨山洪模拟计算问题，以湖南浏阳市宝盖寺小流域 2012 年降雨径流过程为例，本文采 用笔者提出的时空变源混合产流模型和模块化小流域暴雨山洪分布式水文模拟模型以及基于 Go⁃ dunov 格 式 的 二 维 坡 面 径 流 数 值 模 拟 模 型 对 小 流 域 暴 雨 山 洪 进 行 了 对 比 研 究 ， 从 建 模 过 程 、 计 算 效率和应用等方面，对比分析了两种方法计算精度和计算效率及计算结果合理性，系统分析了坡 面产汇流机制和微地形对降雨径流过程影响，为无资料小流域暴雨洪水计算和预报预警提供技术 借鉴。
收稿日期：2019-05-31 基金项目：国家重点研发计划资助项目（2018YFC1508105）；创新团队项目（JZ0145B2017）；湖南省重大水利科技计划项目（湘水科计
[2017]230-35）；湖南省水利科技项目（湘水科计[2016]194-33） 作者简介：刘昌军（1976-），教授级高级工程师，主要从事山洪灾害防治研究。E-mail：lcj2005@
小流域暴雨山洪水文模型与水动力学方法计算比较分析
刘昌军 1，文 磊 2，周 剑 3，赵悬涛 4，郭 良 1，魏永强 5
（1. 中国水利水电科学研究院 减灾中心，北京 100038；2. 河海大学 水文水资源学院，江苏 南京 210098； 3. 中国科学院 西北生态环境资源研究院，甘肃 兰州 730000；4. 华北水利水电大学 水利学院，河南 郑州 450045；
计 算 精 度 、 效 率 、 实 用 性 等 。 案 例 研 究 结 果 表 明 ：（1）水 文 与 水 动 力 学 方 法 均 可 实 现 小 流 域 暴 雨 山 洪 的 模 拟 ， 模
拟 结 果 与 实 测 基 本 一 致 ；（2）对 于 无 资 料 小 流 域 暴 雨 洪 水 计 算 ， 水 文 学 建 模 速 度 快 ， 计 算 效 率 更 高 ， 水 动 力 学 方
法 建 模 和 计 算 效 率 更 低 ；（3）在 复 杂 地 形 条 件 下 暴 雨 洪 水 形 成 机 理 、 演 进 过 程 模 拟 方 面 ， 水 动 力 学 计 算 结 果 更 加
精细和准确；在山区中小流域洪水预报预警方面，水文学方法更加实用。
关键词：暴雨山洪；时空变源混合产流模型；模块化分布式水文模型；水动力方法； 山洪模拟
5. 湖南省水利水电科学研究院，湖南 长沙 410007）
摘要：针对小流域暴雨山洪精细模拟问题，提出了小流域时空变源混合产流模型，以小流域为单元构建了暴雨山
和水动力学计算软件 FHMS。以宝盖寺小
流域场次暴雨洪水计算为例，分别采用水文学和水动力学方法计算了小流域暴雨山洪过程，并分析了两种方法的
第 17 卷 第 4 期
中国水利水电科学研究院学报
2019 年 8 月 Journal of China Institute of Water Resources and Hydropower Research
Vol.17 No.4 August，2019
文 章 编 号 ：1672- 3031（2019）04- 0262- 10
中图分类号：TV122
文献标识码：A
doi：10.13244/ki.jiwhr.2019.04.003
1 研究背景
我国山洪灾害点多面广、突发性强、破坏力大，且多发生在偏远山区、交通不便、通讯不畅。 山洪灾害是严重威胁群众生命财产安全的主要灾种之一，日渐成为防洪减灾的短板，防御工作一直 是 我 国 防 汛 和 防 灾 减 灾 工 作 中 的 难 点 和 薄 弱 环 节［1］。 近 年 来 无 资 料 小 流 域 暴 雨 山 洪 模 拟 研 究 得 到 快 速 发 展［2］， 目 前 常 用 的 是 采 用 水 文 学 方 法 和 水 动 力 学 方 法［3］。 基 于 分 布 式 水 文 模 型 的 小 流 域 暴 雨 洪 水 模 拟 得 到 快 速 发 展 和 广 泛 应 用 。 ［4-5］ 黄 燕 等［6］开 展 了 水 文 模 型 在 山 洪 模 拟 中 的 比 较 应 用 研 究 ， 研 究 结 果 发现现有水文模型在模拟短历时山洪效果一般。
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小流域暴雨山洪水文与水动力学方法计算比较分析 刘昌军 文 磊 周 剑 赵悬涛 郭 良 魏永强
