基于正方形自适应网格的二维水文-水动力单向耦合方法技术

本发明专利技术提出了一种基于正方形自适应网格的二维水文‑水动力单向耦合方法，包括：步骤1，基于分布式水文模型的正方形计算网格(M1)，构建二维水动力模型的自适应计算网格(M2)；步骤2，获取分布式水文模型计算所得的小时尺度净雨量栅格数据；步骤3，在空间尺度上，根据代数关系将M1栅格数据转化为M2栅格数据；步骤4，在时间尺度上，采用插值法将小时尺度M2栅格数据转化为与二维水动力模型时间步长一致的秒尺度M2栅格数据；步骤5，降尺度后的栅格数据即可作为驱动条件，输入二维水动力模型中质量守恒方程的源项进行水动力计算。本发明专利技术保证了耦合过程中的质量守恒，确保了水循环过程的连贯性，提高了对地形/地貌变化复杂地区的模拟精度。

Two-dimensional hydro-hydrodynamic one-way coupling method based on square adaptive grid

The invention proposes a two-dimensional hydrodynamic and hydrodynamic one-way coupling method based on square adaptive grid, which includes: step 1, constructing adaptive computing grid (M2) of two-dimensional hydrodynamic model based on square computational grid (M1) of distributed hydrological model; step 2, obtaining the hour scale of calculation of distributed hydrological model. In step 3, M1 raster data is transformed into M2 raster data according to algebraic relationship on spatial scale; in step 4, M2 raster data on temporal scale is transformed into second scale M2 raster data on temporal scale by interpolation method, which is consistent with the time step of two-dimensional hydrodynamic model; in step 5, after scaling down, M2 raster data is transformed into second scale M2 raster data. The grid data can be used as the driving condition to input the source term of the mass conservation equation in the two-dimensional hydrodynamic model for hydrodynamic calculation. The invention guarantees the conservation of mass in the coupling process, ensures the coherence of the water circulation process, and improves the simulation accuracy of the terrain/geomorphology changing complex areas.

