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1、基于GIS的分布式洪水干旱預(yù)報(bào)系統(tǒng)2017年10月25日水利部信息中心侯愛中清華大學(xué)胡宏昌中國水管理歷史悠久中國水管理歷史悠久大禹治水現(xiàn)實(shí)需求現(xiàn)實(shí)需求洪洪水水干干旱旱水水質(zhì)質(zhì)泥泥沙沙防汛抗旱水資源水環(huán)境防汛抗旱水資源水環(huán)境中國水模型 設(shè)想National Water Model of China尺寸尺寸(m)柵格數(shù)二進(jìn)制柵格數(shù)二進(jìn)制10,0009.6*1042171,0009.6*1062241009.6*108230109.6*1010237基于網(wǎng)格的基礎(chǔ)數(shù)據(jù) 高程數(shù)據(jù) 坡度數(shù)據(jù) 流向數(shù)據(jù) 土地利用類型 土壤類型1、構(gòu)建一套基于網(wǎng)格的尺度可變的水文預(yù)報(bào)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫全國高程數(shù)據(jù)全國土地利用類型分2、布圖全國土壤類型分布圖總體目標(biāo)總體目標(biāo)自然河流 50平方公里以上 45203條人類活動(dòng) 水庫 水電站 閘壩 渠道2、構(gòu)建一套考慮人類活動(dòng)影響的水流網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫分段 自然河段 工程影響 計(jì)算需要河段屬性 河長 坡度 斷面形狀 堤頂高程 特征水位山洪溝 50平方公里以下總體目標(biāo)總體目標(biāo)3、建立網(wǎng)格、子流域與水流網(wǎng)絡(luò)之間的拓?fù)潢P(guān)系National Elevation DatasetNational Hydrography DatasetNational Land Cover DatasetWatershed Boundary DatasetNHDPlus總體目標(biāo)總體目標(biāo)水文水力學(xué)方程 彭曼公式 Ric3、hards方程 曼寧公式 圣維南方程 水量平衡 對(duì)流-擴(kuò)散方程4、構(gòu)建一套分布式水文水力學(xué)通用模型庫模塊化 蒸散發(fā) 坡面產(chǎn)流 坡面匯流 河道匯流 工程調(diào)度流域水文模型 新安江 GBHM TOPKAPI VIC 經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ涂傮w目標(biāo)總體目標(biāo)5、構(gòu)建與水文計(jì)算網(wǎng)格相匹配的網(wǎng)格化降雨等氣象產(chǎn)品10 km grid spacing1 km grid spacing總體目標(biāo)總體目標(biāo)6、實(shí)現(xiàn)全國范圍高精度的水文影響預(yù)報(bào)和風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警Runoff Streamflow Flow Routing ModelImpact Forecast and Risk WarningWeather model and foreca4、stsRunoff Generation ModelPrecipitation Weather Catchment-level forecasts總體目標(biāo)總體目標(biāo)National Elevation DatasetDem Derived DatasetNational Survey DatasetWatershed Boundary DatasetNational Hydrography DatasetPlus（1）子流域劃分及編碼技術(shù)）子流域劃分及編碼技術(shù)關(guān)鍵技術(shù)關(guān)鍵技術(shù)（2）分布式產(chǎn)匯流模型及風(fēng)險(xiǎn)圖技術(shù)）分布式產(chǎn)匯流模型及風(fēng)險(xiǎn)圖技術(shù)5.Channel&ReservoirRoutingMod5、ulesStreamflow Data Assimilation4.CatchmentAggregation 2.Runoff Generation1.Forcing Engine3.Terrain RoutingModule2-way couplingForecastProductsFlood Risk Map關(guān)鍵技術(shù)關(guān)鍵技術(shù)（3）高性能并行計(jì)算技術(shù)）高性能并行計(jì)算技術(shù)Peak PerformanceNearly 10 Petaflops(PF)(10 quadrillion calculations per second)Memory270 Terabytes(TB)RAMDisk Sto6、rage14 Petabytes(PB)Number of Racks182Cables75 Miles of Network CableApprox.Weight500,000 lbsData Center