洪水演進數(shù)值模擬計算中網(wǎng)格流出率的修正方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種洪水演進數(shù)值模擬計算中網(wǎng)格流出率的修正方法，包括：通過修正系數(shù)對負水深網(wǎng)格進行修正，獲得該網(wǎng)格的實際水深，克服了在以往的移動邊界計算中，經(jīng)常發(fā)生水面標高低于地面標高的情況，也就是計算后的水深變?yōu)樨撝?，即出現(xiàn)負水深網(wǎng)格，從而導致計算域內(nèi)的質(zhì)量不能保證守恒，穩(wěn)定性變差，甚至計算發(fā)散而得不到結果，直接影響到洪水演進數(shù)值計算無法順利進行的技術問題，通過引入所述修正系數(shù)λ，使當出現(xiàn)水面標高低于地面標高時，洪水演進數(shù)值模擬計算得已順利進行。
【專利說明】洪水演進數(shù)值模擬計算中網(wǎng)格流出率的修正方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種洪水演進數(shù)值模擬計算中網(wǎng)格流出率的修正方法。
【背景技術】
[0002]洪水災害是指山丘地區(qū)在強降雨影響下，短時間內(nèi)形成具有較大洪峰流量的洪水。我國地處東亞季風區(qū)，山區(qū)和丘陵地區(qū)占國土地面積的三分之二。其中，洪水災害的優(yōu)先預防面積達97萬，影響人口 1.3億。近年洪水災害造成的死亡人數(shù)占全國洪澇災害死亡人數(shù)的比例超過70%，成為造成人員傷亡的主要災種。隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，洪水災害的防治工作越來越被重視。
[0003]早先，國際通用的洪水災害的預測技術是對溝道、溝口進行實地采樣，根據(jù)有可能的災害種類和等級確定危險指數(shù)。最具代表性的是Aulitzky提出的荒溪分類及危險區(qū)制圖指數(shù)法，通過收集9種指標51個具體因子劃分出不同等級的危險區(qū)。隨著地理信息系統(tǒng)、數(shù)字高程模型、遙感和衛(wèi)星遙測等現(xiàn)代科學技術高速發(fā)展，基于平面淺水波方程的模擬方法被廣泛應用于對流域內(nèi)洪水、洪水及尤其是山洪等災害現(xiàn)象的預測和定量分析中。該方法不受模型實驗相似性理論的限制，可快速、精確的揭示災害發(fā)生的原因及過程，從而大大提高洪水等突發(fā)洪水的預見期。最常用的平面二維模擬數(shù)值方法包括有限元法、有限體積法和有限差分法。針對洪水模擬，Jin等提出了使用二階迎風格式離散動量方程的非線性對流項和二階leap-frog格式離散線性對流項模擬Nakdong流域的泛濫過程。Roger等提出一種MacCormack+TVD格式的邊界擬合數(shù)值模型,通過檢測每個時間步長下的水深是否到達干枯臨界值判定動邊界范圍。丹麥DHI水資源與環(huán)境研究院采用隱式交替方向算法開發(fā)了水動力學模擬軟件Mike21。
[0004]在面向洪水尤其是山洪災害二維數(shù)值模擬中，由于流域地形陡峭，水流量急速變化，在較大計算時間步長下的動邊界處理過程中，對流出量簡單的歸零處理往往導致負水深，造成模擬過程中的質(zhì)量與動量不守恒，最終導致計算數(shù)值不穩(wěn)定甚至計算發(fā)散而得不到結果。近年來,Satofuka和Mizuyama (2005)采用一維數(shù)值模型計算了明渠洪水對山區(qū)河床、水壩造成的影響。而Nakatani等(2008)采用二維數(shù)值模擬模型，基于洪水淹沒深度和沉降的變化對其形成的沖積扇進行了模擬計算。
[0005]由于洪水發(fā)生地的地形具有陡峭且凹凸不平的特點，因此洪水的邊界范圍、流速和水深都急劇變化。在以往的移動邊界計算中，經(jīng)常發(fā)生水面標高低于地面標高的情況，也就是計算后的水深變?yōu)樨撝怠е掠嬎阌騼?nèi)的質(zhì)量不能保證守恒，穩(wěn)定性變差，甚至計算發(fā)散而得不到結果，從而直接影響到洪水演進數(shù)值模擬計算無法順利進行。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明所要解決的技術問題是提供一種洪水演進數(shù)值模擬計算中網(wǎng)格流出率的修正方法，該修正方法解決了當出現(xiàn)水面標高低于地面標高的情況，洪水演進數(shù)值計算無法順利進行的技術問題。[0007]為了解決上述問題，本發(fā)明提供了一種洪水演進數(shù)值模擬計算中網(wǎng)格流出率的修正方法，包括:
[0008]①通過洪水高發(fā)地區(qū)的地形圖建立一計算域內(nèi)的該洪水高發(fā)地區(qū)的數(shù)字高程模型，并對所述計算域進行二維規(guī)則網(wǎng)格劃分，以建立二維規(guī)則網(wǎng)格模型及進行網(wǎng)格參數(shù)設定，建立所述二維規(guī)則網(wǎng)格模型及網(wǎng)格參數(shù)設定的方法包括:A:建立所述二維規(guī)則網(wǎng)格模型，即所述計算域按照一定空間步長(ΛΧ、ΛΥ)進行分割后得到二維規(guī)則網(wǎng)格模型，定義(i，j)為該二維規(guī)則網(wǎng)格模型中一網(wǎng)格，且該網(wǎng)格為正方形網(wǎng)格；B:網(wǎng)格參數(shù)設定，即設定該二維規(guī)則網(wǎng)格模型中任一網(wǎng)格的水深為H，且與該網(wǎng)格按X軸同方向的單寬流量M，與Y軸同方向的單寬流量N ;同時設定所述洪水演進數(shù)值計算的時間步n，以及該時間步η對應的時間步長A to