【技术实现步骤摘要】
基于正方形自适应网格的二维水文-水动力单向耦合方法
本专利技术涉及水文模型和二维水动力模型耦合计算
，特别涉及一种基于正方形自适应网格的二维水文-水动力单向耦合方法。
技术介绍
基于网格的分布式水文模型是目前研究流域洪水预报的重要工具。在模型应用中，一般利用DEM生成数字流域，在每个小的子流域(或DEM网格)上应用水文模型模拟产流过程来推求径流值，再进行汇流演算，最后求得每个子流域(或网格)出口断面处的流量过程、峰值流量及洪水到达时间等洪水预报数据。基于二维浅水动力学方程的水动力模型，常用于洪水过程模拟，可模拟复杂流态的动力过程，更加适用于具有突发性、水量集中、流速大等特点的暴雨洪水模拟，可反映出暴雨洪水特征值在空间和时间上的分布和动态变化。为综合分布式水文模型和二维水动力模型的优点，采用水文模型和水动力模型耦合的方法进行流域洪水预报。常用的耦合方法可分为单向耦合法和双向耦合法两类。其中，一种常用的单向耦合法是利用水文模型模拟流域的降雨产流、区域汇流和出流过程，提供区域出流过程作为水动力学模型的输入条件，采用水动力学模型模拟河道或重点区域的洪水过程，即两者之间通过边界条件的衔接，实现水文模型与水动力学模型的耦合。另一种单向耦合法是水文模型和水动力模型基于同样的矩形网格进行计算，利用水文模型计算栅格内的净雨量，利用水动力模型读入净雨量进行地表径流过程模拟，即两者之间基于栅格尺度耦合。实际应用和深入研究表明，通过边界条件耦合存在一些缺点：(1)两者在空间尺度上存在巨大差别，前者(水文模型)的计算区域为整个流域，后者(水动力模型)的计算区域为河道或流域中的某个区域；(2)两者的空间差异导致纵向和横向汇入后者的净雨量无法完全通过边界条件体现，导致整体质量不守恒；(3)两者机制上的差异导致流域水循环过程模拟上的不连贯性。基于栅格尺度耦合存在其他缺点：(1)基于粗网格的水动力模拟，不适用于地形/地貌变化剧烈的地区。
技术实现思路
针对现有方法的不足，本专利技术针对水文-水动力单向耦合方法在空间尺度、质量守恒、连贯性和模拟精度这四个难点问题，提出一种基于正方形自适应网格的二维水文-水动力单向耦合方法。为解决上述技术问题，本专利技术采用如下技术方案：一种基于正方形自适应网格的二维水文-水动力单向耦合方法，包括以下步骤：步骤1，基于分布式水文模型的正方形计算网格(M1(i,j))，构建二维水动力模型的自适应计算网格(M2(i,j,is,js))；步骤2，获取分布式水文模型计算所得的小时尺度净雨量栅格数据；步骤3，在空间尺度上，根据代数关系将M1栅格数据转化为M2栅格数据；步骤4，在时间尺度上，采用插值法将小时尺度M2栅格数据转化为与二维水动力模型时间步长一致的秒尺度M2栅格数据；步骤5，降尺度后的栅格数据即可作为驱动条件，输入二维水动力模型中质量守恒方程的源项进行水动力计算；步骤6，根据上述方法的具体计算方法如下：其中，ri,j表示基于M1的分布式水文模型计算所得的小时尺度净雨量；i，j为栅格序号；ri,j,is,js表示基于M2的二维水动力模型的小时尺度净雨量；i,j,is,js为栅格序号，其中is＝1，…，Ms；js＝1，…，Ms；Ms＝2lev；lev表示网格细分的级数；表示基于M2的秒尺度净雨量；n代表当前计算步骤；Δtn为水动力模型当前计算步骤的时间步长；3600代表一小时包含3600秒；为水动力模型质量守恒方程的源项。进一步，在所述步骤1中，此处水文模型采用均一正方形粗网格M1，水动力模型以M1作为背景网格，细分得到非均一网格M2，网格分辨率由水文网格向水动力网格以2:1的比例逐步加密，每个网格的邻居网格都可以由简单的代数关系决定。进一步，在所述步骤3中，此处Ms为变量，即不同的M1网格对应不同个M2网格，Ms的大小由细分级数决定。进一步，在所述步骤4中，此处Δtn为自适应时间步长，即二维水动力模型完成每一个时间步长后将根据水深和速度的关系重新计算下一个时间步长的大小。本专利技术的特征在于：分布式水文模型和二维水动力模型的计算网格之间存在简单代数关系；在空间尺度上两者的栅格数据之间存在代数关系；在时间尺度上采用插值法对栅格数据进行降尺度处理；降尺度处理后的净雨量栅格数据可直接输入到二维水动力模型质量守恒方程的源项。与现有技术相比，本专利技术具有以下优点和有益效果：(1)基于栅格尺度完成分布式水文模型和二维水动力模型的耦合，保证了栅格尺度上对水循环模拟的连贯性；(2)两者的计算网格之间存在简单的代数关系，在两者栅格数据之间通过代数关系转化，可保证质量守恒；(3)二维水动力模型基于自适应网格，可对地形/地貌变化剧烈的地区进行更加精确的洪水过程模拟；(4)结合二维水动力模型的自适应时间步长，采用插值法对净雨量栅格数据进行降尺度计算，确保了二维水动力模型计算的稳定性并降低了误差；(5)纵向净雨量直接输入二维水动力模型进行计算，保证了系统整体上的质量守恒。本专利技术方法基于水文模型网格和水动力模型自适应网格之间的代数关系，建立了两者之间时间/空间尺度自然匹配的代数关系，保证了耦合过程中的质量守恒，确保了水循环过程的连贯性，提高了对地形/地貌变化复杂地区(如：城市)的模拟精度。本专利技术方法还具有计算过程简单、好操作、易推广等优势。附图说明图1为本专利技术基于正方形自适应网格的二维水文-水动力耦合模拟方法的流程图图2为自适应网格划分示意图；图3为本专利技术方法具体实例中出口断面模拟流量序列和实测流量序列的对比验证示意图。具体实施方式以下通过实例，并结合附图对本专利技术的技术方案做进一步具体说明。如附图1所示，基于正方形自适应网格的二维水文-水动力单向耦合方法，包括如下步骤：步骤1，建立计算网格：基于分布式水文模型的正方形计算网格(M1(i,j))，构建二维水动力模型的自适应计算网格(M2(i,j,is,js))。如图2所示，水文模型采用均一正方形粗网格M1(i,j)，水动力区以M1作为背景网格，细分得到非均一网格M2(i,j,is,js)，其中is＝1，…，Ms；js＝1，…，Ms；Ms＝2lev；lev表示网格细分的级数。在此例中，将背景网格M1细分两级，即lev＝2，对应M1(i,j)网格的自适应网格为(i,j,1,1)、(i,j,1,2)、(i,j,2,1)、(i,j,2,2)。以此类推，实现从非水动力区的大网格向水动力区的小网格逐渐过度，从而更好的连接非水动力区和水动力区。在采用自适应网格方法的情况下，如水文模型采用200m的网格，通过局部加密，水动力模型可过度到3.125m甚至更小的网格，更有利于进行高精度计算。步骤2，数据准备：确定研究区域、所用模型和参数取值后，运行分布式水文模型计算得到小时尺度净雨量栅格数据ri,j；步骤3，数据降尺度：在空间尺度上，根据代数关系将M1栅格数据ri,j转化为M2栅格数据ri,j,is,js；水文模型采用均一正方形粗网格M1(i,j)，水动力区以M1作为基础网格，细分得到非均一网格M2(i,j,is,js)，其中is＝1，…，Ms；js＝1，…，Ms；Ms＝2lev；lev表示网格细分的级数。在此例中，将基础网格M1细分两级，即lev＝2，对应M1(i,j)网格的自适应网格为(i,j,1,1)、(本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于正方形自适应网格的二维水文‑水动力耦合模拟方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1，基于分布式水文模型的正方形计算网格(M1(i,j))，构建二维水动力模型的自适应计算网格(M2(i,j,is,js))；步骤2，获取分布式水文模型计算所得的小时尺度净雨量栅格数据；步骤3，在空间尺度上，根据代数关系将M1栅格数据转化为M2栅格数据；步骤4，在时间尺度上，采用插值法将小时尺度M2栅格数据转化为与二维水动力模型时间步长一致的秒尺度M2栅格数据；步骤5，降尺度后的栅格数据即可作为驱动条件，输入二维水动力模型中质量守恒方程的源项进行水动力计算。步骤6，根据上述方法的具体计算方法如下：

