Page 10 - 2021年第52卷第10期

淹没区的边界点在空间上是连续分布的，不是有限个分散点，而串联耦合模型在确定这些流量边界
点位置具有一定难度。
因此需要探讨水文与水动力模型的动态耦合，在时间上同步求解水文模型和水动力模型，两种
模型需在空间上建立合理的信息交换方式，预期可提高流域洪涝模拟及预报结果的精度。水文与水
动力的动态耦合模型，水文产汇流计算和淹没区水动力计算在时间上同时进行。根据水文与水动力
的相互作用关系，动态耦合模型又分为“单向”耦合和“双向”耦合模型，参考文献中除文献［13］和
［61］中研制的模型外，已有的动态耦合模型均为动态单向耦合模型，也常被称为动态耦合模型。对
于单向耦合模型，水文产汇流计算结果是水动力计算的驱动条件，但水动力计算结果不影响水文计
算；双向耦合模型中水文计算结果作为水动力计算的驱动条件，而水动力计算结果（如水位壅高等）
也会对水文汇流计算产生影响。
2.3.2 水文与水动力模型动态单向耦合 水文产汇流模型与一维水动力模型在时间上同步进行计
算，已有的模型可分为水文与一维水动力模型的动态单向耦合模型和水文与二维/一维水动力的动态
单向耦合模型。
（1）水文与一维水动力模型动态单向耦合。MIKE 系列软件包含了水文模型、水动力模型等多个
模块，具有水文与水动力模型动态耦合功能，如 MIKE-SHE 和 MIKE11 的耦合属于动态单向耦合 ［56］ 。
水文计算采用分布式水文模型（SHE），水动力计算采用一维圣维南方程。两个模型在连接通道根据
水位关系计算两种模型之间的流量交换，在指定节点处发生水量交换（参见图 2）。因一维水动力模型
在模拟堤外洪涝积水区具有局限性，如一维水动力模型将河道外的汇流水量强制性地加载到河道
里，但实际上降雨汇流水体是从河道两侧向河道方向汇集的，因此水文与一维水动力的动态耦合模
型往往不能准确反映堤防外侧低洼区的洪涝积水。将 MIKE11 与 MIKE21 耦合，组成 MIKE Flood，可
以克服一维水动力模型的应用限制。

水文模型
子流域划分
网格线
湖泊湿地
河湖连通渠道
实际河道
1D 水力模型-折线河道
河岸
图 2 MIKE SHE/MIKE 11 动态耦合示意
（2）水文模型与二维水动力模型的间接动态耦合。中国水利水电科学研究院提出 CUHHM（Cou⁃
pled Urban Hydrological-Hydrodynamic Model） ［40-41］ 是水文模型与一维水动力模型进行动态单向耦合。
对流域进行分区计算，水文产汇流区域采用分布式水文模型计算，河道和排水管网进行一维水动力
计算，水文计算与一维水动力计算直接动态耦合。为了考虑河湖、漫滩及低洼积水区的二维水动力
特征，在局部区域进行二维水动力计算，二维水动力计算与一维水动力计算动态双向耦合，属于水
文产汇流模型与二维水动力模型的间接耦合。二维水动力计算可为排水管网入口提供更准确的水位
条件，地表二维水流排入管网，二维计算影响一维计算，管网水流外溢也影响二维水动力计算。一
维水动力与二维水动力的耦合，类似于 MIKE Flood，但有许多改进。文献［41］采用 TELEMAC 有限元
格式在局部区域求解二维浅水方程，为保证有限元格式的稳定性，推荐时间隐式格式和求解非线性
代数方程组方法，每一个时间步内求解联立方程组或非线性方程组。对于二维计算区域面积有限的
情况下（不是全部流域求解二维浅水方程），时间隐格式计算花费时间不会过多，计算精度良好。
CUHHM 模型功能齐全，不但包括了水文与一维水动力的直接动态单向耦合，还包括了二维水动力模
型与地下管网的动态双向耦合计算，模型已经应用于北京市等地的洪涝模拟和预报。
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