《洪水實時模擬技術(shù)規(guī)程》編制說明

編制說明

一、工作簡況

包括任務(wù)來源、主編單位、參編單位主要工作過程、各階段意見

處理情況、主要起草人及其所做的工作等。

1、任務(wù)來源

目前洪水預(yù)報預(yù)警相關(guān)技術(shù)規(guī)范規(guī)程，例如《洪水風(fēng)險圖編制導(dǎo)

則(SL483-2017)》、《潰壩洪水模擬技術(shù)規(guī)程(SL164-2010)》，在洪

水分析方面主要集中于模型構(gòu)建方法、率定驗證要求、結(jié)果合理性分

析要求等，尚無針對洪水實時模擬的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，難以全面支撐洪災(zāi)實

時預(yù)報預(yù)警工作。洪水實時模擬技術(shù)可為防汛決策提供動態(tài)、實時的

洪水淹沒及風(fēng)險信息，是洪災(zāi)預(yù)報預(yù)警的重要手段。為規(guī)范洪水實時

模擬的技術(shù)要求、技術(shù)方法和模型接口，提高洪水模擬成果的科學(xué)性、

準(zhǔn)確性、時效性和通用性，主編單位珠江水利委員會珠江水利科學(xué)研

究院于2019年8月向中國水利學(xué)會申請編制本團體標(biāo)準(zhǔn)。

2、主編單位、參編單位主要工作過程

2019年8月，主編單位珠江水利委員會珠江水利科學(xué)研究院向

中國水利學(xué)會提交本團體標(biāo)準(zhǔn)編制申請書；

2019年9月5-6日，中國水利學(xué)會在北京召開本團體標(biāo)準(zhǔn)立項論

證會，經(jīng)會議審查，專家組同意該標(biāo)準(zhǔn)立項；

2019年9月26日，中國水利學(xué)會以水學(xué)[2019]205號文批準(zhǔn)本標(biāo)

準(zhǔn)立項，同時以水學(xué)[2019]206號文征集本標(biāo)準(zhǔn)參編單位；

2019年10-11月，主編單位按照標(biāo)準(zhǔn)立項論證會審查意見，對本

2

標(biāo)準(zhǔn)進行了修改完善；

2019年12月，主編單位先后赴中國水利水電科學(xué)研究院、中國

科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所、長江水利委員會水文局交流調(diào)研，就

洪水實時模擬技術(shù)現(xiàn)狀、業(yè)務(wù)系統(tǒng)建設(shè)經(jīng)驗及應(yīng)用情況、模型接口等

方面進行了深入交流，并征集了本標(biāo)準(zhǔn)的編制建議和意見；

2020年1-2月，主編單位根據(jù)交流調(diào)研情況，充分吸收各項建議

和意見，對本標(biāo)準(zhǔn)進行了進一步修改完善；

2020年6月5日，中國水利學(xué)會以水學(xué)[2020]74號文公布了本標(biāo)

準(zhǔn)候選參編單位；

2020年7-9月，按照中國水利學(xué)會關(guān)于根據(jù)候選單位具體貢獻(xiàn)情

況確定是否納入標(biāo)準(zhǔn)參編單位的指示，主編單位積極與各候選單位溝

通聯(lián)系，以視頻會議形式就本標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容開展了多次討論，并對本標(biāo)準(zhǔn)

進行了進一步修改完善；

2020年10-12月，主編單位以“一對一”形式征集了國內(nèi)相關(guān)領(lǐng)

域多名專家的個人意見，并與各候選單位研討標(biāo)準(zhǔn)修改方案，對本標(biāo)

準(zhǔn)進行了進一步修改完善，編制完成《洪水實時模擬技術(shù)規(guī)程》（征

求意見稿）。

3、各階段意見處理情況

目前，本標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)歷了立項論證會、單位交流調(diào)研、編制單位內(nèi)部

討論、專家咨詢等階段，編制人員針對相關(guān)建議和意見，在充分討論、

吸收的基礎(chǔ)上，對本標(biāo)準(zhǔn)進行了多次修改完善，各階段意見均得到了

較好的處理。其中，立項論證會建議的處理情況為：

3

①標(biāo)準(zhǔn)名稱修改為《洪水實時模擬技術(shù)規(guī)程》

修改情況：已修改。

②加強調(diào)研，集思廣益，把握好先進性與成熟度的平衡

修改情況：赴中國水利水電科學(xué)研究院、中國科學(xué)院地理科學(xué)與

資源研究所、長江水利委員會水文局交流調(diào)研，就洪水實時模擬技術(shù)

