[發明專利]基于穩定水流場的流域地表徑流匯流模擬方法及實時計算裝置

有效

• 申請號: 201711019972.5
• 申請日: 2017-10-26
• 公開（公告）號: CN107590354B
• 公開（公告）日: 2020-05-19
• 發明（設計）人: 陳軍;唐古拉;文軍;呂朝陽;劉意
• 申請（專利權）人: 成都信息工程大學;國科創（北京）信息技術有限公司
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20
• 代理公司: 北京市廣友專利事務所有限責任公司 11237
• 代理人: 張仲波;李銳

本發明提供了一種基于穩定水流場的流域地表徑流匯流模擬方法及實時計算裝置，該方法包括：S1、建立柵格模式下的N?S方程；S2、在徑流匯流模型中進行水流混合模擬；S3、利用所述S2得到的徑流匯流模型對流域內水流場進行迭代，從而獲得穩定水流場。該方法能為流域暴雨洪澇災害的快速模擬和評估提供輔助決策支持，具有較高的應用價值。

技術領域

本發明涉及水動力學、計算機仿真和GPU通用計算領域。具體涉及流域徑流匯流模擬系列關鍵技術，包括穩定水流場的建立和地表徑流匯流的GPU并行計算兩個方面。

背景技術

我國中西部地區以山地地貌居多，地處亞熱帶濕潤氣候，夏季濕潤多雨。在這種地貌以及氣候條件下，每年因強降雨誘發的山洪地質災害頻繁發生，對當地的生命和財產安全造成極大的威脅，因而通過對流域地表徑流匯流實時模擬，以完成暴雨洪澇災害的快速模擬和評估具有十分重要的意義。

徑流匯流模型是徑流匯流模擬的基礎?，F有技術可大致分為集總式模型和分布式與半分布式模型。

(1)集總式模型

集總式水文模型(Lumped Hydrologic Model)，即不考慮水文現象或要素空間分布，將整個流域作為一個整體進行研究的水文模型。 20世紀60年代至80年代，集總式水文模型得到了蓬勃的發展，其中包括新安江模型、水箱模型和SWMM模型等。

新安江模型是由河海大學的趙人俊教授提出的，其在國內有很高的知名度，同時也有較多的應用案例。該模型在產流計算時采用蓄滿產流方法，坡面匯流采用單位線法，河道匯流采用馬斯京根分河段演算法。朱炬明將新安江與SWAT和BTOPMC模型的應用比較；趙麗平等為了解決一般概念性水文模型參數率定結果不穩定的問題,以新安江模型為例，提出了新安江模型日模參數的線性化率定方法。

水箱模型又稱坦克模型，是由日本管原正巳博士于1961年提出，其把降雨轉換為徑流的復雜過程，描述為蓄水容量與流出的關系進行來模擬，其簡化了復雜的流域匯流過程，在全球范圍內都有較大的推廣。Dressman等人利用混合式的水箱模型對物質的溶解和吸收速率進行了研究；Chen等人利用分布式的水箱模型研究了稻田內降雨與徑流匯流間的相互關系。

SWMM模型是由美國環境保護署開發的暴雨洪水管理模型。模型中對各個子流域進行概化，把每個子流域作為單獨的水力學單元，每個子流域最終匯流到唯一的出水口，各個出水口通過假定的連接點進行連接。SWMM模型在地表匯流計算時，將各個部分近似看作非線性水庫來處理，最后通過聯立曼寧方程和連續方程來求解。Ren等人對 SWMM模型在霞凝港區進行了應用和研究；余嶸針對城鎮內澇問題，以陜西省漢中市某鎮為例，利用SWMM模型合成了該地區的典型降雨過程線。

(2)分布式與半分布式模型

分布式水文模型是通過水循環的動力學機制來描述和模擬流域水文過程的數學模型。分布式水文模型由于具有明確物理意義的參數結構和對空間分異性的全面反映，可以更加準確詳盡的描述和反映流域內真實的水文過程。分布式水文模型主要包括TOPMODEL模型、SHE 模型、FloodArea模型和SWAT模型等。

TOPMODEL模型是一個以地形為基礎的半分布式水文模型，由 Beven和Kirkby由1979年提出，模型的理論基礎是變動產流面積的概念，描述的是結構化水流運動。模型把全流域按DEM網格進行分塊，大的流域分又被分為若干個子流域，通過等流時線法進行匯流演算。 TOPMODEL模型應用廣泛，李抗彬等對TOPMODEL模型的蒸發產流模塊以及匯流模塊進行改進，以適應于半濕潤地區或半干旱地區的徑流過程模擬；Niu等人將TOPMODE模型集成到了全球氣候模擬模型中。