前言：水利专业模型作为数字孪生灌区的算法核心，其通过融合气象数据、水文数据、水质数据、地理空间数据、工程设计参数、水工调度规则等多源异构数据，进行分析迭代计算，不仅科学而系统得感知和揭示了整个灌区的水文、水动力、水质等众多物理量指数，还映射出灌区丰富的水动力、物理化学、生物动力、传热学等变化，为数据库和应用平台提供多物理量多维时空同一的数据，以响应灌区实体在虚拟场景中的空间运动和变化规律。根据灌区的实际的管理需求，为灌区构建水利专业模型库，其包括灌区洪水预报模型、灌区配水演进模型、灌区水质预测模型。

1、灌区洪水预报模型

汛期暴雨水量入流灌区时常造成漫渠现象，其严重威胁灌区水工程以及沿线村镇居民、农作物安全。灌区洪水预报模型以产汇流模型和水动力模型为核心，集合灌区降雨预报数据、植被覆盖数据、土壤数据、地形高程数据、水文监测数据、工程设计参数，分析预测整个灌区渠系存在暴雨漫渠的风险段，实时预报重要防御渠段的水位、流量，为后续的预警和洪水调度提供依据。

灌区洪水预报模型支持方案模拟和在线模拟，其中方案模拟支持界面人机交互调整降雨的量、设计频率降雨值、入流量值、出水水位值等边界条件，从而实现多种方案的预测；在线模拟支持通过数据接口的方式对接雷达面降雨数据、降雨站点监测数据、水位流量数据，进行实时预报，并将监测数据和预报数据实时展示在GIS平台上。为减小在线模拟的误差，宜采用数据同化技术，将实时监测数据作为同化数据源，对每次迭代计算的初始场进行数据同化，实现物理世界和虚拟世界的同步运行，仿真模拟。

产汇流模型应解决降雨时空分布不均、产流不均等问题，尽可能考虑降雨-截留-产流-汇流全过程的物理机制，充分反应全过程的自然规律属性，宜使用精细化网格数值预报模型。同时，产流模型应充分考虑该地区的产流机制，湿润或半湿润地区宜选择蓄满产流，干旱或半干旱地区宜选择超渗产流，产流公式可选择霍顿下渗公式、GREEN-AMPT模型，径流需考虑地面径流、壤中流等；坡面汇流和河道汇流宜选择一维水动力或二维水动力。

2、灌区配水演进模型

灌区配水演进模型为数字孪生灌区的重要手段之一，它可以实时对灌区的配水过程进行时空同步仿真运行，管理员可以通过少量的水位流量监测设备，获得整个灌区水情态势的发展和数据细节，数据细节包括灌区任何一个断面的水位、流速、流量等数据；同时，当管理员进行开关阀操作后，模型能自动采集闸门的开度以及闸前水位，自动调整模型运行的参数，实现开关闸阀后的动态配水演进。

灌区配水演进模型支持方案模拟和在线模拟，其中方案模拟支持界面人机交互设置调度规则、入流量值、出水水位值等边界条件，从而实现多种调度方案的预测；在线模拟支持通过数据接口的方式对接水位流量监测数据、闸阀监测数据，进行实时同步模拟，并将监测数据和计算结果数据实时展示在GIS平台上。为减小在线模拟的误差，宜采用数据同化技术，将实时监测数据作为同化数据源，对每次迭代计算的初始场进行数据同化，实现物理世界和虚拟世界的同步运行，仿真模拟。

灌区配水演进模型的技术原理应基于水动力方程组和水工流量方程组，模型搭建的范围应包括水源地、干渠、支渠，涉及的基础数据包括灌区的渠系拓扑关系、闸堰位置及设计参数、渠系水下地形及设计参数，监测数据应包括水位、流量、闸阀开度等，并且模型端提供的数据接口能很好兼容现有平台。

3、灌区水质预测模型

灌区作为我国经济作物最重要的供水手段，其供水水质对经济作物的生长有着重要的影响，掌握灌区水质变化的态势对灌区水资源管理有着重要的意义。灌区水质预测模型基于灌区配水演进模型之上，增加水质计算模块，分析评估灌区水质时空演变以及水质污染扩散情况。管理员可以借助水质预测模型，判断突发污染产生的影响，包括污染影响的范围、时间以及程度。

灌区水质预测模型支持在线模拟和方案模拟，在线模拟指流量、污染物含量等实时监测数据，实时进入水动力水质算法模块求解，实时得到水质的时空分布与浓度；方案模拟指操作员可通过界面人机交互的形式输入污染物种类、污染物含量、来水来流条件等边界信息，进行污染事件的模拟，从而指导预警预案。在线模拟宜考虑数据同化的手段，保证在线模拟的精度。

水质模型内在机理相对复杂，在耦合水动力过程的基础上，需要综合考虑水质的对流-扩散过程、沉淀-再悬浮过程、生化反应、气象(日照、温度)等因素。常用的理论方程包括物质输运方程、对流-扩散-反应方程等。

　                                                                                                　（转载自知乎隔壁张叔叔）