针对暴雨山洪模拟计算问题，以湖南浏阳市宝盖寺小流域 2012 年降雨径流过程为例，本文采 用笔者提出的时空变源混合产流模型和模块化小流域暴雨山洪分布式水文模拟模型以及基于 Go⁃ dunov 格 式 的 二 维 坡 面 径 流 数 值 模 拟 模 型 对 小 流 域 暴 雨 山 洪 进 行 了 对 比 研 究 ， 从 建 模 过 程 、 计 算 效率和应用等方面，对比分析了两种方法计算精度和计算效率及计算结果合理性，系统分析了坡 面产汇流机制和微地形对降雨径流过程影响，为无资料小流域暴雨洪水计算和预报预警提供技术 借鉴。
收稿日期：2019-05-31 基金项目：国家重点研发计划资助项目（2018YFC1508105）；创新团队项目（JZ0145B2017）；湖南省重大水利科技计划项目（湘水科计
[2017]230-35）；湖南省水利科技项目（湘水科计[2016]194-33） 作者简介：刘昌军（1976-），教授级高级工程师，主要从事山洪灾害防治研究。E-mail：lcj2005@
小流域暴雨山洪水文模型与水动力学方法计算比较分析
刘昌军 1，文 磊 2，周 剑 3，赵悬涛 4，郭 良 1，魏永强 5
（1. 中国水利水电科学研究院 减灾中心，北京 100038；2. 河海大学 水文水资源学院，江苏 南京 210098； 3. 中国科学院 西北生态环境资源研究院，甘肃 兰州 730000；4. 华北水利水电大学 水利学院，河南 郑州 450045；
计 算 精 度 、 效 率 、 实 用 性 等 。 案 例 研 究 结 果 表 明 ：（1）水 文 与 水 动 力 学 方 法 均 可 实 现 小 流 域 暴 雨 山 洪 的 模 拟 ， 模
拟 结 果 与 实 测 基 本 一 致 ；（2）对 于 无 资 料 小 流 域 暴 雨 洪 水 计 算 ， 水 文 学 建 模 速 度 快 ， 计 算 效 率 更 高 ， 水 动 力 学 方
法 建 模 和 计 算 效 率 更 低 ；（3）在 复 杂 地 形 条 件 下 暴 雨 洪 水 形 成 机 理 、 演 进 过 程 模 拟 方 面 ， 水 动 力 学 计 算 结 果 更 加
精细和准确；在山区中小流域洪水预报预警方面，水文学方法更加实用。
关键词：暴雨山洪；时空变源混合产流模型；模块化分布式水文模型；水动力方法； 山洪模拟
5. 湖南省水利水电科学研究院，湖南 长沙 410007）
摘要：针对小流域暴雨山洪精细模拟问题，提出了小流域时空变源混合产流模型，以小流域为单元构建了暴雨山
和水动力学计算软件 FHMS。以宝盖寺小
流域场次暴雨洪水计算为例，分别采用水文学和水动力学方法计算了小流域暴雨山洪过程，并分析了两种方法的
第 17 卷 第 4 期
中国水利水电科学研究院学报
2019 年 8 月 Journal of China Institute of Water Resources and Hydropower Research
Vol.17 No.4 August，2019
文 章 编 号 ：1672- 3031（2019）04- 0262- 10
中图分类号：TV122
文献标识码：A
doi：10.13244/ki.jiwhr.2019.04.003
1 研究背景
我国山洪灾害点多面广、突发性强、破坏力大，且多发生在偏远山区、交通不便、通讯不畅。 山洪灾害是严重威胁群众生命财产安全的主要灾种之一，日渐成为防洪减灾的短板，防御工作一直 是 我 国 防 汛 和 防 灾 减 灾 工 作 中 的 难 点 和 薄 弱 环 节［1］。 近 年 来 无 资 料 小 流 域 暴 雨 山 洪 模 拟 研 究 得 到 快 速 发 展［2］， 目 前 常 用 的 是 采 用 水 文 学 方 法 和 水 动 力 学 方 法［3］。 基 于 分 布 式 水 文 模 型 的 小 流 域 暴 雨 洪 水 模 拟 得 到 快 速 发 展 和 广 泛 应 用 。 ［4-5］ 黄 燕 等［6］开 展 了 水 文 模 型 在 山 洪 模 拟 中 的 比 较 应 用 研 究 ， 研 究 结 果 发现现有水文模型在模拟短历时山洪效果一般。