現(xiàn)狀、業(yè)務(wù)系統(tǒng)建設(shè)經(jīng)驗及應(yīng)用情況、模型接口等方面進行了深入交

流，并相應(yīng)地對本標(biāo)準(zhǔn)進行了修改完善。進一步，通過“一對一”形

式征集了國內(nèi)相關(guān)領(lǐng)域多名具有豐富經(jīng)驗的專家的個人意見，對本標(biāo)

準(zhǔn)相關(guān)條文進行了進一步修改完善，充分平衡了先進性與成熟度。

4、主要起草人及其所做的工作

本標(biāo)準(zhǔn)包括總則、術(shù)語與定義、基礎(chǔ)資料、模型及計算方法選擇、

洪水實時模擬模型構(gòu)建、洪水實時模擬模型接口等6章及附錄。主要

起草人及其所做的工作見下表。

表1主要起草人及其所做工作情況表

序號姓名主要工作

1陳文龍總體負(fù)責(zé)

2楊芳技術(shù)指導(dǎo)、溝通協(xié)調(diào)

3胡曉張技術(shù)負(fù)責(zé)；總則及術(shù)語與定義章節(jié)編制

4宋利祥洪水實時模擬模型構(gòu)建章節(jié)編制

5張金良與相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)系分析

6吳志勇洪水實時模擬模型構(gòu)建章節(jié)編制

7陳睿智模型及計算方法選擇章節(jié)編制

8張煒洪水實時模擬模型接口章節(jié)編制

9李杰基礎(chǔ)資料章節(jié)編制

10楊中華模型及計算方法選擇章節(jié)編制

11劉晉基礎(chǔ)資料章節(jié)編制

12葉磊模型及計算方法選擇章節(jié)編制

13張睿洪水實時模擬模型接口章節(jié)編制

14劉壯添基礎(chǔ)資料章節(jié)編制

15王漢崗基礎(chǔ)資料章節(jié)編制

4

序號姓名主要工作

16姜宇洪水實時模擬模型構(gòu)建章節(jié)編制

17羅秋實洪水實時模擬模型構(gòu)建章節(jié)編制

18何?；A(chǔ)資料章節(jié)編制

19彭勇基礎(chǔ)資料章節(jié)編制

20李肖男模型及計算方法選擇章節(jié)編制

21竇身堂模型及計算方法選擇章節(jié)編制

22王明基礎(chǔ)資料章節(jié)編制

二、主要內(nèi)容說明及來源依據(jù)

1.技術(shù)指標(biāo)、參數(shù)、公式、性能要求、試驗方法、檢驗規(guī)則等

的論據(jù)（包括試驗、統(tǒng)計數(shù)據(jù)）。修訂類標(biāo)準(zhǔn)，還應(yīng)增列新舊標(biāo)準(zhǔn)技

術(shù)內(nèi)容的對比情況。

①關(guān)于一維河道模型的計算斷面間距要求

本標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)河段平均河寬設(shè)置不同的最大斷面間距要求，既能保

證較寬河段（河寬≥1000m）的斷面間距不會過大，也能保證較窄河

段（河寬<100m）的斷面間距不會過小，較好的兼顧了模型精度與實

測斷面數(shù)量要求。

②關(guān)于二維網(wǎng)格的最大尺度要求

本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定非建成區(qū)網(wǎng)格面積不應(yīng)大于0.05km2，建成區(qū)網(wǎng)格面

積不應(yīng)大于0.01km2，即非建成區(qū)網(wǎng)格最大邊長為220m、建成區(qū)網(wǎng)格

最大邊長為100m（假設(shè)正方形網(wǎng)格），相關(guān)指標(biāo)與實際經(jīng)驗相符，

可兼顧模擬精度和計算效率。

③關(guān)于模型驗證精度要求

本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定一維模型實測與計算最高水位之差小于30cm，與《洪

水風(fēng)險圖編制導(dǎo)則(SL483-2017)》規(guī)定的20cm相比，本標(biāo)準(zhǔn)的誤差

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允許范圍較大，這是由于實時計算模型的邊界條件更為復(fù)雜，影響實

