一种基于子流域和一维有限体积单元的降雨径流模拟方法技术

本发明专利技术公开了一种基于子流域和一维有限体积单元的降雨径流模拟方法。首先对流域进行自然子流域的划分，然后采用一维有限体积单元对各子流域对应的河段进行离散，流域离散完成后采用水文学方法对各子流域进行坡面产汇流过程计算，随后按照各河段的各有限体积单元的长度权重将各子流域的汇流过程分配到各有限体积单元中，水量分配完成后可进行整个流域水系的一维水动力过程模拟。该方法可以充分发挥传统水文模型和一维水动力学模型的各自优势，不仅摆脱了对历史水文资料的依赖，并且还可提供每个有限体积单元中心位置处的水位过程和流量过程信息，为流域的降雨径流过程模拟提供了一种新的解决方法。了一种新的解决方法。了一种新的解决方法。

【技术实现步骤摘要】
一种基于子流域和一维有限体积单元的降雨径流模拟方法


[0001]本专利技术涉及水利工程领域，尤其涉及降雨径流过程模拟领域，具体为一种基于子流域和一维有限体积单元的降雨径流模拟方法。

技术介绍

[0002]我国自然灾害种类复杂多样，在所有的自然灾害灾种中，洪涝灾害是最常见同时也是造成损失最严重的灾种之一。防治洪涝灾害主要有两种手段，一种是通过修建水库、堤防等工程措施实现，另一种是通过开展洪水预报预警等非工程措施实现。洪水预报工作是用降雨过程作为输入条件，通过降雨径流模型来预报出各控制断面未来的来水过程。
[0003]当前，常用的降雨径流模型主要用的是水文学的方法，如在我国应用广泛的新安江模型、陕北模型和大伙房模型等。这类模型多属于概念性的模型，模型中的参数需要历史降雨径流资料的率定，因此，这类模型在具有历史实测水文资料的地区一般都能取得较好的结果，但是对于山丘区普遍缺乏历史水文资料的流域则很难获得理想的结果；另外，这类模型多属于集总式的模型，模型只能提供流域或子流域出口断面处的流量过程，不能提供流域或子流域内部河道沿程的洪水变化过程。
[0004]研究既能应用在有水文资料地区同时也能应用到无资料地区的通用性降雨径流模型一直是该领域的热点问题。一维水动力模型可以很好的弥补传统水文模型的缺陷，所需参数少，且具有明确物理意义，同时可以提供流域河道内每个断面处细致的水动力变化过程，近十几年发展起来的具有激波捕捉能力的Godunov格式更使得一维水动力模型的模拟能力上了一个新台阶，可以方便模拟急缓流的变化，同时严格保证水量守恒。随着测绘技术的不断进度，获取流域河道高精度地形数据变得越来越方便，这为完整的一维水动力模型在全流域降雨径流过程模拟中的使用提供了数据基础。因此，在当前形势下，探索一种将传统的水文模型与完整的基于Godunov格式的一维水动力模型融合进行流域降雨径流过程模拟的技术是非常必要的。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提供一种基于子流域和一维有限体积单元的降雨径流模拟方法，可以充分发挥传统水文模型和一维水动力学模型的各自优势，不仅适用于有历史水文资料的地区，同时也可用于无历史水文资料的地区，而且除可提供各子流域出口点处的水位和流量过程外，还可以提供子流域内部每个有限体积单元中心位置处的水位过程和流量过程。
[0006]本专利技术的目的是这样实现的：
[0007]一种基于子流域和一维有限体积单元的降雨径流模拟方法，采用自然子流域对所研究的流域进行划分，然后对每个子流域对应的河段进行一维有限体积单元的离散，每个子流域的坡面产汇流过程采用水文学方法计算，按照该子流域对应河段离散后的每个有限体积单元的长度与该对应河段长度的比值作为权重将该子流域的坡面汇流过程分配到每
个有限体积单元内，流域水系汇流过程采用完整一维水动力学方法计算。
[0008]包括以下具体步骤：
[0009]1)获取流域自身基础数据资料：包括流域地形DEM数据、各河段横断面数据、流域土地利用类型数据、流域土壤类型数据、河道床面形态数据、流域各雨量站点的场次降雨过程数据、流域水系的初始状态数据和流域出口下边界条件数据。
[0010]2)对流域进行离散划分：首先以流域地形DEM数据为基础，采用D8算法划分自然子流域；然后对各子流域对应河段进行一维有限体积离散；对流域各子流域、对应河段以及离散后的一维有限体积单元进行编号，建立流域各离散要素间对应的拓扑关系。
[0011]3)模型参数赋值和初始化：根据流域土地利用类型数据和土壤类型数据给SCS模型产流参数CN赋值；根据河道床面形态数据对各一维有限体积单元Manning糙率参数n赋值；根据流域水系的初始状态给流域各河段赋值初始水力要素值，即初始水位和初始流量值。
[0012]4)各子流域坡面产汇流过程计算：根据流域各雨量站点的点雨量过程数据采用泰森多边形方法计算获得各子流域的面雨量数据；然后采用SCS模型计算各子流域的面净雨量过程，通过水量守恒关系将各子流域面净雨量过程转换成各子流域的坡面汇流过程Q
i
(t)。
