我国山区总面积占全国总面积 74.7% ，许多城市位于山地丘陵，受自然流域山洪影响较大。

        我国城市内部河道规模属于中小流域，面积一般在 1000 平方公里以内，相当于城市中心城区规模，而小流域一般在 100 平方公里以内，相当于城市的主城区规模。因集水面积较大，降雨时入城洪量较大，会对城市造成严重洪涝灾害，如 2021 年的郑州 ”7．20” 特大暴雨事件、2025 年的北京 ”25．7” 特大暴雨事件等。

        本文着重介绍中小流域城市“四预”模型选择及应用场景。

PART 01    四预工作与模型关系

        自 “十四五” 时期开始，水利部大力推动智慧水利 “四预” 工作，形成由被动应对转变为主动防御的水灾害管理系统。”十五五” 期间，智能城市、韧性城市也是重要建设方向，其中四预更是不可或缺的组成部分。”四预” 分别是预报、预警、预演和预案，每一项工作的关键都是与模型密切相关，涉及的模型包括水文模型、一维（1D）水动力模型、二维（2D）水动力模型、1D 耦合 2D 水动力模型、算法模型、经验公式算法模型等。

模型在四预工作中应用技术路线图

PART 02    “预报”模型应用

        预报是水灾害防御与应急工作体系中重要的一项，城市中小流域的预报工作关键是要快速且准确地预测河道洪水的变化演进，模型根据监测数据完成率定，且相关误差符合标准，则计算结果具有较高准确度，但是对于预报工作，预见期时效性也是相当重要，因此模型计算速度要快。

        在现行模型种类和国产化的背景下，可以快速得出未来洪水预测结果的方式主要有水文模型＋1D 水动力模型或是数据驱动模型。

水文模型 +1D 水动力模型

        水文模型主要模拟流域地表在降雨过程中地表径流的产汇流过程，包括蒸发、土壤下渗、洼地存储、坡面汇流以及使降雨落地和地表径流产生减少或延缓的各种影响过程，若有需要也可以模拟汇水区融雪水量和泥沙产出量。现行主流的水文模型是采用半分布式计算法模拟降雨 - 径流，基于降雨量序列数据及汇水区内部的特征，进行每一时刻的降雨 — 径流分析计算，产出每一块汇水区的地表径流量变化过程，作为 1D 水动力模型径流量来源。特殊模拟需求下，可以产出每一块汇水区的融雪量、产沙量等 。

水文模型所需信息种类重要性目的精度需求

        1D 水动力模型是指使用动力波算法，模拟管渠的明渠流中各种复杂的水流流动过程。该模型能在给定初始条件后处理复杂的水系拓扑结构，包括河道、闸站、堰坝和其他跨河设施，输出相关设施的流量、流速、水位等结果。

1D 模型分析所需资料汇总

        水文模型的计算速度非常快，基本在数秒内完成，水文模型 +1D 水动力模型系统的速度主要是受 1D 水动力模型影响，1D 水动力模型会因河道断面的密集程度和计算时间步长有所不同，基本可以先利用最小断面的间距从库朗系数判断合适的时间步长。根据经验，对于中长河道 (20~50km) 能够于 10 分钟内完成 24 小时的模拟计算。

数据驱动模型

        数据驱动模型主要是依赖实际观测数据或模拟数据，通过机器学习方法，如随机森林、CNN、LSTM 等，自动建立输入输出映像关系的模型体系，其核心不在于显式物理方程，而在于从数据中学习规律。

        河道洪水的模拟预测是要能够展示出各河段的水位、流量、流速的未来推演变化，所以是一种空间与时间上耦合的计算，应选取具有可以分析时间和空间关系的机器学习方法。

        数据驱动模型仰赖数据才能建成运行，而数据在城市中小河流域河道中未必能够全面性覆盖，通常是单站的形式，则需要先建设水文模型 +1D 水动力模型系统，在线下仿真各种雨情工情，形成大量的河道时空上水位、流量、流速的数据资源，再通过机器学习方法完成数据驱动模型。

        数据驱动模型计算速度非常快，数秒内可以完成未来 24 小时的河道洪水预测，但数据驱动模型的使用具有一些风险：一是数据驱动模型需要利用 GPU 运算，硬件要求较高；二是若是利用模型仿真数据建成的数据驱动模型，则模型率定工作的严谨程度要更高，否则两套数学数值计算误差迭加后会有更大的误差。

PART 03    “预演”模型应用

        预演是对典型历史事件、设计、规划或未来预报场景下的工程调度进行模拟仿真，推演出可能的风险和影响，分析工程安全运行的优化方案与限制条件。预演对模型的时空精细度要求较高，需要模型能够反映出每一个时空细节，因此预演对模型的要求是足够精细且可靠，但不用快速得出结果。

        2D 水动力模型是一种符合预演工作要求的模型系统，将细致的水系地形数据导入 2D 水动力模型，模型即可仿真各种细节点位上的过流、阻水、漫溢、回水等行为。

2D水动力模型

        2D 水动力模型主要通过数值计算模拟水流在平面（x 和 y 方向）上的运动规律，与简单的 1D 水动力模型（仅 x 方向）相比，2D 水动力模型能够更精确地刻画洪水漫溢、滩区演进以及复杂的河道形态，甚至是局部冲刷等特殊应用场景。

2D 模型分析所需资料汇总

        2D 水动力模型主要应用于洪泛的推演，因 2D 水动力模型采用全动量浅水方程，考虑了惯性项和湍流，所以也能适用于溃坝、快速波、水跃及桥墩周边复杂流况，如水流撞击桥墩后产生的收缩、分离及流速增加现象。在特殊情况下，也可以进行 2D 泥沙模拟，计算桥墩周边的河床变形，评估局部冲刷深度，以及堰坝等水利工程放水泄洪下的下游河床的冲刷坑分析。

2D 模型局部点位水流模拟