【CAE案例】水动力仿真软件在洪涝预测上的服务开发

CAE璐姐 2023年2月6日浏览：1599

研究背景

当今社会高度依赖电力、淡水、交通和电信的稳定供应。因此，即使在灾难性事件期间，也有必要确保有弹性的供应。但是实际上难以通过蓄洪池等永久性措施来保护所有关键基础设施。

因此，预测模型等替代性防洪系统变得越来越重要。由欧洲航天局 (ESA) 在综合应用促进 (IAP) 计划框架内资助的中型高山集水区关键基础设施保护增强洪水预报系统项目 (Enhanced Flood Forecasting System for Critical Infrastructure Protection in Medium Size Alpine Catchments, EFFORS) 通过利用实时测量、观测和数值模型来提高预报质量。该项目涵盖了卫星通信、地理信息系统、气象学、水文学、计算工程和水力学。

EFFORS系统包含气象、水文和水力等模块，可对强降水、泄洪和洪水淹没地区进行 24 小时预报。EFFORS系统的核心是一个shell程序，结果每小时更新一次，系统接近实时运行。由于计算成本高，尤其是水力部分，EFFORS在服务提供商ZAMG（奥地利中央气象和地球动力学研究所）的高性能计算机群 (HPC) 上运行，结果显示在交互式 Web应用程序中。

为节省计算资源，水力计算仅在预测流量超过某个阈值时运行。利用TELEMAC-2D模块，将干流中的排放以及侧向支流的排放作为液体边界，计算关注区域的速度和水深。本文以EFFORS项目的其中一个试点流域（集水区）- Mürz流域为例，介绍TELEMAC-2D模块在实时洪水预报服务EFFORS中的应用。

02 案例展示

本节介绍 TELEMAC-2D 模型在实时洪水预报服务EFFORS中的应用。由于shell程序允许对单个流域进行模块化处理，因此对其中一个试点流域-Mürz流域（图 1）的运行方式进行详细的解释。

【CAE案例】水动力仿真软件在洪涝预测上的服务开发的图1

图1：EFFORS试点流域 (来源：Robert Stöffler, OSGH)

03 研究区域

研究流域位于奥地利Styria省（图 1），其总面积约为1,500平方公里。关注区域位于Mürzzuschlag和Bruck . a. d. Mur之间，横跨40公里的河流（图2）。

Mürz河的年平均流量为14 m³/s，三十年一遇和百年一遇的特征泄洪量分别为215.0 m³/s和275.0 m³/s。

在约40公里的河流范围内，有25座小型径流河流水电站。根据用户反馈，在流域中标记了7个强降水警告关注点，对泄洪警告和洪水淹没地图/警告的关注点数量分别为 5 和 6。由于可用计算时间非常有限，因此必须将关注的区域进行划分。关注区域的划分要求入口和出口位于具有明确定义的水力条件的区域。

图2：研究流域- Mürz流域，© OpenStreetMap contributors

数值模型

减去前处理、其他数值模块和后处理所需的时间，总共有40分钟（约1小时）可用于水动力模块。即使EFFORS在HPC上运行，也不可为一个特定模型分配太多内核。因此，模块对网格质量和数值设置的优化提出了较高的要求。

最终的计算网格包含约250,000个单元（网格）和138,000个节点。平均单元面积约为15 m²，平均边长约为5.5 m。在河流区域、隔断线（如街道）或房屋处，网格更加精细。此外，研究域内有6个堰。图3中展示了计算网格及其节点高程。

【CAE案例】水动力仿真软件在洪涝预测上的服务开发的图3

图3：计算网格及其节点高程

数值模型通过两次历史洪水事件进行校准。其中一个洪水事件有可用的测量点数据，而第二个只有航空照片。在建立和校准水动力模块后可以集成到EFFORS系统中。

由于硬件需求成本高，建立的TELEMAC-2D模型只在洪水场景中运行。通过多次模拟选定了一个接近于引起冲淹的流量值作为流量阈值。对于Mürz流域，此阈值设置为50 m³/s。一旦水文模块预测在接下来的24小时内超过此阈值，TELEMAC-2D模块就会开始运行。

TELEMAC-2D模块组件包含三个动态文件。此外，模块使用两个不同的TELEMAC-2D计算操纵文件（.cas文件）。计算操纵文件MQ仅在第一次超过预测流量阈值时（对于一个水位线）由EFFORS shell程序调用。在这种情况下，将使用代表河流的年平均流量条件作为初始条件。随着预测持续进行，程序调用连续同上。

在这种情况下，先前计算的结果文件被用作下一次TELEMAC-2D运行的初始条件。只要超过阈值，EFFORS就会继续使用连续操纵文件运行。一旦预测期内的每个流量值都低于阈值，shell程序就不会启动TELEMAC-2D。对于超过定义阈值的下一个水位线，程序将再次使用操纵文件MQ来重置模块。

05 结果展示

EFFORS通过TELEMAC-2D模块提供24小时洪泛平原水动力信息预报。EFFORS提供时间分辨率为1小时的水深等值线图。此外，用户可以在计算域内定义关注点并接收该特定点的水深预测。可以设置水深的阈值。超出阈值时，主管当局会收到消息。

二维结果的另一个有价值的信息是得知河流首先淹没陆地的位置。该信息将协助当局在发生洪水事件时有效地使用和调度人力物力等资源。图4显示了EFFORS门户网站内历史洪水事件的模拟结果。用户定义的关注点的二维模型的水深信息如图5所示。

图4：Mürz流域二维泛滥平原预报的时效性演化

图5：用户设置点的水深预测

06 研究结论

气候变化、人口增长、河流的深入监管等议题提出了重新审视现有的防洪和灾难管理策略的必要性。新开发的近实时洪水预报EFFORS系统在2018年底投入运行，使得在奥地利和德国的非侵入式防洪措施改进方面实现质的飞跃。EFFORS系统提供每小时更新的24小时降水、流量和洪水淹没区域预报，基于TELEMAC-2D的水力模块提供了对流量和洪水淹没区域具有弹性的预报，使其与基于情景的传统方法相比更具有竞争力。