[發明專利]一維水動力模型和二維水動力模型的耦合方法及系統

在審

• 申請號: 202011134216.9
• 申請日: 2020-10-21
• 公開（公告）號: CN112257352A
• 公開（公告）日: 2021-01-22
• 發明（設計）人: 夏潤亮;李濤;王敏;金錦;朱敏;劉啟興;李斌;俞彥;楊無雙;馮興凱;李冰;吳丹;郝臻;薛陽茹;焦莉華
• 申請（專利權）人: 黃河水利委員會黃河水利科學研究院
• 主分類號: G06F30/28
• 分類號: G06F30/28;G06F17/13
• 代理公司: 北京細軟智谷知識產權代理有限責任公司 11471
• 代理人: 譚承世

本發明涉及一種一維水動力模型和二維水動力模型的耦合方法及系統，包括構建一維水動力模型；一維水動力模型包括一維河網水流數學模型；構建二維水動力模型模擬地表二維淺水流動；根據一維水動力模型和二維水動力模型，針對多種河流斷面形態進行對應的一二維水動力模型耦合方式。本發明采用一維與二維耦合的水動力學模型，可以充分考慮城鎮建筑物及樹木等植物對洪水傳播的影響，根據河道一維流動，湖泊二維流動特性，將不同尺度、不同維度的水動力學模型進行耦合，開展不同洪水頻率下的洪水影響程度與范圍模擬和預測。實現城市水情形勢可感知，結合上游傳感儀器采集水位信息，結合閘壩調度達到削減下泄洪峰流量，實現洪水資源化的目標。

技術領域

本發明屬于水動力學分析技術領域，具體涉及一種一維水動力模型和二維水動力模型的耦合方法及系統。

背景技術

相關技術中，一維、二維模型間耦合方式有多種，已有研究大體上可分為側向耦合、重疊耦合與邊界搭接耦合。側向耦合與重疊耦合適用于河網與其旁側洪泛區的聯合模擬，或者河網整體框架下局部終點關注地區的水流細節模擬。而邊界搭接耦合，為一維、二維計算域在各自的計算邊界處實現搭接耦合。

根據耦合連接方法的差異，又可分為直接求解法、特征方程求解法、互賦邊界迭代法。直接求解多采用有限元離散，在離散方程組層面進行矩陣整體裝配求解，能嚴格滿足耦合連接條件，但缺點是不易擴展至有限差分法和有限體積法，不利于利用現有模型，特征方程求解法在耦合連接處顯式離散求解一維、二維特征方程。并利用求得的耦合連接處水位或流量作為邊界條件對一維、二維計算域進行求解，其缺點是特征方程求解結果和一維、二維模型的求解結果之間往往存在差異，從而使耦合連接條件無法得到滿足；互賦邊界迭代法在一維、二維模型間根據已知解互相提供邊界條件，交替計算以實現整體求解，但互相提供的邊界條件存在時間滯后性，使耦合連接條件無法得到滿足，即使對互賦邊界條件過程進行迭代，其是否收斂尚無定論；有學者提出在耦合邊界處構造一虛擬的重疊計算水域，以限制時間滯后邊界條件引起的誤差傳播，但仍無法徹底避免耦合連接處一維、二維計算結果不一致的缺陷。

發明內容

有鑒于此，本發明的目的在于克服現有技術的不足，提供一種一維水動力模型和二維水動力模型的耦合方法及系統，以解決現有技術中一維水動力與二維水動力模型在進行耦合時存在缺陷的問題。

為實現以上目的，本發明采用如下技術方案：一種一維水動力模型和二維水動力模型的耦合方法，包括：

構建一維水動力模型；所述一維水動力模型包括一維河網水流數學模型；

構建二維水動力模型，用于模擬地表二維淺水流動；

根據所述一維水動力模型和二維水動力模型，針對多種河流斷面形態進行對應的一二維水動力模型耦合方式。

進一步的，所述一維河網水流數學模型，包括：

采用圣維南方程組作為河道非恒定流控制方程，包括水流連續方程和水流運動方程：

水流連續方程：

水流運動方程：

其中，x為里程(m)；t為時間(s)；Z為水位(m)；B為過水斷面水面寬度(m)；Q為流量(m³/s)；q為側向單寬流量(m²/s)，正值表示流入，負值表示流出；A為過水斷面面積(m²)；g為重力加速度(m/s²)；u為斷面平均流速；β為校正系數；R為水力半徑；c為謝才系數，n為曼寧糙率系數。

進一步的，所述二維水動力模型，包括：

連續性方程為：

x方向動量方程為：

y方向動量方程為：