時計算模型精度的因素眾多，故相關(guān)指標(biāo)與實際情況相符。

④關(guān)于洪水實時模擬計算耗時控制要求

本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，對于24小時洪水演進過程模擬，一維河道及河網(wǎng)

模型要求在5分鐘以內(nèi)完成，二維或一維-二維耦合模型要求在5~10

分鐘以內(nèi)完成。主編單位珠江水利委員會珠江水利科學(xué)研究院在西江

潯江段防洪保護區(qū)、珠江三角洲網(wǎng)河區(qū)、東江流域重點地區(qū)防洪保護

區(qū)等多個區(qū)域開展了洪水實時模擬，模型計算效率均可滿足上述要求。

相關(guān)指標(biāo)兼顧了先進性與成熟度，是合理可行的。

2.主要試驗（或驗證）的分析、綜述，技術(shù)經(jīng)濟論證。

選取西江潯江河段防洪保護區(qū)作為研究區(qū)域，區(qū)域范圍如圖1所

示。潯江河段防洪保護區(qū)涉及梧州、桂平、平南、藤縣和蒼梧等市（縣），

總面積約1068km2，保護區(qū)內(nèi)既有大量的村鎮(zhèn)、耕地，也有人員密集、

經(jīng)濟發(fā)達(dá)的城市。

（1）研究范圍

研究范圍內(nèi)潯江河段集水面積在500km2以上的支流主要有大湟

江、白沙河、蒙江、北流河。本項目一維河網(wǎng)模型范圍包括郁江（貴

港站以下）、黔江（武宣站以下）、潯江（郁潯江口至梧州），以及

潯江兩岸的大湟江、甘王水道、白沙河、蒙江、北流河，其余支流以

點源形式進行概化。此外，模型考慮了長洲水利樞紐的調(diào)度運行，即

通過閘壩概化的方式處理長洲水利樞紐調(diào)度規(guī)則。

研究范圍內(nèi)河道總長度約400km，一維模型共設(shè)置了473個斷面，

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斷面間距100-1000m。結(jié)合潯江沿程100年一遇最高洪水位，并增加

一定裕度，綜合確定二維模型研究范圍，共約1500km2。采用三角形

網(wǎng)格，網(wǎng)格邊長控制在20m-200m之間，總網(wǎng)格數(shù)量約30萬個。

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圖1研究范圍示意圖

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將一維-二維模型通過堤防進行側(cè)向耦合，建立潯江河段防洪保

