水利专业模型体系研究与模型平台推广
靖争，王敏²，崔冬冬，葛召华，沈超
（1.长江木利委员会长江科学院，430010，武汉：2.黄河木利委员会黄河水利科学研究院，450003，郑州：3.南水北调中线水源有限责任公司，442799.十堰：4.山东省水利综合事业服务中心，250013.济南：5.安徽省（水利部淮河水利委员会）木利科孕研究院，100038，合肥）
摘要：水利专业模型在数宇李生水利体系建设中扮演着关键角色，在防洪、水资源调配等水利核心业 务管理方面具有重委意义.已开发的水利专业通用模型当前在各流域广泛应用，但仍存在专业性强、普适性差等问题.基于此，构建了兼顾通用与专用的数宇李生水利专业模型体系，提出模型物理机制优化、模型算法改进、人工智能赋能和监测数据动态互馈“四位一体”优化策略，同时通过模型集成与封装、建模工具建设、多模型耦合以及交互处理等模型平台构建关键技术研究，结合黄河下游洪水预报调度、并江口水库水质推演等应用示范，展示了模型耦合应用实际成效.最后探讨了模型平台推广应 用机制，通过采用分级部署应用方式，构建面向不同层级的共建共享应用机制，并结合业务需求，拓展动态化、分业务多模型耦合方案.
关键词：数字李生水利；水利专业模型；模型效能提升：模型平台构建
Research on the model system of water conservancy and promotion of the model platform/Jing Zheng
Wang Min Cui Dongdong Ge Zhaohua Shen Chao
Abstraet: Water conservancy models play a crucial role in the construction of digital twin water conservancysystems and are significant in managing core operations such as flood control and water resource allocation.Currently general water conservancy models are widely used across various river basins; however issues suchas high specialization and limited universality persist. In response a digital twin water conservancy modelsystem that balances generality and specificity has been developed. A four-in-one optimization strategy has been proposed enpassing the enhancement of physical mechanisms algorithm improvements integrationof artificial intelligence and dynamic feedback from monitoring data Additionally key technologies for modelplatform development have been investigated including model integration and encapsulation constructionof modeling tools multi-model coupling and interactive processing. Application demonstrations such asflood forecasting and scheduling in the lower Yellow River and water quality simulations in the Danjiangkou Reservoir showcase the practical effectiveness of model coupling applications. Finally mechanisms forpromoting and applying the model platform are discussed adopting a hierarchical deployment approach toestablish co-construction and sharing mechanisms across different levels. Dynamic muli-model couplingsolutions tailored to specific business requirements are also explored.
Keywords: digital twin water conservancy; water conservancy models; model performance enhancement;model platform development
前沿
CHINA WATER RESOURCES 2025.5
中图分类号：TV21TP39 文献标识码：B 文章编号：1000-1123(2025）05-0001-14DOI; 10 3969/j.issn 2025.05 001
求，多模型耦合应用研究不足；5模型平台推广机制不完善.
一、研究背景及方向
3.研究技术路线
1.研究背景
数字李生水利关键在“算”，重点在“演”.水利专业模型是实现数字李生精准映射和虚实互动的核心.近年，模型平台构建、多模型耦合、平台推广应用机制等方面气候变化和人类活动加剧的挑战，传统水利专业模型在应对诸多水利业务工作时存在局限性.深入研究流域自然规律，充分利用大数据、人工智能等信息技术构建高保真 水利专业模型，成为迫切需求.
针对以上不足，分别从水利模型体系、模型优化、我国在数字李生水利模型建设方面取得阶段性成效，涵盖开展研究，最终形成面向水利全业务应用的专业模型了多个领域的专业通用模型，并在重大防灾减灾工作中发体系、面向数字李生的水利模型（平台）优化策略、适挥了重要作用.然而，模型体系及平台在发展过程中仍面用于不同层级的水利模型平台、复杂业务场景多模型 临诸多挑战，如模型类型复杂、映射关系不清、适配性分耦合应用范式、适用于不同层级的模型平台推广应用析不足等问题，限制了模型对业务的支撑能力.同时面对体系等五个方面的成果，同时就未来的发展方向进行展望（见图1）.
