一种多尺度分层耦合的城市暴雨洪涝模拟方法技术

本发明专利技术提供一种多尺度分层耦合的城市暴雨洪涝模拟方法，包括获取洪水数据，还包括以下步骤：搭建多尺度分层耦合模拟技术架构，采用粗细两种尺度的计算单元，粗尺度计算单元称为超级网格，细尺度计算单元称为精细网格；将精细网格置于底层，将超级网格置于上层，并将超级网格和精细网格进行分层耦合；将洪水数据带入到多尺度分层耦合模拟技术架构进行模拟计算，根据区域洪涝淹没发生的情况，在超级网格和精细网格进行自动切换。本发明专利技术采用粗细两种尺度的计算单元，在非必要区域或非必要时段采用较大尺度的计算单元，仅在必要区域和必要时段切换至精细尺度的计算单元，并且粗细两种尺度计算单元进行分层耦合和实时切换。尺度计算单元进行分层耦合和实时切换。尺度计算单元进行分层耦合和实时切换。

【技术实现步骤摘要】
一种多尺度分层耦合的城市暴雨洪涝模拟方法


[0001]本专利技术涉及市政工程的
，特别是一种多尺度分层耦合的城市暴雨洪涝模拟方法。

技术介绍

[0002]当前国内外城市洪涝灾害频繁发生，城市暴雨洪涝模拟研究引起了广泛的关注和热情。国外已有一些成熟的商业模型，如SWMM、MIKE Urban、Infowork ICM等。但由于城市暴雨洪涝过程十分复杂，现有的商业模型还远不能满足实际应用需求，因此，国内外学者仍在不断研发新的模型。国外文献中常见的模型有：Bates等（2010）提出的LISFLOOD模型、Adeogun等（2015）提出的BREZO模型、Yu等（2015）提出的FloodMap
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HydroInundation2D模型、Leandro等（2016）提出的P
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DWave模型等。国内徐宗学、刘家宏、黄国如、侯精明、赵仕霖、耿艳芬、马建明、王静、喻海军等众多学者在城市暴雨洪涝模拟的原理、机制、技术和应用等方面进行了大量的研究。
[0003]暴雨洪涝灾害易发的大中型城市，建成区面积巨大，建筑密集，水文联系复杂，存在大范围建模和精细化模拟的双重需求，对城市暴雨洪涝模拟技术提出了巨大的挑战。
[0004]纵观当前国内外主流的城市暴雨洪涝模型，根据其降雨产汇流模式的不同，可以分为半分布和全分布两种模式。这两种模式各具优势，但均存在各自的技术难点和不足。
[0005]（1）半分布式模型半分布式模型的典型特征是，以子汇水区（subcatchment）为降雨产汇流计算单元。这类模型，由于产汇流计算单元（即子汇水区）的空间尺度相对较大，因此模型计算量相对较小，计算成本低，是当前学术研究和工程应用的主流模式，现有的商业模型SWMM、MIKE Urban、Infowork ICM等均是这种模式。然而，这类模型只能模拟排水系统漫溢造成的地表洪涝淹没过程，这对中小强度降雨引起的管渠溢流并造成地表洪涝淹没是有效的。地表洪涝淹没不仅仅是由排水系统漫溢造成的，更多且更严重的情况是，因为局部地形低洼或者排水能力不足，雨水汇集速度超过排水速度，超额雨水并不能进入排水系统，而是直接蓄滞在地表，并快速地向低洼地区或地下空间汇集，从而形成局部洪涝灾害。因此，这类半分布式模型，对强降雨引起的地表洪涝淹没过程的模拟，物理机制上存在一定的不足。
[0006]（2）全分布式模型全分布式模型的特征是，无需子汇水区，直接将降雨作用在地表二维模型网格上，以地表网格为降雨产汇流计算单元。这类模型将地表径流过程和洪涝淹没过程统一，这与强降雨引起的地表径流及洪涝淹没的实际过程相符，因而可以更精细地模拟地表径流和洪涝淹没过程。这类模型是当前城市暴雨洪涝模拟研究前沿热点。国外已经出现这类商业化模型FLO