護區(qū)漫堤及潰堤洪水演進計算模型，側(cè)向耦合邊界見圖2。

圖2一維-二維模型耦合邊界

（2）參數(shù)率定、驗證

潯江河段近30年來最大的洪水年份且洪水實測資料相對較全的

是1994年、1996年和2005年，大湟江口水文站最大洪峰流量分別

為49100m3/s、46849m3/s和41800m3/s，約相當(dāng)于20~30年一遇設(shè)計

洪峰流量。因此選用該三個場次的洪水進行率定和驗證較具有代表性。

本次模型計算選用1996年洪水進行率定，采用率定參數(shù)對1994年、

2005年洪水進行驗證。

①率定結(jié)果

1996年洪水參數(shù)率定結(jié)果見圖3。

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圖3(a)1996年洪水藤縣水位率定結(jié)果

圖3(b)1996年洪水大湟江口流量率定結(jié)果

圖3(c)1996年洪水平南流量率定結(jié)果

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圖3(d)1996年洪水藤縣流量率定結(jié)果

②模型驗證

參數(shù)率定后，采用1994年洪水和2005年洪水進行模型驗證。1994

年洪水驗證結(jié)果見圖4，2005年洪水驗證結(jié)果見圖5。驗證結(jié)果表明：

實測與計算最高水位之差小于30cm；實測與計算最大流量相對誤差

小于10%；實測與計算最大1d、3d和7d洪量相對誤差小于5%；實

測與計算洪水過程相位差小于洪水歷時5%，同時相位差應(yīng)小于1h。

綜上，模型精度滿足要求。

圖4(a)1994年洪水藤縣水位驗證結(jié)果

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圖4(b)1994年洪水大湟江口流量驗證結(jié)果

圖4(c)1994年洪水平南流量驗證結(jié)果

圖4(d)1994年洪水藤縣流量驗證結(jié)果

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圖5(a)2005年洪水大湟江口水位驗證結(jié)果

圖5(b)2005年洪水平南水位驗證結(jié)果

圖5(c)2005年洪水藤縣水位驗證結(jié)果

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圖5(d)2005年洪水大湟江口流量驗證結(jié)果

圖5(e)2005年洪水平南流量驗證結(jié)果

圖5(f)2005年洪水藤縣流量驗證結(jié)果

（3）計算效率分析

選取100年一遇洪水計算方案。使用IntelXeonCPUE5-2609v2

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@2.50GHz及專業(yè)計算顯卡TeslaK20（2496個CUDA核心，時鐘頻

率706MHz）并行計算。經(jīng)統(tǒng)計，模擬條件為15天（360小時）洪水

過程，計算耗時為0.25h，即平均1min可完成1天的洪水演進過程模

擬，滿足本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的計算耗時控制要求。

三、專利情況說明

珠江水利委員會珠江水利科學(xué)研究院是水利部珠江水利委員會

直屬副局級事業(yè)單位，為國家非營利科研機構(gòu)。2001年至今，珠科

院承擔(dān)并完成了國家、省部級重大水利科研項目200余項，獲得了

60項省部級以上科技獎勵，成為珠江流域8?。▍^(qū)）及港澳臺地區(qū)

的水利科技創(chuàng)新基地和推廣中心。珠科院自2019年8月開始著手于

《洪水實時模擬技術(shù)規(guī)程》的編制工作，先后與中國水利水電科學(xué)研

究院、中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所、長江水利委員會水文局等

單位交流調(diào)研，聽取多方意見，不斷完善本標(biāo)準(zhǔn)，最終編制完成《洪

水實時模擬技術(shù)規(guī)程》。

《洪水實時模擬技術(shù)規(guī)程》主要內(nèi)容是確定針對洪水實時模擬的

技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，以全面支撐防洪減災(zāi)實時預(yù)報預(yù)警工作。在以往的研究工

作中由于缺少針對洪水實時模擬的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，洪水模擬成果的科學(xué)性、

準(zhǔn)確性、時效性以及通用性都難以達(dá)到預(yù)期效果?，F(xiàn)珠科院通過編制

《洪水實時模擬技術(shù)規(guī)程》對洪水實時模擬中的一維模型、二維模型

等涉及到的相關(guān)技術(shù)指標(biāo)與相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進行了確定，并通過將西江潯江

河段防洪保護區(qū)、珠江三角洲網(wǎng)河區(qū)、東江流域重點地區(qū)防洪保護區(qū)

等多個區(qū)域作為研究區(qū)域進行了驗證，證實了《洪水實時模擬技術(shù)規(guī)

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程》的合理可行性。

《洪水實時模擬技術(shù)規(guī)程》將給予洪水實時模擬工作標(biāo)準(zhǔn)化的流

程和確實可行的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，減少相關(guān)工作中的不確定性，保證洪水實

時模擬的準(zhǔn)確性、可操作性與高效性。

四、與相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)系分析

1.與國際、國外同類標(biāo)準(zhǔn)水平的對比情況

美國學(xué)者BassamA.Younis與英國學(xué)者P.D.Bates等人在經(jīng)過對

于明渠流湍流與河流洪水的有限元方程的研究之后，確定了一維模型

參數(shù)率定的標(biāo)準(zhǔn)，即進行參數(shù)率定時，模擬結(jié)果的最高水位與實測水

位相差最大不得超過實測水位的10%。

可見國外標(biāo)準(zhǔn)相較于本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的一維模型計算最高水位與實

測水位之差小于30cm而言表現(xiàn)較為靈活，在河流水深較淺時允許絕

對誤差小，在河流水深較深時允許絕對誤差大。但國外標(biāo)準(zhǔn)對于水深

過大或水深過小的河流的適用性存在一定的問題，水深過大的河流允

許誤差大，參數(shù)率定的結(jié)果不一定能夠反應(yīng)真實的河道情況，水深過

小的河流誤差允許小，根據(jù)掌握的資料不一定能夠滿足參數(shù)率定工作

的要求。

同時，考慮到我國的防汛多以水位指標(biāo)作為對河道控制站點防洪

形勢判斷的直接依據(jù)。因此，對水位誤差允許范圍絕對值的規(guī)定可更

好服務(wù)于防洪減災(zāi)的實時決策與判斷。

本標(biāo)準(zhǔn)將誤差允許范圍定為30cm，是經(jīng)過反復(fù)計算驗證的結(jié)果，

無論是大江大河還是小江小河，本標(biāo)準(zhǔn)的適用性都較好，經(jīng)過參數(shù)率

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定后的計算結(jié)果也都能夠滿足計算精度要求，是符合我國河流實際情