【技术特征摘要】
1.一种基于正方形自适应网格的二维水文-水动力耦合模拟方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1，基于分布式水文模型的正方形计算网格(M1(i,j))，构建二维水动力模型的自适应计算网格(M2(i,j,is,js))；步骤2，获取分布式水文模型计算所得的小时尺度净雨量栅格数据；步骤3，在空间尺度上，根据代数关系将M1栅格数据转化为M2栅格数据；步骤4，在时间尺度上，采用插值法将小时尺度M2栅格数据转化为与二维水动力模型时间步长一致的秒尺度M2栅格数据；步骤5，降尺度后的栅格数据即可作为驱动条件，输入二维水动力模型中质量守恒方程的源项进行水动力计算。步骤6，根据上述方法的具体计算方法如下：式(1)为空间降尺度(步骤3)，其中，ri,j表示基于M1的分布式水文模型计算所得的小时尺度净雨量；i，j为栅格序号；ri,j,is,js表示基于M2的二维水动力模型的小时尺度净雨量；i,j,is,js为栅格序号，其中is＝1，…，Ms；js＝1，…，Ms；Ms＝2lev；lev表示网格细分的级数，式(2)为时间降尺度(步骤4...

【专利技术属性】
技术研发人员：王月玲，占车生，
申请(专利权)人：中国科学院地理科学与资源研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11