1、基于GIS的分布式洪水干旱预报系统2017年10月25日水利部信息中心侯爱中清华大学胡宏昌中国水管理历史悠久中国水管理历史悠久大禹治水现实需求现实需求洪洪水水干干旱旱水水质质泥泥沙沙防汛抗旱水资源水环境防汛抗旱水资源水环境中国水模型 设想National Water Model of China尺寸尺寸(m)栅格数二进制栅格数二进制10,0009.6*1042171,0009.6*1062241009.6*108230109.6*1010237基于网格的基础数据 高程数据 坡度数据 流向数据 土地利用类型 土壤类型1、构建一套基于网格的尺度可变的水文预报基础数据库全国高程数据全国土地利用类型分2、布图全国土壤类型分布图总体目标总体目标自然河流 50平方公里以上 45203条人类活动 水库 水电站 闸坝 渠道2、构建一套考虑人类活动影响的水流网络数据库分段 自然河段 工程影响 计算需要河段属性 河长 坡度 断面形状 堤顶高程 特征水位山洪沟 50平方公里以下总体目标总体目标3、建立网格、子流域与水流网络之间的拓扑关系National Elevation DatasetNational Hydrography DatasetNational Land Cover DatasetWatershed Boundary DatasetNHDPlus总体目标总体目标水文水力学方程 彭曼公式 Ric3、hards方程 曼宁公式 圣维南方程 水量平衡 对流-扩散方程4、构建一套分布式水文水力学通用模型库模块化 蒸散发 坡面产流 坡面汇流 河道汇流 工程调度流域水文模型 新安江 GBHM TOPKAPI VIC 经验模型总体目标总体目标5、构建与水文计算网格相匹配的网格化降雨等气象产品10 km grid spacing1 km grid spacing总体目标总体目标6、实现全国范围高精度的水文影响预报和风险预警Runoff Streamflow Flow Routing ModelImpact Forecast and Risk WarningWeather model and foreca4、stsRunoff Generation ModelPrecipitation Weather Catchment-level forecasts总体目标总体目标National Elevation DatasetDem Derived DatasetNational Survey DatasetWatershed Boundary DatasetNational Hydrography DatasetPlus（1）子流域划分及编码技术）子流域划分及编码技术关键技术关键技术（2）分布式产汇流模型及风险图技术）分布式产汇流模型及风险图技术5.Channel&ReservoirRoutingMod5、ulesStreamflow Data Assimilation4.CatchmentAggregation 2.Runoff Generation1.Forcing Engine3.Terrain RoutingModule2-way couplingForecastProductsFlood Risk Map关键技术关键技术（3）高性能并行计算技术）高性能并行计算技术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关键技术关键技术核心问题核心问题水循环模型水循环模型降水大气水土壤水地下水地表水蒸发雨量站雷达测雨降雨预报Euler方程墒情站遥感反演土壤水计算Richards方程水文站水位站水库站地下水站重力卫星地下水流动D7、arcy方程河道演进 洪水泛滥一、二维圣维南方程水量平衡方程时空变异性时空变异性空间变异性之不同深度土壤特性空间变异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饱和导水率45-8、91mm饱和导水率91-166mm饱和导水率166-289mm饱和导水率289-493mm饱和导水率493-829mm饱和导水率 Richards方程方程根据根据Darcy定律、连续方程推导定律、连续方程推导 考虑基质势和重力势，对于各向同性介质：考虑基质势和重力势，对于各向同性介质：Richards方程为二阶偏微分方程方程为二阶偏微分方程(PDE)，一般采用数值方法求解，一般采用数值方法求解土壤水运动基本方程土壤水运动基本方程)(KtzKzyKyxKxtzyx)()()(zKzKzyKyxKxtmmm)()()()(Richards方程求解方法方程求解方法 定解问题：定解问题：Richard9、s方程方程 边界条件边界条件 初始条件初始条件 求解方法：求解方法：解析法、半解析法：特殊情况，简化解析法、半解析法：特殊情况，简化 数值方法：有限差分、有限体积、有限元数值方法：有限差分、有限体积、有限元土壤水运动基本方程土壤水运动基本方程0 1 .k-1 k k+1.M t 0 1 .i-1 i i+1 .N z zi zi+1 差分网格 tk+1 zKKzDDtkikikikikikikikikiki2/12/1212/112/11)()()(ikiikiikiihcba11111网格产流坡面汇流河网汇流网格产流坡面汇流河网汇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预报系统方案构建与模型计算分布式洪水干旱预报系统方案构建与模型计算初步成果初步成果 系统主要功能系统主要功能 基于网格的产流计算基于网格的产流计算干旱干旱模拟预报模拟预报 基于子流域的汇流计算基于子流域的汇流计算洪水洪水模拟预报模拟预报 河道洪水演进河道洪水演进洪水洪水影响影响预报预报 水库闸坝调度水库闸坝调度水利水利工程工程影响影响初步成果初步成果 系统产品系统产品 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）不同深度土壤相对湿度（不同深度土壤相对湿度（10公分、公分、20公分、公分、30公分、公11、分、40公分）公分）单点土壤水分剖面随时间变化过程单点土壤水分剖面随时间变化过程 不同时刻地下水埋深不同时刻地下水埋深 不同时刻地表径流深不同时刻地表径流深 河道洪水演进动态河道洪水演进动态 任一子流域流量过程任一子流域流量过程 水库出入库以及水位变化过程水库出入库以及水位变化过程任一点不同深度土壤含水量任一点不同深度土壤含水量任一点土壤水分剖面任一点土壤水分剖面土壤相对湿度指数干旱评估土壤相对湿度指数干旱评估径流深径流深地下水蓄变量地下水蓄变量任一子流域流量过程任一子流域流量过程河道洪水演进动态河道洪水演进动态三维水面淹没场景三维水面淹没场景10/26/2017谢谢，欢迎提问谢谢，欢迎提问侯爱中侯爱中