二、水利专业模型体系研究
1.模型分类研究概述
针对现有水利专业模型体系进行系统梳理，以防洪业务为重点，建立模型与业务之间的映射关系，并在则，构建了兼顾通用与专用的数字李生水利专业模型此基础上提出面向数字李生的水利专业模型与平台优体系.该体系分为通用模型和专用模型两部分，旨在化策略，同时闸述了多模型耦合及其应用实践以及模 型平台的推广应用策略.
水利部依据“一般共性业务流域特殊问题”原全面覆盖水利领域的各类问题.通用模型针对水利共 性问题，提供标准化的水流模拟、水质评估、水资源供需预测等方案.专用模型则根据特定流域或区域的条件定制，解决如冰凌预报、咸潮人侵、水土流失等特定水问题.
2.模型平台建设概况
数字李生水利建设关键在于构建包括机理分析模型、数理统计模型及混合模型在内的多种专业模型，为流域管理机构已开发了涵盖多个领域的水利专业通用模 水利业务提供精细、量化的计算分析支持.水利部及各型，并广泛应用于防洪、水资源管理、水生态保护和水利水力学、泥沙动力学、水资源、水土保持、水生态、水利资源特点及经济社会发展需求呈现出流域、区域特色.
（1）通用模型
水利部本级组织各流域管理机构共同建设水文、域归纳见表1.
国内外在模型平台建设方面均取得显著进展.国线计算服务，而国外平台如MIKE、ANSYS系列则以及经济社会发展需求等因素，构建了具有流域/区域特 内平台以微服务和云平台架构为主，提供B/S架构在C/S平台为主，正向网络化转变.这些平台均集成水文、色的模型，模型主要功能见表2.水动力模型等常用水利专业模型，并逐渐增加地下水、城市管网等功能模块.然面，国内平台在建模工具、计 算效率及用户社区等方面与国外平台相比仍存在一定差距.
（2）专用模型
各流域结合本地区自然地理条件、水资源特点以
2.模型对业务应用支撑研究概述
本研究聚焦于雨水情监测预报“三道防线”下的流域防洪场景，探究模型如何支撑“四预（预报、预 警、预演、预案）应用.以水利工程为核心，总体架构综上，当前存在的问题主要包括：①业务与模型关涉及区域降雨、产汇流水文、水利工程调度、洪水演进
系不清晰，模型的适配性分析不足：②模型预报精度和水动力模型等（见图2）.预见期不足，对水利业务支撑不够：③模型与应用紧耦 合，建模过程复杂，模型应用难；④单模型无法满足需
（1）第一道防线
基于“空中雨”开展“四预”工作，模拟过程包括
前沿
2025.5中国水利
图1研突技术路线
表1水利通用模型分类信息
模型类别 模型类型 模型名称 应用领域经验模型 单位线模型、降雨径渣相关图模型、API模型等 小流城或特定区域初步水文分析木文模型 有物理基础模型 概念性模型 TOPMODEL模型、MIKE SHE模型、TOPKAPI模型、VIC模 新安江模型、陕北模型、胆克模型、萨克控门托模型等 水文预报和洪水照警 水文循环过程的全面模拟黑箱模型 神经网格模型（AMN）总径流或性响应模型|TIRL或性 型等 产汇浦计算、无资料或少资料地区水文预报一堆水动力模型 HECRAS.MIKE 11 扰动模型[LPM} 洪水预警、流域综合治理、水质分析等二维水动力模型 MIKE 21、SUNTANS 洪木模拟、水环境评估、沿海治理等水力学模型 波浪传播模型 三维水动力模型 MIKE 3 DELFT3D SANMIKE 21 SIAN 海洋工程、三维水环境模拟等 波浪能评估、海岸防护工程设计等水工结构流国精合模型 FL0W30.0penF0AW 大坝安全评估、桥梁设计、水工结构优化等潮汐和海流模型 ROMS 潮沙能开发、海岸线管理、气候壶化研究等泥沙动力学 二堆泥沙模型 一维泥沙模型 MIKE 11、HECRAS Sed icoup ISIS、BAI VanRI jn、MIKE 21、FAST 20、CCHE20 河口和河漫滩地区的泥沙输移分析 长直河流或运河的泥沙输移分析模型 