Page 9 - 2021年第52卷第10期

t + Δt t + Δt
No No
开 水文 流量 水动力 结
始 模型 t ≥ T 模型 t ≥ T 束
（a）串联耦合

t + Δt
No
开 水文 流量 水动力 结
始 模型 模型 t ≥ T 束

（b）动态单向耦合
t + Δt
No
开 水文 流量 水动力 t ≥ T 结
始 模型 水位 模型 束
（c）动态双向耦合

图 1 水文模型与水动力模型耦合
就相当于串联耦合模型。如图 1（c），动态双向耦合模型，在时刻 t 水文与水动力同时计算，水文计算
信息影响水动力计算，水动力计算信息影响水文计算，水文与水动力的影响是双向的。高分辨率的
分布式水文模型与二维浅水方程的动态双向耦合，显然水文模型和水动力模型均具有高分辨率，这
样的动态双向耦合模型国内外还没有文献报道，也是将要建立的耦合模型。
将水文和水动力模型进行更合理的耦合，充分反映水文过程与水动力过程的互馈机制，提高洪
涝预报结果的可靠性，还需要进行深入探讨，宋利祥等 ［46］ 指出水文与水动力耦合模型的本质区别在
于是否合理考虑了水文与水动力过程的相互影响，尤其是水文驱动水动力模型的边界形式以及局部
淹没状态对汇水单元水文响应过程的影响。因此亟需在探索水文水动力自适应耦合机制的基础上，
建立水文与水动力动态双向耦合的洪涝模拟和预报模型，可为流域洪涝水文水动力过程精细化与高
效模拟奠定理论基础。
2.3.1 水文与水动力模型串联耦合 水文与水动力耦合模型中应用最成熟的耦合方法是“串联耦
合”。从洪涝过程的起始时刻到结束时刻，串联耦合模型首先独立运行水文模型，进行产汇流计算，
获得河道上游断面及河道支流控制断面处的流量随时间变化过程。将这个流量过程作为水动力模型
的输入边界条件，然后独立进行水动力计算，获得河道、河漫滩等积水区的水流运动信息。水文计
算和水动力计算两个过程在空间上是相互独立的，属于前后的串联关系。
由于各种水文模型均可输出控制断面的流量过程，容易满足串联耦合模拟的需求，常用于水文
与水动力串联耦合。McMillan 利用降雨产流模型与一维动力波方程，将降雨产流过程作为动力波方
程的上游边界，分析不同频率降雨产生的洪水对城市的淹没情况 ［47］ 。采用串联耦合模型的有 Mon⁃
［48］ ［49］ ［50］
tanari 、Choi 和 Grimaldi 等，研究将水文模型的产流过程作为一维、二维水动力模型的上游流量
边界，驱动水动力模型运行。一些串联耦合模型的应用与研究，还可以参考文献［51-52］。此外，一些
［54］
［53］
成熟的模型如 SWAT 、HEC-HMS 、MIKE系列 ［55-56］ 等的应用，多是采取水文模型与水动力模型的串联
耦合方式。采用基于地貌特征的流域分布式水文模型 GBHM与 MIKE11一维水动力模型进行串联耦合，模
拟三峡区间降雨产汇流过程。其它水文与水动力耦合模型研究与应用，参见参考文献［57-60］。
串联式耦合模型应用方便，对于较小的空间区域可以获得合理的精度。但是对于较大范围的流
域洪涝预报问题，水文过程与水动力过程的互馈作用更加敏感。水文与水动力串联耦合模型，仅在
包括河湖、河漫滩和低洼积水区进行水动力计算，在积水区之外的流域进行水文产汇流积水，水文
计算结果为水动力计算提供边界条件。在应用水文与水动力的串联耦合模型时，需要确定淹没区周
围流量边界点的位置和边界点数量的合理性，保证每个边界点的流量随时间变化与实际汇流过程相
符，尽量避免不合理的边界点位置和流量过程的选取，减小模拟和预报结果的误差。事实上，在暴
雨过程中洪涝淹没区范围随时间变化，水动力模型的流量边界点位置也随时间变动，水文汇流进入

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