Utilization8,000 sq ftMax Power Usage4.5 Megawatts500,000 processors operating in parallel關(guān)鍵技術(shù)關(guān)鍵技術(shù)核心問題核心問題水循環(huán)模型水循環(huán)模型降水大氣水土壤水地下水地表水蒸發(fā)雨量站雷達(dá)測雨降雨預(yù)報(bào)Euler方程墑情站遙感反演土壤水計(jì)算Richards方程水文站水位站水庫站地下水站重力衛(wèi)星地下水流動(dòng)D7、arcy方程河道演進(jìn) 洪水泛濫一、二維圣維南方程水量平衡方程時(shí)空變異性時(shí)空變異性空間變異性之不同深度土壤特性空間變異性之不同深度土壤特性Dai,Y.,W.Shangguan,Q.Duan,B.Liu,S.Fu,G.Niu,2013:Development of a China Dataset of Soil Hydraulic Parameters Using Pedotransfer Functions for Land Surface Modeling.Journal of Hydrometeorology,doi:10.1175/JHM-D-12-0149.10-45mm飽和導(dǎo)水率45-8、91mm飽和導(dǎo)水率91-166mm飽和導(dǎo)水率166-289mm飽和導(dǎo)水率289-493mm飽和導(dǎo)水率493-829mm飽和導(dǎo)水率 Richards方程方程根據(jù)根據(jù)Darcy定律、連續(xù)方程推導(dǎo)定律、連續(xù)方程推導(dǎo) 考慮基質(zhì)勢和重力勢，對(duì)于各向同性介質(zhì)：考慮基質(zhì)勢和重力勢，對(duì)于各向同性介質(zhì)：Richards方程為二階偏微分方程方程為二階偏微分方程(PDE)，一般采用數(shù)值方法求解，一般采用數(shù)值方法求解土壤水運(yùn)動(dòng)基本方程土壤水運(yùn)動(dòng)基本方程)(KtzKzyKyxKxtzyx)()()(zKzKzyKyxKxtmmm)()()()(Richards方程求解方法方程求解方法 定解問題：定解問題：Richard9、s方程方程 邊界條件邊界條件 初始條件初始條件 求解方法：求解方法：解析法、半解析法：特殊情況，簡化解析法、半解析法：特殊情況，簡化 數(shù)值方法：有限差分、有限體積、有限元數(shù)值方法：有限差分、有限體積、有限元土壤水運(yùn)動(dòng)基本方程土壤水運(yùn)動(dòng)基本方程0 1 .k-1 k k+1.M t 0 1 .i-1 i i+1 .N z zi zi+1 差分網(wǎng)格 tk+1 zKKzDDtkikikikikikikikikiki2/12/1212/112/11)()()(ikiikiikiihcba11111網(wǎng)格產(chǎn)流坡面匯流河網(wǎng)匯流網(wǎng)格產(chǎn)流坡面匯流河網(wǎng)匯流初步成果初步成果)(Kt3/53/22/10ApnSQqxQ10、tAr初步成果初步成果分布式洪水干旱預(yù)報(bào)系統(tǒng)方案構(gòu)建與模型計(jì)算分布式洪水干旱預(yù)報(bào)系統(tǒng)方案構(gòu)建與模型計(jì)算初步成果初步成果 系統(tǒng)主要功能系統(tǒng)主要功能 基于網(wǎng)格的產(chǎn)流計(jì)算基于網(wǎng)格的產(chǎn)流計(jì)算干旱干旱模擬預(yù)報(bào)模擬預(yù)報(bào) 基于子流域的匯流計(jì)算基于子流域的匯流計(jì)算洪水洪水模擬預(yù)報(bào)模擬預(yù)報(bào) 河道洪水演進(jìn)河道洪水演進(jìn)洪水洪水影響影響預(yù)報(bào)預(yù)報(bào) 水庫閘壩調(diào)度水庫閘壩調(diào)度水利水利工程工程影響影響初步成果初步成果 系統(tǒng)產(chǎn)品系統(tǒng)產(chǎn)品 不同深度土壤含水量（不同深度土壤含水量（10公分、公分、20公分、公分、30公分、公分、40公分）公分）不同深度土壤相對(duì)濕度（不同深度土壤相對(duì)濕度（10公分、公分、20公分、公分、30公分、公11、分、40公分）公分）單點(diǎn)土壤水分剖面隨時(shí)間變化過程單點(diǎn)土壤水分剖面隨時(shí)間變化過程 不同時(shí)刻地下水埋深不同時(shí)刻地下水埋深 不同時(shí)刻地表徑流深不同時(shí)刻地表徑流深 河道洪水演進(jìn)動(dòng)態(tài)河道洪水演進(jìn)動(dòng)態(tài) 任一子流域流量過程任一子流域流量過程 水庫出入庫以及水位變化過程水庫出入庫以及水位變化過程任一點(diǎn)不同深度土壤含水量任一點(diǎn)不同深度土壤含水量任一點(diǎn)土壤水分剖面任一點(diǎn)土壤水分剖面土壤相對(duì)濕度指數(shù)干旱評(píng)估土壤相對(duì)濕度指數(shù)干旱評(píng)估徑流深徑流深地下水蓄變量地下水蓄變量任一子流域流量過程任一子流域流量過程河道洪水演進(jìn)動(dòng)態(tài)河道洪水演進(jìn)動(dòng)態(tài)三維水面淹沒場景三維水面淹沒場景10/26/2017謝謝，歡迎提問謝謝，歡迎提問侯愛中侯愛中