三堆泥沙模型 CCHE30、CH3D、E00MSED 深海、大型湖库泥沙运动研克，复杂河口和海湾区域泥需木预测模型 回归分析法、灰色预测模型、神经网络模型、系统动力学 需木预测研究 沙输移模拟水资源模型 供水预测模型 神经网培模型、BP人工神经网络、Holt指数平滑法模型 模型 供水预测研究调度模型 线性规划、动态规划 水资源优化配置木土保持 模型 经验模型 机理模型 MUSLE RUSLE、USLE ICSLE VEPP、 LISEM SWAT 模拟流域内径流和产沙过程及其对土做管理指施的响应 快速评估土壤侵饱风险水生态环境 水历模型 QUAL2K、EFDC、CEQUALW2 水质评估、污染物分析等模型 水生态模型 Eoopath 水生态系统模拟与评估木利工程 安全模型 有限元模型 美散元模型 STS、ABAQUS FLAC 水工建筑物破坏分析、安全评估等 工程设计、安全评估、结构优化等
前沿
CHINA WATER RESOURCES 2025.5
表2流城/区域特色专用模型
流域 专用模型 主要功能水库群联合调度模型 综合分析入库流量、木位和用水需求等信息，实现水库群的优化调度，保障多目标实现长江 长江沿海风墨湘洪模型 长江沿海威潮模型 模拟风暴潮和洪水的形成及演进过程，为防洪防潮减灾提供决策支持 模拟威潮上范围、强度和持续时间，保障供水安全深水库三堆水动力水质模型 模拟库区水体中水流和污染物的三堆输移过程，为水源地水质管理提供支撑黄土高原土壤侵饱模型 研发小流域分布式机理模型、分布式年产沙经验模型和流域洪水泥沙作业预报模型，模 拟木涉产生过程，为木土保持和泥沙治理提供依据小浪鹿水库泥沙模型 实现库区进口段一般沿程冲激、三角洲顶坡段溯源冲刷和近坝段异重渣输移三种输沙形 态的合模拟黄河 黄河下游河道水沙演进模型 建立黄河下游一堆、二维水沙动力学数学模型，模拟不同水沙条件下水沙输移规律河口平直二维径流一潮流-波流-泥沙型 在黄河尾闻河道和邀海海域，模拟径流、潮沙与波激联合作用下的水沙输移与海岸演变 过程内蒙古河段冰凌预报模型 建立黄河内蒙古河段一维、二维河冰动力学数学模型，模拟从气温交化、流凌、冰盖形成、 冰盖发展至开河的河冰生消过程考虐注地带水影响的洪木预扭模型 考虑注地地形、排水能力和土壤渗透性等因素对洪水形成和演进的影响，分析注地涝水淮河 与河流洪水相互作用，提高预报准确性，为防洪减灾提供决策支持 在传统河网水动力三级解法的基础上，通过设置滞蓄节点和等效河道，概化模拟行供区多行洪区类型的河网水动力模型 充蓄、行洪和退水三个阶段，简化一维二维稠合模型的求解框架，为解决含有行洪区的河 网水动力模拟提供了新的计算引擎海河 多目标生态水量调度模型 构建当地水、再生水、外调水“三水互补”的生态水量调度模型，优化调度策略 研究地下水水位、水质、地层结构和威淡水界面移动等因素对威潮入侵的影响，模拟或测地下水成潮人侵模型 入便过程和范围珠江风悬潮模型 模拟风暴潮发生、发展和演进过程，为防洪防潮提供决策依据 分析珠江径流量、潮汐、河口地形和人类活动等因素对或湘的影响，模拟或潮入侵路径、珠江 珠江成潮模型 强度和持续时间感潮河网-海湾-外海一体化洪水模型 无资科地区的水文预报模型 将感潮河同、海湾和外海作为整体，模拟洪水在一体化系统中的形成、演进和传播过程 利用卫星遥感数据、地理信息系统技术和周边有资科地区信息，采用区城化方法和经验松辽 研究土壤类型、植被覆盖、地形坡度和译雨强度等因素对术土流失的影响，模拟水土流失 公式，模拟预报无资料地区水文过程黑土区水土流失模型 基于河湖水系、圩区及闸泵工程的基本要素、雨量、风场、水位、流量、潮位、引排水量、水 过程和强度平原河网地区水动力学模型 行模拟计算，得到全流城河同节点木位、河道断面流量等 利工程调度等基础数据，对不同降而模式、工程运用方式以及水资源水环境调度方案进太湖 太湖流城水质模型 用于模拟平原河网污染物的迁移扩散转化，调置节点水质模型用于模拟流域内湖泊水质太湖模型 模拟预测太湖水体类、营养盐氮确、溶解氧等含量及类分布范围、分布面积等 效化
