一种基于山洪动态演进仿真模型的灾害监测预警方法技术

本发明专利技术公开了一种基于山洪动态演进仿真模型的灾害监测预警方法，包括：根据计算区域的天然地形并考虑已建水工建筑物或者道路的位置，综合考虑地形、地貌和水利设施因素的影响，用无结构网格使计算区域离散化，对研究区域进行非结构Delaunay三角形网格剖分，实现特定区域的精细网格剖分，然后逐时段地用有限体积法对每一单元建立水量、动量和浓度平衡，确保其守恒性，用黎曼近似解计算跨单元的水量、动量的法向数值通量，保证计算精度。本发明专利技术创新性地实现了以山洪动态演进仿真模型为核心的山洪灾害监测预警、风险分析和决策支持，解决了山洪区恶劣野外环境下的山洪动态淹没模拟、演进仿真、预测预警和实时指挥调度等国内山洪灾害防治领域的重大难题。

【技术实现步骤摘要】
一种基于山洪动态演进仿真模型的灾害监测预警方法
本专利技术涉及一种基于山洪动态演进仿真模型的灾害监测预警方法，属于山洪灾害监测预警

技术介绍
我国每年因山洪灾害造成的直接经济损失约为100亿元以上，已经成为当前防灾减灾中的突出问题，是山丘区经济社会可持续发展的重要制约因素之一。通过在山洪灾害防治区部署以山洪灾害监测预警技术为核心的预测预警系统，能实时监测雨情、预报水情、发布预警、山洪态势模拟、应急反馈、灾情评估、转移群众，可极大地减轻山洪造成的严重后果。
技术实现思路
然而，当前国际上山洪灾害预警主要偏重于理论研究，真正投入实际运用的较少，国内参与山洪灾害监测预警相关研发产品功能在技术水平和功能方面还存在不足：(1)偏重于基础的雨水情数据采集和简单汇总，缺乏山洪淹没模拟、演进仿真和风险分析等先进的灾害评价手段；(2)绝大多数产品采用集总式概念性预报模型用于山丘区产汇流计算，无法适用于无资料地区的防治区域；(3)所研发的软件产品功能单一，模块化程度低，基于物理过程的模拟仿真、实时预警和科学决策调度支撑不足等。针对以上不足，本专利技术创新性地实现了以山洪动态演进仿真模型为核心的山洪灾害监测预警、风险分析和决策支持，提高了山洪灾害监测预警产品的技术水平，解决了山洪区恶劣野外环境下的山洪动态淹没模拟、演进仿真、预测预警、洪水风险分析、山洪实时预报、灾情预测分析和实时指挥调度等国内山洪灾害防治领域的重大难题，有效提升我国山洪监测预警系统信息化程度和产品技术水平，为防灾减灾提供重要技术支撑。本专利技术采用如下技术方案：一种基于山洪动态演进仿真模型的灾害监测预警方法，其特征在于，包括：根据计算区域的天然地形并考虑已建水工建筑物或者道路的位置，综合考虑地形、地貌和水利设施因素的影响，用无结构网格使计算区域离散化，对研究区域进行非结构Delaunay三角形网格剖分，实现特定区域的精细网格剖分，然后逐时段地用有限体积法对每一单元建立水量、动量和浓度平衡，确保其守恒性，用黎曼近似解计算跨单元的水量、动量的法向数值通量，保证计算精度。作为一种较佳的实施例，具体包括如下步骤：步骤SS1：建立山洪动态演进仿真模型基本控制方程；步骤SS2：对所述步骤SS1中的所述山洪动态演进仿真模型基本控制方程进行离散处理；步骤SS3：对所述山洪动态演进仿真模型的水流边界进行边界条件的分类设定，所述水流边界为：陆地边界，缓流及急流的开边界，内边界，无水与有水单元转换的动边界，湿地支流边界；其他边界条件均给定在单元的某一边。步骤SS4：根据步骤SS3中的不同的所述水流边界对方程组系显格式离散，采用逐时段迭代推进求解跨单元的水量、动量的法向数值通量。作为一种较佳的实施例，所述步骤SS1中的所述山洪动态演进仿真模型基本控制方程为：式中q＝[h,hu,hv]T为守恒物理向量,f(q)＝[hu,hu2+gh2/2,huv]T为x向的通量向量，g(q)＝[hv,huv,hv2+gh2/2]T为y向的通量向量；h为水深，u和v分别为x-和y-向的垂线平均匀流速分量；g为重力加速度，源汇项b(q)为b(q)＝[qw,gh(s0x-sfx)+qwu,gh(s0y-sfy)](2)式(2)中s0x和sfx分别为x-向的河底坡度及摩阻坡度；s0y和sfy分别为y-向的河底坡度及摩阻坡度，qw为单位时间内的净雨深；所述仿真模型中摩阻坡度sfx由曼宁公式估算，▽为梯度算子；略去已在所述仿真模型中考虑的风力、柯氏力以及涡旋力。