況的允許誤差值。

2.與國內(nèi)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)調(diào)性分析

本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定一維模型計算最高水位與實測水位之差小于30cm，

與《洪水風(fēng)險圖編制導(dǎo)則(SL483-2017)》規(guī)定的20cm相比，本標(biāo)準(zhǔn)

的誤差允許范圍稍大。

對邊界條件較為復(fù)雜的情況進行模擬計算時，在經(jīng)過反復(fù)調(diào)整參

數(shù)與對比擬合情況后發(fā)現(xiàn)并不是每次都能夠滿足20cm的誤差要求，

但是誤差都能控制在30cm之內(nèi)，并且經(jīng)過參數(shù)率定后，河道糙率值

與實際情況的相符程度也較好，從最終的計算結(jié)果來看，模擬計算結(jié)

果的時間和空間精度與現(xiàn)實情況符合情況都較好，精度能夠達(dá)到預(yù)期

效果。因此將一維模型參數(shù)率定的水位誤差標(biāo)準(zhǔn)定為30cm是合理可

行的。

五、重大分歧或重難點的處理經(jīng)過和依據(jù)

1、一維河道測量斷面間距

對于寬度變化較大的河道，其測量斷面的疏密程度會有較大的改

變，而測量斷面的疏密程度會影響到模型的精度，測量斷面過密會導(dǎo)

致工作量的大大增加，測量斷面過疏會導(dǎo)致構(gòu)建的模型精度不夠。

為了使測量斷面能夠兼顧模型精度與數(shù)量的要求，充分考慮河道

中的涉水建筑物、河岸堤防的建設(shè)情況以及測量斷面間距問題，并結(jié)

合《水利水電測量規(guī)范》與《水文普通測量規(guī)范》的相關(guān)硬性要求，

確定多個測量斷面布設(shè)方案，通過比較模擬計算結(jié)果與實測資料的擬

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合情況，最終確定出既能滿足規(guī)范要求又能充分反應(yīng)現(xiàn)實河道情況的

測量斷面布設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，實現(xiàn)了在滿足模擬計算需要的同時又能夠控制住

測量斷面的數(shù)量，為相關(guān)工作的開展提供了極大的便利。

2、二維模型網(wǎng)格尺度大小

二維網(wǎng)格剖分越小，模擬計算精度往往越好，但是計算耗時也會

呈幾何倍增長，這對于洪水實時模擬是極其不利的。

為了能夠在滿足計算耗時要求的同時滿足計算精度的要求，在剖

分二維模型網(wǎng)格時，將非建成區(qū)與建成區(qū)區(qū)別開來。非建成區(qū)的重要

性要低于建成區(qū)，因此非建成區(qū)的網(wǎng)格剖分略粗于建成區(qū)網(wǎng)格，以此

為基礎(chǔ)確定多個網(wǎng)格剖分方案，通過比較模擬計算耗時與模擬計算結(jié)

果和實際情況的匹配情況，最終確定出在滿足計算精度要求情況下的

網(wǎng)格剖分標(biāo)準(zhǔn)，為洪水實時模擬工作中二維模型網(wǎng)格劃分提供了極大

的便利。

3、模型驗證精度

《洪水風(fēng)險圖編制導(dǎo)則(SL483-2017)》中對于模型驗證精度要

求為一維模型模擬計算水位與實測最高水位相差不超過20cm。對于

實時洪水的模擬，要求在較短時間內(nèi)實現(xiàn)快速模擬，同時考慮到未來

洪水量級的不確定性，無疑增加了模擬的難度。因此，經(jīng)過實際模擬

計算發(fā)現(xiàn)，由于現(xiàn)實情況邊界條件的復(fù)雜程度，要想每次都能實現(xiàn)誤

差不超過20cm的標(biāo)準(zhǔn)非常困難。

經(jīng)過多次模擬計算發(fā)現(xiàn)，將誤