水闸联合调度下河网水动力过程数值模拟研究

李 1，曾凡棠2，关洪林1，王 艳3

（1.湖北省水利水电科学研究院，武汉 430070；2.环境保护部华南环境科学研究所，广州 510655；3.武汉大学资源与环境科学学院，武汉 430079）

摘 要：在河网地区，为控制河道水体循环、改善河流水环境质量，需要越来越多的利用水闸联合调控技术。但利用数学模型精确模拟水闸控制对水动力过程影响的技术尚不成熟。利用面向对象思想和三级联解法并结合MPI和Open MP并行编程技术，开发了潮汐河网水动力模型TRNM（Tidal River Network Model）。将该模型用于珠江三角洲市桥河网，利用实测水文资料对模型进行率定后，模拟了市桥河上雁洲水闸建闸前后不同调度方案对市桥河水动力过程的影响。模拟结果与实测结果吻合良好，并行算法大大提高了模型的计算速度。

关键词：潮汐河网水动力模型；并行算法；联合调度；水闸；市桥河网；珠江三角洲

资助项目：水体污染控制与治理科技重大专项项目（2008ZX07211-10-03）、水利部公益性行业科研专项项目（201101062）共同资助。

市桥河位于珠江三角洲河网区，其水流运动受上游径流和下游潮汐的共同作用，水文变化规律十分复杂，只有采用动态的河网水动力与水质联合模型才能较准确地反映其变化特征。市桥河上游有龙湾窖水闸控制，下游正在修建雁洲水闸（图1），其水环境受人工控制显著。当前在河网模型中关于主干河道上多水闸联合调度改善河流水动力过程的研究报道还比较少。

市桥河网存在水闸、泵站以及其他各种不同类型的源与汇，为利用模型方便地描述各类水工构筑物的运行规律，在构建模型时采用面向对象的方法。面向对象的方法早期被用于模型框架的构建[1-4]，具有灵活方便的优点。

动态河网水动力模型采用三级联解算法，计算量大，为提高计算效率，本研究采取了并行算法。三级联解的河网模型要实现高效率的并行计算，需要在断面水力参数、河道递推系数、汊点衔接矩阵三级数据结构上都实现并行计算。常用的并行方法有基于MPI和Open MP两大类。基于MPI的并行计算方法可以方便地将计算任务分布至局域网上的各独立计算机上，但是在断面水力参数、河道递推系数两级数据量差异巨大，难以平衡计算负荷，而且在每个层级都需要通过消息传递命令交换中间数据，信息传递量大，易造成并行效率偏低的弊端。

采用Open MP并行方法在计算断面参数、河道递推系数时因不需要额外执行信息传递命令，效率高，适用于共享内存的计算机上并行计算，但难以扩展到网络上的多个物理计算节点[5-6]。采用Open MP与MPI并行方法相结合，可以扬长避短，保证计算效率和良好的扩展性。

本研究利用面向对象的方法对三级联解河网模型[7]进行改进，并结合计算机并行计算技术，开发了适用于潮汐河网的水动力和水质模型TRNM（Tidal River Network Model），并利用市桥河网实测数据对模型参数进行率定。模型率定后，利用其研究在不同联合调度方案下，市桥河上龙湾窖闸和雁洲闸运行对市桥河水动力过程的影响。