作为一种较佳的实施例，所述步骤SS2具体包括：应用散度定理对所述山洪动态演进仿真模型基本控制方程在任意单元Ω上进行积分离散，求得FVM的基本方程式中n为单元边外法向单位向量，dω和dL为面积分微元和线积分微元，F(q)·n为法向数值通量，F(q)＝[f(q),g(q)]T；公式(3)表明法向通量的求解，可将二维问题转换为一系列局部一维问题；向量q为单元平均值，对于一阶精度则假定为常数；据此对方程(3)离散求得FVM基本方程为：其中b*(q)＝(A·b1,A·b2,A·b3)T，式中A为单元Ω的面积，m为单元边总数，Lj为单元中第j边的长度；b*(q)为源汇项，单元边法向通量简记为Fn(q)，其定义如下：Fn(q)＝cosΦ·f(q)+sinΦ·g(q)(5)不难证明，f(q)和g(q)具有坐标变换旋转不变性，即满足即式中，Φ为法向向量n与x轴的夹角(由x轴起逆时针计量)；T(Φ)和T(Φ)-1分别为坐标旋转变换矩阵及其逆阵，表达式为：可得式中由向量q变换而来，其相应的流速分量分别为法向和切向；由此可见，求解的核心是的计算；通过上述散度定理和通量旋转不变性的应用，原二维问题已转换成一系列法向一维问题，可通过解局部一维问题求得；鉴于，两相邻单元的q值可以不同，该值在两单元的公共边处可能发生间断，所述仿真模型采用黎曼问题来处理的计算；局部一维黎曼问题是一个初值问题，即：满足：轴的原点位于单元边中点其轴向与外法向一致；因此，即为该局部坐标原点处的外法向通量；和分别为向量在单元界面左右的状态，模型约定计算单元为左边而相邻单元则为右边；假定t＝0时的初始状态已知，通过解算此黎曼问题，可获得所需的原点位于时间为t＝0+的外法向数值通量记为fLR(qL,qR)。作为一种较佳的实施例，所述法向通量的估算途径包括如下三种：其一，取简单的算术平均：公共边两侧单元通量的平均或由两侧单元物理守恒量的均值计算通量其二，各种单调性格式：如全变差缩小格式(TVD)和通量输运校正格式(FCT)；其三，基于特征理论并具有逆风性的黎曼近似解：通量向量分裂格式(FVS),通量差分裂格式(FDS)和Osher格式。作为一种较佳的实施例，所述步骤SS3中的所述陆地边界设定方法为：两单元之间的公共边没有水流通过则该边称为陆地边界，所述陆地边界设定为：uR＝-uL,hR＝hL；所述陆地边界也称作闭边界。作为一种较佳的实施例，所述步骤SS3中的所述缓流及急流的开边界的设定方法为：当单元边与计算域边界或物理边界一致时，必须求解边界黎曼问题，前述三种求解内部问题的黎曼近似解Osher,FVS和FDS均可使用；此时，边界处qL为已知量，而qR为要求的未知数；qR可以根据局部流态类型(缓流或急流)和相容条件，通过选择外法向特征关系或根据指定的物理边界条件来确定；首先，缓流边界三种可能的边界条件为：第一，给定水位过程时，hR已知，可由下列关系式求得uR：第二，给定单宽流量qR过程时，可通过联解qR＝uR·hR和式(12)方程求得hR和uR；第三，给定水位-流量关系曲线时，可根据所述关系曲线及式(12)方程求得hR和uR；其中，上述边界条件中均设定vL＝vR。其次，急流边界；急流情况下，上述三种水流边界条件必须设定在计算域的某一边界(例如在一维情况下，这些边界条件只能设在上游)。作为一种较佳的实施例，所述步骤SS3中的所述内边界的设定方法为：所述山洪动态演进仿真模型中水利设施处的水流、水质计算仍处于FVM框架之下，但是法向通量的计算不能应用黎曼近似解Osher、FVS和FDS，而要采用与水利设施相应的出流公式，其通量公式慨括如下：式中：第一行是水流质量通量(即流量)，第二、第三行是水流动量通量，Qm是水工本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于山洪动态演进仿真模型的灾害监测预警方法，其特征在于，包括：根据计算区域的天然地形并考虑已建水工建筑物或者道路的位置，综合考虑地形、地貌和水利设施因素的影响，用无结构网格使计算区域离散化，对研究区域进行非结构Delaunay三角形网格剖分，实现特定区域的精细网格剖分，然后逐时段地用有限体积法对每一单元建立水量、动量和浓度平衡，确保其守恒性，用黎曼近似解计算跨单元的水量、动量的法向数值通量，保证计算精度。

