Page 13 - 2021年第52卷第10期

（a） （b） （c） （d）
图中黑色粗箭头表示产汇流汇入的水量，包括河道上下游入流、出流，河道两侧汇入；左右两侧黑色小箭头表示水位超过堤防时，
河道水量外溢；黑点示意产流水量；内部小椭圆表示淹没区范围，外部大椭圆表示流域总体范围，流域面积远远大于淹没区面积：
（a）水文与水动力的串联耦合，水文与水动力计算在时间上有先后关系，水文计算的产汇流加载到河道上游或河道侧向有限地点，作为
水动力计算的边界条件；（b）水文与一维水动力的动态单向耦合，水文汇流水量加载到河道上游及河道内；（c）已有水文产流模型与二维
水动力的动态单向耦合，空间上不分区，水文产流量作为源项加载到水动力模型，水文汇流与水动力计算采用二维浅水方程；（d）水文
与二维水动力直接动态双向耦合，空间分区，不同区域以动边界连接。不同区域采用不同的模型。

图 6 水文与水动力的不同耦合示意图
过固定内边界位置来实现水文产汇流模型与二维水动力模型的耦合。对于山区流域的洪涝模拟和预
报问题，在揭示水文过程与水动力过程的动态互馈机制的基础上，充分利用水文模型和水动力模型
的特点，建立水文与水动力的动态双向耦合模型值得深入开展研究，在提高流域洪涝模拟和预报精
度的同时，达到模拟精度与计算效率的优化配置是今后有待深入探讨的方向。
流域洪涝发生和发展的水文过程与水动力过程在时间是同时进行的，在空间上是紧密联系的，
水文信息与水动力信息存在动态互馈关系。如图 6（a）中所示，常用的水文与水动力的串联耦合模型
将水文过程与水动力过程在时间上分开进行；在空间上，水文计算的汇流水量结果作为水动力过程
的边界点，边界点流量数值集中了河道两岸的汇流水量，常常会夸大河道上游入口的流量，流量边
界点位置选定具有人为因素，如果边界条件加载的不合理，串联耦合模型的模拟结果将会存在一定
的误差。如图 6（b）所示，水文与一维水动力模型的动态单向耦合（如 MIKE SHE 与 MIKE 11 的动态单
向耦合），全流域采用分布式水文模型计算产汇流流量，产汇流水量作为边界条件或源项加载到一维
河道上游或侧向有限个节点上，计算网格一旦确定，边界点位置不再变化，水动力过程不对水文过
程产生影响，一维水动力模型功能限制了模型的应用范围。如图 6（c）所示，已有的水文产流模型与
二维水动力模型动态单向耦合，如 TRIBS-OFM、FRAS、Hydroinfo，克服了串联耦合及水文与一维水
动力动态单向耦合模型的不足，有效地提高了模型精度。这类水文与二维水动力的动态单向耦合模
型中，水动力过程不对水文过程产生影响，如果推广到流域范围的洪涝模拟和预报，需要解决数值
格式稳定性和计算效率问题。图 6（d）为水文与二维水动力的直接动态双向耦合模型（DBCM），流域水
文计算与水动力计算在时间上同时进行；在空间上，水文计算产汇流水量结果作为水动力计算的边
界条件，仅在积水等局部区域进行二维水动力计算，水文计算结果按实际发生位置动态加载到淹没
区的周围，淹没区与水文产汇流区以动边界动态连接，动边界位置随时间变化。图 6（d）为水文产汇
流模型与二维水动力的动态双向耦合模型，即 DBCM 模型示意图，该模型仅在局部区间进行二维水
动力计算，实现水文产汇流模型与二维（包括一维）水动力模型的直接动态双向耦合。如果在全流域
采用二维浅水模型进行计算，此时 DBCM 等价于图 6（c）的水文产流模型与二维水动力模型的动态单
向耦合。反过来，图 6（c）的水文与水动力耦合模型不能包含 DBCM 的功能，因为图 6（c）中的水文模
型，仅进行产流计算，汇流计算需要通过浅水方程实现，不能开展局部二维水动力计算，需要在全流
域进行二维水动力计算，相当于流域全动力洪涝模型。DBCM 模型能更合理地反映流域水文过程与水
动力过程的动态双向互馈机制，动态双向耦合模型在流域范围的洪涝模拟和预报中将具有发展潜力。

3 水文与水动力耦合模型归纳与展望

对于洪涝灾害模拟和预报，水文与水动力耦合模型具有优势。水文与水动力耦合模型理论需要

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