根据降雨所在区域及下垫面条件不同，可以选择适用 于降雨区的模型，包括集总式水文模型、分布式水文模型、数理统计模型等，同时可以对多种水文预报模型采用集合预报.在工程调度阶段，基于产汇流数据确定水库调度的人库流量边界，并结合预报和工程安全监测数据作为边界条件，选取合适的水库调度模 型，包括单库调度、多库联合调度、正向和逆向计算等功能.在工程调度后，可以采用洪水演进模型进行下游洪水的预报和预演，可用的模型有一维水动力、二维水动力、一维二维耦合水动力模型，其中一维水用于漫滩洪水，一维二维耦合水动力模型兼顾了模型 动力模型主要用于不漫滩洪水，二维水动力模型主要
降雨、产汇流、工程调度以及洪水演进等过程.降雨预 报精度和预见期直接影响后续的水文预报、工程调度和洪水演进模拟，从而进一步影响后续预警、预演和预案.因此本阶段重点是降雨的预报和预警，同时通过多源融合（多类模型、多种模式融合）、多目标耦合（正向反向分析、多库联合、多个模型输入输出耦合串 联）多要素平衡（精准度、预见期、专家经验）模拟分析，完成预演、预案，为决策调度提供“最快”方案，实现水库、水闸等控制工程“前瞻性”调度.
在降雨阶段，基于气象卫星、测雨雷达的监测数据，采用区域降水模式预报模型开展降雨预报，可以实现短临、中期、长期的预报结果.在产汇流阶段，
计算效率和功能.
（2）第二道防线
基于“落地雨”开展“四预”工作，重点关注水文预报、预警以及工程调度和下游洪水预演.
在产汇流阶段，基于地面雨量站实时监测，利用数据同化模型优化水文预报结果，使得水文预报结果更游过洪能力作为边界条件，利用调度模型进行调度方 为精准.在工程调度阶段，以人库流量、工程安全、下案计算模拟.在洪水演进阶段，通过工程调度与洪水演进的正向-逆向-正向耦合预演，实现水库、水闸等控制性工程精准调度.
（3）第三道防线
基于水文站开展“四预”工作，该阶段重点基于洪水演进预演成果，制定精确、可行的预案.充分融合水文站水文监测数据、监控视频、无人机和遥感实时数据，通过工程调度模型、洪水演进模型融合模拟分析，高效预演并快速生成预案，为决策调度提供多目标、多 条件下的最优方案.
水利专业模型作为“三道防线”重要组成单元，通过多目标、多层次、多阶段、多业务的精准模拟分析，促进预报、预警、预演、预案的精准生成.
3.模型的适用性改进策略
模型适用性受区域环境、水利业务及资源限制影
响，主要因素包括区域气候、下垫面条件、实测资料获取和业务场景等.
（1）传统水文模型的区域适用性优化改造
传统水文模型的特点和原理决定了它们仅在一定的区域条件下适用.为了提高这些模型在不同区域的精度和适用性，需要针对模型机理进行深入研究，并结合各地区的区域特征，对模型进行优化改进.
实例1：网格型新安江模型改进.在传统新安江模型基础上融人分布式手段，进一步考虑降雨与下垫面空间分布不均匀性的影响，模型以每一个网格为计算单元进行产汇流计算，并基于下垫面特性的分布信息推求参数的空间分布.因此，模型在输出流域出口断 面流量过程的同时，也可输出流域上任意网格单元的流量过程（见图3），从而拓展了适用性.
实例2：新安江模型产流模块改进.新安江模型采用蓄满产流原理，理论上主要适用于湿润及半湿润地区.陕北志丹流域处于中温带半湿润半干早地区，为此 对三水源新安江模型进行改进，增添了半干早地区超渗产流计算，重点考虑未蓄满面积上超渗地面径流的产生与汇集过程.经改进后，该模型在志丹流域的径流深模拟合格率大幅提升，达到88.9%，拓展了模型的适用性.
（2）水利模型组件化与快速建模
水利部信息中心采用组件化、工作流、面向服务架