【技术特征摘要】
1.一种基于山洪动态演进仿真模型的灾害监测预警方法，其特征在于，包括：根据计算区域的天然地形并考虑已建水工建筑物或者道路的位置，综合考虑地形、地貌和水利设施因素的影响，用无结构网格使计算区域离散化，对研究区域进行非结构Delaunay三角形网格剖分，实现特定区域的精细网格剖分，然后逐时段地用有限体积法对每一单元建立水量、动量和浓度平衡，确保其守恒性，用黎曼近似解计算跨单元的水量、动量的法向数值通量，保证计算精度。2.根据权利要求1所述的一种基于山洪动态演进仿真模型的灾害监测预警方法，其特征在于，具体包括如下步骤：步骤SS1：建立山洪动态演进仿真模型基本控制方程；步骤SS2：对所述步骤SS1中的所述山洪动态演进仿真模型基本控制方程进行离散处理；步骤SS3：对所述山洪动态演进仿真模型的水流边界进行边界条件的分类设定，所述水流边界为：陆地边界，缓流及急流的开边界，内边界，无水与有水单元转换的动边界，湿地支流边界；其他边界条件均给定在单元的某一边。步骤SS4：根据步骤SS3中的不同的所述水流边界对方程组系显格式离散，采用逐时段迭代推进求解跨单元的水量、动量的法向数值通量。3.根据权利要求1所述的一种基于山洪动态演进仿真模型的灾害监测预警方法，其特征在于，所述步骤SS1中的所述山洪动态演进仿真模型基本控制方程为：式中q＝[h,hu,hv]T为守恒物理向量,f(q)＝[hu,hu2+gh2/2,huv]T为x向的通量向量，g(q)＝[hv,huv,hv2+gh2/2]T为y向的通量向量；h为水深，u和v分别为x-和y-向的垂线平均匀流速分量；g为重力加速度，源汇项b(q)为b(q)＝[qw,gh(s0x-sfx)+qwu,gh(s0y-sfy)](2)式(2)中s0x和sfx分别为x-向的河底坡度及摩阻坡度；s0y和sfy分别为y-向的河底坡度及摩阻坡度，qw为单位时间内的净雨深；所述仿真模型中摩阻坡度sfx由曼宁公式估算，▽为梯度算子；略去已在所述仿真模型中考虑的风力、柯氏力以及涡旋力。4.根据权利要求2所述的一种基于山洪动态演进仿真模型的灾害监测预警方法，其特征在于，所述步骤SS2具体包括：应用散度定理对所述山洪动态演进仿真模型基本控制方程在任意单元Ω上进行积分离散，求得FVM的基本方程式中n为单元边外法向单位向量，dω和dL为面积分微元和线积分微元，F(q)·n为法向数值通量，F(q)＝[f(q),g(q)]T；公式(3)表明法向通量的求解，可将二维问题转换为一系列局部一维问题；向量q为单元平均值，对于一阶精度则假定为常数；据此对方程(3)离散求得FVM基本方程为：其中b*(q)＝(A·b1,A·b2,A·b3)T，式中A为单元Ω的面积，m为单元边总数，Lj为单元中第j边的长度；b*(q)为源汇项，单元边法向通量简记为Fn(q)，其定义如下：Fn(q)＝cosΦ·f(q)+sinΦ·g(q)(5)不难证明，f(q)和g(q)具有坐标变换旋转不变性，即满足即式中，Φ为法向向量n与x轴的夹角(由x轴起逆时针计量)；T(Φ)和T(Φ)-1分别为坐标旋转变换矩阵及其逆阵，表达式为：可得式中由向量q变换而来，其相应的流速分量分别为法向和切向；由此可见，求解的核心是的计算；通过上述散度定理和通量旋转不变性的应用，原二维问题已转换成一系列法向一维问题，可通过解局部一维问题求得；鉴于，两相邻单元的q值可以不同，该值在两单元的公共边处可能发生间断，所述仿真模型采用黎曼问题来处理的计算；局部一维黎曼问题是一个初值问题，即：满足：

【专利技术属性】
技术研发人员：马军建，熊光亚，徐青，郑建兵，余有胜，夏洲，吴宁，张平，王胜凯，景波云，王彬彬，
申请(专利权)人：南瑞集团有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏,32