[0013]5)流域水系汇流一维水动力过程计算：由于每个子流域面积相对较小，可近似认为该子流域的坡面汇流过程为一均匀汇流过程，因此可以将对应河段的各有限体积单元的长度与该河段长度的比值作为权重对各子流域的坡面汇流过程Q
i
(t)进行分配，流域每个有限体积单元被分配水量过程后，在一维水动力模型内将作为连续方程中的源项处理，再配合流域初始条件值(即初始水位和初始流量)和流域出口处的下边界条件可对整个流域水系汇流的完整一维水动力过程进行模拟，从而获得流域各一维有限体积单元中心处的水位过程和流量过程值；
[0014]各子流域的汇流过程Q
i
(t)的分配形式如下：
[0015][0016]式中，为第i个子流域的第j个有限体积单元的入流量过程，为第i个流域中第j个有限体积单元的长度，N为第i个子流域对应河段离散的有限体积单元的总个数。
[0017]6)模型参数率定或结束计算。
[0018]进一步的优化，步骤1)中所述域地形DEM数据分辨率不低于30m；所述横断面数据断面间距不大于200m。
[0019]进一步的，步骤2)中，每个子流域的大小以不超过10km2进行控制；各有限体积单元的长度以不超过200m进行控制。
[0020]进一步的，步骤4)中所述的子流域的坡面汇流过程Q
i
(t)的计算公式如下：
[0021][0022]式中：Q
i
(t)为子流域的坡面汇流过程，R
i
(t)为子流域的面净雨量过程，F
i
为子流域面积，Δt为子流域产汇流计算时间步长，i为子流域编号。
[0023]进一步的，步骤5)中所述的一维水动力模型采用的控制方程为完整的一维Saint
‑
Venant方程组，其守恒形式如下：
[0024][0025]其中，x为空间变量，t为时间变量，D、U、F、S为方程组中各变量的向量表述，具体如下：
[0026][0027]式中：B为水面宽度，Z为水位，Q为流量，A为过水断面面积，f1和f2分别代表向量F(U)的两个分量，g为重力加速度，J为沿程阻力坡度，其表达式为J＝(n2Q|Q|)/(A2R
4/3
)，R为水力半径，n为Manning糙率系数，q
r
为单位长度河道内的集中入流量。采用具有激波捕捉能力的HLL格式的有限体积法离散上述Saint
‑
Venant方程组构建一维水动力模型。
[0028]进一步的，步骤6)的具体过程为：如果流域内有实测的典型断面的水位过程或流量过程数据，可对模型计算参数进行进一步率定，如果计算结果与实测结果比较后未满足精度要求，可返回步骤3)调整模型参数CN和n，直到获取满意的计算结果后结束计算；如果流域内没有实测的历史水文数据来率本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于子流域和一维有限体积单元的降雨径流模拟方法，其特征在于：采用自然子流域对所研究的流域进行划分，对每个子流域对应的河段进行一维有限体积单元的离散，首先对每个子流域的坡面产汇流过程进行计算，然后按照该子流域对应河段离散后的每个有限体积单元的长度与该对应河段长度的比值作为权重将该子流域的坡面汇流过程分配到每个有限体积单元内，最后进行整个流域水系的一维水动力过程模拟；具体步骤如下：1)获取流域自身基础数据资料：包括流域地形DEM数据、各河段横断面数据、流域土地利用类型数据、流域土壤类型数据、河道床面形态数据、流域各雨量站点的场次降雨过程数据、流域水系的初始状态数据和流域出口下边界条件数据；2)对流域进行离散划分：首先以流域地形DEM数据为基础，采用D8算法划分自然子流域；然后对各子流域对应河段进行一维有限体积离散；对流域各子流域、对应河段以及离散后的一维有限体积单元进行编号，建立流域各离散要素间对应的拓扑关系；3)模型参数赋值和初始化：根据流域土地利用类型数据和土壤类型数据给SCS模型产流参数CN赋值；根据河道床面形态数据对各一维有限体积单元Manning糙率参数n赋值；根据流域水系的初始状态给流域各河段赋值初始水力要素值，所述初始水力要素值包括初始水位和初始流量值；4)各子流域坡面产汇流过程计算：根据流域各雨量站点的点雨量过程数据采用泰森多边形方法计算获得各子流域的面雨量数据；然后采用SCS模型计算各子流域的面净雨量过程R
i
(t)，再通过水量守恒关系将各子流域的面净雨量过程转换成各子流域的坡面汇流过程Q
i
(t)；其中i为子流域编号，t为时间变量；5)流域水系汇流一维水动力过程计算：将每个子流域对应河段的各有限体积单元的长度与该河段长度的比值作为权重对各子流域的坡面汇流过程Q
i
(t)进行分配，流域每个有限体积单元被分配水量过程后，在一维水动力模型内将作为连续方程中的源项处理，再配合流域初始条件值和流域出口处的下边界条件对整个流域水系汇流的完整一维水动力过程进行模拟，从而获得流域各一维有限体积单元中心处的水位过程和流量过程值；各子流域的坡面汇流过程Q
i
(t)的分配形式如下：式中，为第i个子流域的第...

【专利技术属性】
技术研发人员：张大伟，王义成，权锦，毕吴瑕，林文青，王忠祥，
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：