【CAE案例】水動力仿真軟件在洪澇預測上的服務開發

CAE璐姐

2023年2月6日 14:00

研究背景

當今社會高度依賴電力、淡水、交通和電信的穩定供應。因此，即使在災難性事件期間，也有必要確保有彈性的供應。但是實際上難以通過蓄洪池等永久性措施來保護所有關鍵基礎設施。

因此，預測模型等替代性防洪系統變得越來越重要。由歐洲航天局 (ESA) 在綜合應用促進 (IAP) 計劃框架內資助的中型高山集水區關鍵基礎設施保護增強洪水預報系統項目 (Enhanced Flood Forecasting System for Critical Infrastructure Protection in Medium Size Alpine Catchments, EFFORS) 通過利用實時測量、觀測和數值模型來提高預報質量。該項目涵蓋了衛星通信、地理信息系統、氣象學、水文學、計算工程和水力學。

EFFORS系統包含氣象、水文和水力等模塊，可對強降水、泄洪和洪水淹沒地區進行 24 小時預報。EFFORS系統的核心是一個shell程序，結果每小時更新一次，系統接近實時運行。由于計算成本高，尤其是水力部分，EFFORS在服務提供商ZAMG（奧地利中央氣象和地球動力學研究所）的高性能計算機群 (HPC) 上運行，結果顯示在交互式 Web應用程序中。

為節省計算資源，水力計算僅在預測流量超過某個閾值時運行。利用TELEMAC-2D模塊，將干流中的排放以及側向支流的排放作為液體邊界，計算關注區域的速度和水深。本文以EFFORS項目的其中一個試點流域（集水區）- Mürz流域為例，介紹TELEMAC-2D模塊在實時洪水預報服務EFFORS中的應用。

02 案例展示

本節介紹 TELEMAC-2D 模型在實時洪水預報服務EFFORS中的應用。由于shell程序允許對單個流域進行模塊化處理，因此對其中一個試點流域-Mürz流域（圖 1）的運行方式進行詳細的解釋。

【CAE案例】水動力仿真軟件在洪澇預測上的服務開發的圖1

圖1：EFFORS試點流域 (來源：Robert St?ffler, OSGH)

03 研究區域

研究流域位于奧地利Styria省（圖 1），其總面積約為1,500平方公里。關注區域位于Mürzzuschlag和Bruck . a. d. Mur之間，橫跨40公里的河流（圖2）。

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

在約40公里的河流范圍內，有25座小型徑流河流水電站。根據用戶反饋，在流域中標記了7個強降水警告關注點，對泄洪警告和洪水淹沒地圖/警告的關注點數量分別為 5 和 6。由于可用計算時間非常有限，因此必須將關注的區域進行劃分。關注區域的劃分要求入口和出口位于具有明確定義的水力條件的區域。

圖2：研究流域- Mürz流域，? OpenStreetMap contributors

數值模型

減去前處理、其他數值模塊和后處理所需的時間，總共有40分鐘（約1小時）可用于水動力模塊。即使EFFORS在HPC上運行，也不可為一個特定模型分配太多內核。因此，模塊對網格質量和數值設置的優化提出了較高的要求。

最終的計算網格包含約250,000個單元（網格）和138,000個節點。平均單元面積約為15 m2，平均邊長約為5.5 m。在河流區域、隔斷線（如街道）或房屋處，網格更加精細。此外，研究域內有6個堰。圖3中展示了計算網格及其節點高程。

【CAE案例】水動力仿真軟件在洪澇預測上的服務開發的圖3

圖3：計算網格及其節點高程

數值模型通過兩次歷史洪水事件進行校準。其中一個洪水事件有可用的測量點數據，而第二個只有航空照片。在建立和校準水動力模塊后可以集成到EFFORS系統中。

由于硬件需求成本高，建立的TELEMAC-2D模型只在洪水場景中運行。通過多次模擬選定了一個接近于引起沖淹的流量值作為流量閾值。對于Mürz流域，此閾值設置為50 m3/s。一旦水文模塊預測在接下來的24小時內超過此閾值，TELEMAC-2D模塊就會開始運行。

TELEMAC-2D模塊組件包含三個動態文件。此外，模塊使用兩個不同的TELEMAC-2D計算操縱文件（.cas文件）。計算操縱文件MQ僅在第一次超過預測流量閾值時（對于一個水位線）由EFFORS shell程序調用。在這種情況下，將使用代表河流的年平均流量條件作為初始條件。隨著預測持續進行，程序調用連續同上。

在這種情況下，先前計算的結果文件被用作下一次TELEMAC-2D運行的初始條件。只要超過閾值，EFFORS就會繼續使用連續操縱文件運行。一旦預測期內的每個流量值都低于閾值，shell程序就不會啟動TELEMAC-2D。對于超過定義閾值的下一個水位線，程序將再次使用操縱文件MQ來重置模塊。

05 結果展示

EFFORS通過TELEMAC-2D模塊提供24小時洪泛平原水動力信息預報。EFFORS提供時間分辨率為1小時的水深等值線圖。此外，用戶可以在計算域內定義關注點并接收該特定點的水深預測。可以設置水深的閾值。超出閾值時，主管當局會收到消息。

二維結果的另一個有價值的信息是得知河流首先淹沒陸地的位置。該信息將協助當局在發生洪水事件時有效地使用和調度人力物力等資源。圖4顯示了EFFORS門戶網站內歷史洪水事件的模擬結果。用戶定義的關注點的二維模型的水深信息如圖5所示。

圖4：Mürz流域二維泛濫平原預報的時效性演化

圖5：用戶設置點的水深預測

06 研究結論

氣候變化、人口增長、河流的深入監管等議題提出了重新審視現有的防洪和災難管理策略的必要性。新開發的近實時洪水預報EFFORS系統在2018年底投入運行，使得在奧地利和德國的非侵入式防洪措施改進方面實現質的飛躍。EFFORS系統提供每小時更新的24小時降水、流量和洪水淹沒區域預報，基于TELEMAC-2D的水力模塊提供了對流量和洪水淹沒區域具有彈性的預報，使其與基于情景的傳統方法相比更具有競爭力。