[發明專利]基于正方形自適應網格的二維水文-水動力單向耦合方法

有效

• 申請號: 201810652530.2
• 申請日: 2018-06-22
• 公開（公告）號: CN108920799B
• 公開（公告）日: 2022-04-26
• 發明（設計）人: 王月玲;占車生
• 申請（專利權）人: 中國科學院地理科學與資源研究所
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20
• 代理公司: 北京眾合誠成知識產權代理有限公司 11246
• 代理人: 文芳

本發明提出了一種基于正方形自適應網格的二維水文?水動力單向耦合方法，包括：步驟1，基于分布式水文模型的正方形計算網格(M₁)，構建二維水動力模型的自適應計算網格(M₂)；步驟2，獲取分布式水文模型計算所得的小時尺度凈雨量柵格數據；步驟3，在空間尺度上，根據代數關系將M₁柵格數據轉化為M₂柵格數據；步驟4，在時間尺度上，采用插值法將小時尺度M₂柵格數據轉化為與二維水動力模型時間步長一致的秒尺度M₂柵格數據；步驟5，降尺度后的柵格數據即可作為驅動條件，輸入二維水動力模型中質量守恒方程的源項進行水動力計算。本發明保證了耦合過程中的質量守恒，確保了水循環過程的連貫性，提高了對地形/地貌變化復雜地區的模擬精度。

技術領域

本發明涉及水文模型和二維水動力模型耦合計算技術領域，特別涉及一種基于正方形自適應網格的二維水文-水動力單向耦合方法。

背景技術

基于網格的分布式水文模型是目前研究流域洪水預報的重要工具。在模型應用中，一般利用DEM生成數字流域，在每個小的子流域(或DEM網格)上應用水文模型模擬產流過程來推求徑流值，再進行匯流演算，最后求得每個子流域(或網格)出口斷面處的流量過程、峰值流量及洪水到達時間等洪水預報數據。

基于二維淺水動力學方程的水動力模型，常用于洪水過程模擬，可模擬復雜流態的動力過程，更加適用于具有突發性、水量集中、流速大等特點的暴雨洪水模擬，可反映出暴雨洪水特征值在空間和時間上的分布和動態變化。

為綜合分布式水文模型和二維水動力模型的優點，采用水文模型和水動力模型耦合的方法進行流域洪水預報。常用的耦合方法可分為單向耦合法和雙向耦合法兩類。其中，一種常用的單向耦合法是利用水文模型模擬流域的降雨產流、區域匯流和出流過程，提供區域出流過程作為水動力學模型的輸入條件，采用水動力學模型模擬河道或重點區域的洪水過程，即兩者之間通過邊界條件的銜接，實現水文模型與水動力學模型的耦合。另一種單向耦合法是水文模型和水動力模型基于同樣的矩形網格進行計算，利用水文模型計算柵格內的凈雨量，利用水動力模型讀入凈雨量進行地表徑流過程模擬，即兩者之間基于柵格尺度耦合。

實際應用和深入研究表明，通過邊界條件耦合存在一些缺點：(1)兩者在空間尺度上存在巨大差別，前者(水文模型)的計算區域為整個流域，后者(水動力模型)的計算區域為河道或流域中的某個區域；(2)兩者的空間差異導致縱向和橫向匯入后者的凈雨量無法完全通過邊界條件體現，導致整體質量不守恒；(3)兩者機制上的差異導致流域水循環過程模擬上的不連貫性。基于柵格尺度耦合存在其他缺點：(1)基于粗網格的水動力模擬，不適用于地形/地貌變化劇烈的地區。

發明內容

針對現有方法的不足，本發明針對水文-水動力單向耦合方法在空間尺度、質量守恒、連貫性和模擬精度這四個難點問題，提出一種基于正方形自適應網格的二維水文-水動力單向耦合方法。

為解決上述技術問題，本發明采用如下技術方案：

一種基于正方形自適應網格的二維水文-水動力單向耦合方法，包括以下步驟：

步驟1，基于分布式水文模型的正方形計算網格M₁(i，j)，構建二維水動力模型的自適應計算網格M₂(i，j，is，js)；

步驟2，獲取分布式水文模型計算所得的小時尺度凈雨量柵格數據；

步驟3，在空間尺度上，根據代數關系將M₁柵格數據轉化為M₂柵格數據；

步驟4，在時間尺度上，采用插值法將小時尺度M₂柵格數據轉化為與二維水動力模型時間步長一致的秒尺度M₂柵格數據；