[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

技術領域

本發明涉及水利工程領域，尤其涉及山洪防治領域，具體為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。

背景技術

中國山丘區面積約占陸地面積的三分之二，其中山洪災害防治區面積達463萬km²，重點防治區面積97萬km²。山丘區洪水過程陡漲陡落，流速快，破壞力強，常誘發滑坡、泥石流等地質災害，危害巨大。

目前，在進行山區洪水分析計算時，主要采用水文學的方法。水文學的方法又分為兩大類，一類是是經驗公式法和推理公式法等經驗或半經驗的方法，這類方法由于形式簡單，無需實測水文資料數據，因此在我國應用較廣，但是該類方法一般用于設計領域，無法進行具體場次洪水過程的分析計算研究。另一類方法為水文模型方法，可以克服上述方法的不足，能夠模擬降雨場次洪水，但是山區小流域暴雨洪水過程陡漲陡落，對時段分辨率要求較高，再加上一些流域常缺乏實測水文數據資料，這些給常規的水文模型應用帶來很大困難。

與傳統水文方法相比，水動力方法不僅能提供流域出口處的水文過程，還能提供整個流域面上的水力要素空間分布情況，給防洪決策部門提供更多的信息；水動力方法還能夠精細化處理流域內的一些構筑物影響，能夠方便的與泥沙、污染物方程進行耦合模擬，具有很好的擴展性；另外，水動力學方法所需參數較少，通常只有一個糙率參數需要率定，而糙率參數具有明確的物理意義和廣泛的研究基礎，因此水動力學方法在山區小流域洪水過程的模擬時具有獨特的優勢。

早期的水動力模型較多采用簡化的運動波或擴散波方程模擬山區洪水運動，這類方法計算速度快，數值穩定性好，但有著明確的適用范圍，如運動波不能考慮回水影響和流態變化，并且當坡度平緩時，并不能取得很好的數值結果，極端情況下，當坡度為零時，運動波方法直接失效。完整的二維動力波方程能夠克服簡化方程的不足，但是運算效率和數值穩定性不如簡化方程。

發明內容

本發明的目的在于提供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，該方法充分發揮運動波與動力波的優勢，克服采用單一控制方程模擬山區洪水過程的缺點，充分發揮水動力模型在山區洪水過程分析計算方面的實用性，該方法適用于山區小流域洪水風險分析計算領域。

具體技術方案：

本方法為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，該方法是針對山區洪水過程陡漲陡落的特點，在非結構有限體積數值離散框架下將運動波與動力波相結合來模擬山區洪水過程，能夠準確保證整個計算過程的水量守恒，準確模擬山區流域大坡度、小水深情況下地表徑流的運動過程。

該方法充分考慮運動波與動力波各自的優勢，在非結構有限體積數值離散框架下采用二維運動波與動力波相結合的方法來模擬山區洪水過程，該方法需要的資料為山區流域地形數據、土地利用類型數據和降雨過程數據，方法具體步驟如下：

（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，溝道部分網格適當加密。采用地形數據對網格節點和網格型心進行插值，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，運動波計算時間步長選取不受CFL（Courant-Friedrichs-Lewy）條件限制，但是動力波計算時間步長受到CFL條件限制，為保證計算的同步性，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是一致的，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，然后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。