[發明專利]一種運動波與動力波相結合的山區洪水過程數值模擬方法

有效

• 申請號: 201710687209.3
• 申請日: 2017-08-09
• 公開（公告）號: CN107451372B
• 公開（公告）日: 2018-04-13
• 發明（設計）人: 張大偉;丁留謙;權錦;王志力;馬建明;呂燁;張洪斌;喻海軍;穆杰;吳濱濱
• 申請（專利權）人: 中國水利水電科學研究院
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 北京國林貿知識產權代理有限公司11001
• 代理人: 李瑾,李連生

1.一種運動波與動力波相結合的山區洪水過程數值模擬方法，其特征在于：采集山區流域地形數據、土地利用類型數據和降雨過程數據，且包括以下具體步驟：

（1）網格離散及常規參數賦值：采用三角形非結構網格離散山區流域；采用地形數據對網格節點和網格型心進行高程插值，獲取網格節點和網格型心處的高程數據；給每個網格設置糙率和初始條件；

（2）求解器屬性賦值：對每個網格進行求解器屬性賦值，賦值“0”代表該網格將采用運動波方程求解；賦值“1”代表該網格將采用動力波方程求解；

（3）確定時間步長：整套離散方法采用顯格式進行，在計算中不同屬性網格計算時采用統一的時間步長；

（4）水力要素求解：水力要素變量定義在網格單元型心，整套離散方法采用基于非結構網格Godunov格式有限體積法進行；運動波和動力波連續方程一致，均采用Roe格式求解，即由t時刻的凈雨強度值和網格單元的水力要素值計算t時刻網格單元降雨源項值和界面處的流量通量值，單元流量通量和源項求和后求出t+1時刻網格單元的水深h值；當網格屬性為“0”時，求解運動波動量方程直接給出t+1時刻x，y方向守恒變量hu和hv值，當網格屬性為“1”時，動量方程為動力波形式，由t時刻網格單元的水力要素值計算t時刻單元界面處的動量數值通量，求解地形源項和摩阻源項，單元三條邊動量通量和源項求和后求出t+1時刻x，y方向的守恒變量hu和hv的值；各網格單元t+1時刻的hu和hv值除以t+1時刻水深h值，得到t+1時刻x，y方向的流速分量u，v值；

（5）獲取t+1時刻的凈雨強度值，重復步驟（3）~（4），直至計算結束。

2.根據權利要求1所述的一種運動波與動力波相結合的山區洪水過程數值模擬方法，其特征在于：步驟（2）中在有回水影響的區域、流態復雜的區域以及地勢平緩區域，網格單元的求解器屬性賦值為“1”，采用動力波控制方程求解，其它區域賦值為“0”，采用運動波控制方程求解。

3.根據權利要求1所述的一種運動波與動力波相結合的山區洪水過程數值模擬方法，其特征在于：步驟（4）底坡項處理采用單元三個節點的高程值來直接求解單元坡度值；界面通量計算時直接采用單元中心處的水力要素值；摩阻項進行半隱式處理。

4.根據權利要求1所述的一種運動波與動力波相結合的山區洪水過程數值模擬方法，其特征在于：步驟（4）運動波和動力波方程的離散求解是統一在基于非結構有限體積方法框架下完成的。

5.根據權利要求4所述的一種運動波與動力波相結合的山區洪水過程數值模擬方法，其特征在于：基于非結構有限體積方法的統一框架，運動波方程和動力波方程均采用守恒形式，其中運動波及動力波的連續方程及其求解一致，僅根據求解器屬性值不同，選擇不同的動量方程，采用的連續方程如式（1）：

（1）

式（1）中，為水深，，分別為，方向的流速，為凈雨源項；采用Roe格式求解方法求解該連續方程；

運動波動量方程以守恒變量的形式表述：

（2）

（3）

式（2）、（3）中 h為水深，u，v分別為x，y方向的流速，和分別為三角單元在x，y方向的坡度，n為曼寧糙率系數。