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2D及其应用案例。项目申请人及团队也已经研发了一款全分布式模型DHMUrban。然而，这类全分布式模型，由于降雨产汇流需要逐网格演算，因此计算成本高，大范围应用仍然存在困难。
[0007]综上所述，现有的半分布式模型，计算成本相对较低，但不能对地表洪涝淹没过程
进行精细化模拟；全分布式模型，可以精细地模拟地表洪涝淹没过程，但计算成本高，大范围应用依然存在困难。国内外现有的模型，存在模拟精度和计算效率之间的矛盾，仍然难以满足我国大中型城市大范围建模和精细化模拟的双重需求，是当前制约我国大中型城市暴雨洪涝模拟应用的关键技术瓶颈。
[0008]2021年5月第32卷第3期的《水科学进展》公开了黄国如、陈文杰和喻海军的题目为《城市洪涝水文水动力耦合模型构建与评估》的文章，该文章为降低暴雨洪涝灾害损失，利用数值模拟方法研究城市洪涝过程，提前获取可靠的洪涝水情信息，具有重要的现实意义。根据城市洪涝过程的水文水动力学原理和方法，以SWMM 模型与自主研发的二维模型为基础，提出一、二维模型耦合的具体方法，通过水平和垂直方向的连接构建水文水动力耦合模型。研究提出基于DLL 的一、二维模型耦合策略，以垂向连接问题为理论案例，将模拟结果与InfoWorks ICM 软件结果进行对比分析，阐明该垂向连接方式的合理性。以广州市东濠涌流域为实际案例，构建了东濠涌流域城市洪涝水文水动力耦合模型，选用2场实测降雨对模型进行模拟分析，发现模型在一维排水系统排水能力和二维地表积水的模拟均具有较好的精度和可靠性。结果表明所提出的连接算法合理可行，所构建的水文水动力耦合模型具有一定的可靠性，对城市洪涝模拟分析具有较好的应用价值。该方法的缺点是降雨产汇流采用子流域计算，仍然属于半分布式模型，将降雨产汇流过程与地表淹没过程分隔开，对强降雨引起的地表洪涝淹没过程的模拟，物理机制上存在不足。
[0009]2021年7月第53卷第4期的《工程科学与技术》公开了侯精明、王俊珲、同玉、张兆安、郭敏鹏、苏峰和高徐军的题目为《基于非均匀网格的高效高精度洪涝过程模拟》的文章，该文章针对变化环境下洪涝灾害频发以及实际地形范围广泛，且通常存在狭长沟道与广阔泛洪区等问题，本文建立了一套具有层次拓扑关系的结构化非均匀网格划分模型，并与基于GPU加速的高分辨率数值模型相结合模拟地表水流动过程。高质量网格影响着模型计算精度与计算效率，非均匀网格划分技术以地形高程的梯度变化为基础设计网格划分原则，在需要高分辨率网格的计算域中检测关键地形特征以可靠地求解浅水方程，并对局部区域网格静态加密，从而在较准确捕获水位计算敏感区的同时减少计算网格数量，降低计算成本。数值模型采用Godunov格式有限体积法进行空间离散，利用TVD
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MUSCL格式将模型时间与空间精度提高至2阶，通过GPU并行技术在不降低计算精度基础上大幅提高模型运行速度。使用理想和实际案例来演示基于GPU加速的高分辨率模型在非均匀网格上的流量模拟性能，以较为准确获取洪水淹没时间及淹没面积等信息。结果表明，基于非均匀网格的高分辨率数值模型具有良好的稳定性，与均匀网格相比，在保证模拟精度的前提下，其运行速度约为均匀网格的2～3倍，计算效率在GPU加速基础上进一步提高。新模型适用于模拟复杂区域的大规模洪水演进及城市内涝过程，在实际大尺度洪水模拟中具有一定潜力。。该方法的缺点是采用单层不均匀网格，相邻网格之间的变化受到一定的限制，对计算能力和基础资料要求高，大范围暴雨洪涝过程模拟实际应用困难，仍然存在较大的技术瓶颈。