[0009]其中，所述數(shù)字高程模型，即DEM，用一組有序數(shù)值陣列形式表示地面高程的一種實體地面模型，定義(i，j)為該二維規(guī)則網(wǎng)格模型中一網(wǎng)格，所述網(wǎng)格為正方形網(wǎng)格，也稱為柵格DEM ;所述i和j的取值i=l，2，3，……，j=l，2，3，……，利用i和j來限定網(wǎng)格在所述二維規(guī)則網(wǎng)格模型中的具體位置，即網(wǎng)格(1，1)，網(wǎng)格(1，2)類似的表示形式。通過遙感影像建立一計算域內(nèi)所述洪水高發(fā)地區(qū)的數(shù)字高程模型的技術方案在現(xiàn)有技術中已經(jīng)公開，這里不再重復。
[0010]所述單寬流量:單位寬度上河流或輸水管的輸水流量，這里的單位寬度即網(wǎng)格。
[0011]所述空間步長也可以簡稱步長，針對DEM空間的分辨力，也就是網(wǎng)格的精度，一般為30M、90M兩種，就是用30*30或90*90的DEM網(wǎng)格來表示地形，當然也可以根據(jù)計算需要，另外設置相應步長，其中，ΛΧ、Λ Y分別表示該二維規(guī)則網(wǎng)格模型中一個網(wǎng)格的長、寬，這里Λ X= Λ Y。
[0012]所述時間步η為整個計算過程中的時刻間隔，即計算步，所述時間步η的取值η=1, 2，3，……;所述時間步長Λ t:相鄰兩計算步的時間間隔，對應的時間步長，一般可以去0.1s或0.01s，也可以根據(jù)計算設`置任意時間。
[0013]②通過單寬流量公式獲得所述二維規(guī)則網(wǎng)格模型中各網(wǎng)格在η+1時間步的所述單寬流量M和單寬流量N ;其方法，包括:
[0014]預設初始條件，即，在η時間步，且設定位于所述計算域的邊界上的流量輸入起始界的各邊界網(wǎng)格的初值參數(shù)，該初值參數(shù)包括:初始水深Hn,所述單寬流量M的對應流速矢量Un，以及所述單寬流量N的對應流速矢量Vn ;在所述單寬流量公式中位于所述計算域外的網(wǎng)格的初值參數(shù)與該網(wǎng)格相鄰的一邊界網(wǎng)格的初值參數(shù)相同，且位于所述計算域內(nèi)的網(wǎng)格的初值參數(shù)的相應取值為O。
[0015]以及，所述單寬流量M和單寬流量N的初始值的計算公式:
[0016]Mn=UnHn (I);
[0017]Nn=VnHn (2)；
[0018]所述單寬流量公式:
[0019]
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=U(Mn-)^At——........................^...................................!.....^
Μ~AXμ2ΔΧW..1 ,、
L-J(3);
【權利要求】
1.一種洪水演進數(shù)值模擬計算中網(wǎng)格流出率的修正方法，包括: ①通過洪水高發(fā)地區(qū)的地形圖建立一計算域內(nèi)的該洪水高發(fā)地區(qū)的數(shù)字高程模型，并對所述計算域進行二維規(guī)則網(wǎng)格劃分，以建立二維規(guī)則網(wǎng)格模型及進行網(wǎng)格參數(shù)設定，建立所述二維規(guī)則網(wǎng)格模型及網(wǎng)格參數(shù)設定的方法包括: A:建立所述二維規(guī)則網(wǎng)格模型，即所述計算域按照一定空間步長(ΛΧ、ΔΥ)進行分割后得到二維規(guī)則網(wǎng)格模型，定義(i，j)為該二維規(guī)則網(wǎng)格模型中一網(wǎng)格，且該網(wǎng)格為正方形網(wǎng)格，SP Δ X= Δ Y ； B:網(wǎng)格參數(shù)設定，即設定所述二維規(guī)則網(wǎng)格模型中任一網(wǎng)格的水深為H，且與該網(wǎng)格按X軸同方向的單寬流量M，與Y軸同方向的單寬流量N ;同時設定所述洪水演進數(shù)值計算的時間步n，以及該時間步η對應的時間步長Δ t ； ②通過單寬流量公式獲得所述二維規(guī)則網(wǎng)格模型中各網(wǎng)格在n+1時間步的所述單寬流量M和單寬流量N ;其方法，包括: 預設初始條件，即，在η時間步，且設定位于所述計算域的邊界上的流量輸入起始界的各邊界網(wǎng)格的初值參數(shù)，該初值參數(shù)包括:初始水深Hn,所述單寬流量M的對應流速矢量Un,以及所述單寬流量N的對應流速矢量Vn ;在所述單寬流量公式中位于所述計算域外的網(wǎng)格的初值參數(shù)與該網(wǎng)格相鄰的一邊界網(wǎng)格的初值參數(shù)相同，且位于所述計算域內(nèi)的網(wǎng)格的初值參數(shù)的相應取值為O ; 以及，所述單寬流量M和單寬流量N的初始值的計算公式:
【文檔編號】G06F19/00GK103559403SQ201310556360
【公開日】2014年2月5日 申請日期:2013年11月11日 優(yōu)先權日:2013年11月11日
【發(fā)明者】張馳 申請人:張馳