Page 14 - 2021年第52卷第10期

反映水文过程与水动力过程的互馈机制，水文过程驱动水动力过程，反过来水动力过程影响水文的
汇流条件。考虑水文与水动力这两个物理过程的相互影响，国内外学者提出了多种的耦合方法。
水文与水动力的串联耦合模型、动态耦合模型各有其优势，应该根据实际要解决的问题选取合
理的耦合模型。分布式水文模型与二维水动力模型的动态双向耦合更反映水文产汇流过程与水动力
洪水演进过程的互馈机制，模型预期具有良好的精度，在流域洪涝灾害预报中具有应用前景。
水文模型与二维、一维水动力模型的耦合方式可以分成如下三种模式：耦合模式 1，基于水动力
模型的动态耦合方式；耦合模式 2，水文模型与一维水动力模型直接耦合及与局部区域二维水动力的
间接耦合；耦合模式 3，水文模型直接与二维和一维水动力的动态耦合。三种耦合模式如图 7 所示。
耦合模式 1：在连续方程中考虑降雨、蒸发、入渗等水文产流过程，通过求解浅水方程的动量方
程计算汇流及水动力过程。耦合模式 1 在全流域划分差分或控制体网格，进行高分辨率的二维水动力
计算，可获得更加准确的排水管网入口处水位和流速。耦合模式 1 的代表性软件，包括中国水利水电
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科学研究院的 FRAS 、西安理工大学研发的 GAST 、大连理工大学研发的 Hydroinfo 、密西根
［62］ ［36-37］
大学研发的 TRIBS-OFM 、亚利桑那大学研发的 CHRE2D 。中国水利水电科学研究院的 FRAS 在
二维网格内通过特殊通道法，实现二维水动力与一维水动力的动态连接，实现了河道、排水口附近
的精细水动力模拟；西安理工大学的 GAST模型，求解二维浅水方程，通过 GPU技术提高计算效率 ［39］ ；大
［25］
连理工大学的 Hydroinfo 通过非构造网格等手段，提高局部区域的计算精度，并提高整体计算效
率。耦合模式的很多模型，均在城市及流域洪涝防治工程中得到广泛应用。
耦合模式 2：由两部分组成，第一部分是分布式水文模型直接与河道、管网的一维水动力的动态耦
合，与 SWMM 或 Mike Urban有类似之处，也有不少改进；第二部分是淹没区域的局部二维水动力模型与
一维水动力的动态双向耦合，与 MIKE Flood有类似之处，但有所改进。耦合模式 2的二维水动力计算仅
在局部区域进行，在局部区域进行网格加密，可以获得排水口入口处的更加准确的水位和流速信息。局
部区域精细网格的二维水动力计算，可以节省计算时间，提高计算效率。中国水利水电科学研究院的
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CUHHM 、华南理工大学的 IHUM 等属于耦合模式 2，该模式已经在城市洪涝防治工程应用。
二维差分或 一维网格包含在
控制体网格 二维网格内

全流域 特殊通道
水文产流模型 -管网 河道等
二维水动力模型 一维水动力模型
（a）耦合模式 1：基于水动力模型的动态耦合

SWMM 水文 SWMM 水文 局部区域二维 二维粗网格 局部二维细网格
子单元 子单元 局部区域
全流域 管道、河道 局部淹没区 局部区域 全流域水文产 淹没区 一维
水文产汇流 一维水动力 二维水动力 管道河道 汇流模型 二维水动力模型
模型 模型 模型 一维水动力

SWMM；Mike Urban 排水管网及河道，一维水动力模型
Mike Flood
（b）耦合模式 2：水文模型与一维水动力模型直接耦合及与 （c）耦合模式 3：水文模型直接与二维及一维
局部区域二维水动力的间接耦合 水动力的动态双向耦合
图 7 耦合模式

耦合模式 3：是分布式水文模型与二维及一维水动力模型的直接耦合，属于动态双向耦合。将流
域空间分成非淹没区和淹没区，仅在非淹没区采用粗网格求解二维扩散波方程，计算流域的产流和
汇流；在淹没区等局部区域采用精细网格求解二维浅水方程，淹没区包括河湖、漫滩、低洼积水区
及排水管网密集区域；模型预期具有良好的数值精度。由于仅在局部区域（淹没区）进行二维水动力
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计算，耦合模式 3 预期具有良好的计算效率。清华大学提出的 DBCM 模式属于耦合模式 3，该耦合
模式提出的时间较短，模型尚在完善之中。

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