技术实现思路

[0010]为了解决上述的技术问题，本专利技术提出的一种多尺度分层耦合的城市暴雨洪涝模拟方法，采用粗细两种尺度的计算单元，在非必要区域或非必要时段采用较大尺度的计算单元，仅在必要区域和必要时段切换至精细尺度的计算单元，并且粗细两种尺度计算单元
进行分层耦合和实时切换。
[0011]本专利技术的目的是提供一种多尺度分层耦合的城市暴雨洪涝模拟方法，包括获取洪水数据，还包括以下步骤：步骤1：搭建多尺度分层耦合模拟技术架构，采用粗细两种尺度的计算单元，粗尺度计算单元称为超级网格，细尺度计算单元称为精细网格；步骤2：将所述精细网格置于底层，将所述超级本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种多尺度分层耦合的城市暴雨洪涝模拟方法，包括获取洪水数据，其特征在于，还包括以下步骤：步骤1：搭建多尺度分层耦合模拟技术架构，采用粗细两种尺度的计算单元，粗尺度计算单元称为精细网格，细尺度计算单元称为超级网格；步骤2：将所述精细网格置于底层，将所述超级网格置于上层，并将所述超级网格和所述精细网格进行分层耦合，所述分层耦合包括所述超级网格和所述精细网格在空间层面的耦合和时间层面的切换；步骤3：将所述洪水数据带入到所述多尺度分层耦合模拟技术架构进行模拟计算，根据区域洪涝淹没发生的情况，在所述超级网格和所述精细网格进行自动切换。2.如权利要求1所述的多尺度分层耦合的城市暴雨洪涝模拟方法，其特征在于，所述精细网格是指按照地表二维模型建模要求，将地表剖分成二维网格，构建地表、管网和河网完全耦合的全分布式暴雨洪涝模型。3.如权利要求2所述的多尺度分层耦合的城市暴雨洪涝模拟方法，其特征在于，所述精细网格用于未形成地表洪涝淹没区域或时段的降雨产汇流计算。4.如权利要求1所述的多尺度分层耦合的城市暴雨洪涝模拟方法，其特征在于，所述超级网格是指根据地表地形、建筑物分布、排水关系和历史洪涝发生情况将地表进行划分的计算单元，所述超级网格的尺度是所述精细网格的尺度的N倍，其中，N>1。5.如权利要求4所述的多尺度分层耦合的城市暴雨洪涝模拟方法，其特征在于，所述超级网格用于已经形成地表洪涝淹没区域和时段的降雨产汇流计算。6.如权利要求1所述的多尺度分层耦合的城市暴雨洪涝模拟方法，其特征在于，所述空间层面的耦合方法包括：（1）超级网格与内部精细网格之间的拓扑关系，即每个超级网格内部包含的精细网格的数量及编号；（2）超级网格与周边精细网格之间的拓扑关系，即每个超级网格周边相邻的精细网格的数量及编号；（3）超级网格与管网节点之间的拓扑关系，即每个超级网格径流汇入的管网节点编号及分流比例；（4）超级网格与河网节点之间的拓扑关系，即每个超级网格径流汇入的河网节点编号及分流比例。7.如权利要求1所述的多尺度分层耦合的城市暴雨洪涝模拟方法，其特征在于，所述步骤3包括在模拟计算过程中，优先采用超级网格计算降雨产汇流，并实时监控超级网格的积水深度或水量，...

【专利技术属性】
技术研发人员：张红萍，郝晓丽，刘舒，李敏，胡昌伟，臧文斌，郑敬伟，徐美，赵宏辉，柴福鑫，任汉承，彭锋，
申请(专利权)人：中国水利水电科学研究院，
类型：发明
国别省市：