一种地下水模型与二维水动力模型松散耦合的方法技术

本发明专利技术涉及一种地下水模型与二维水动力模型松散耦合的方法，具体步骤包括：1、构建二维水动力模型；2、在云平台使用超级计算机进行水动力模型的并行模拟计算；3、构建地下水模型；4、根据水动力模型结果计算洪水地下水补给量；5、根据地下水模型与水动力模型的时间、空间耦合关系，将洪水地下水补给量输入地下水模型；6、补充地下水模型的其他补给项、排泄项，完成地下水耦合模拟。本发明专利技术克服了地下水模型与水动力模型耦合中存在的模拟效率不同、时间步长不一致的问题，建立了水动力

【技术实现步骤摘要】
一种地下水模型与二维水动力模型松散耦合的方法


[0001]本专利技术属于水利数值模拟领域，具体涉及一种地下水模型与二维水动力模型松散耦合的方法。

技术介绍

[0002]地下水主要接受地表水补给，地表水的范围、水深常处于充满不确定性的变化过程中，如果忽略这种变化，直接进行地下水模拟，会导致模拟结果与实际情况存在比较大的偏差，因此，需进行地表水与地下水耦合模拟，以提高地下水模拟的准确性。
[0003]目前，模拟地表水变化的常用数值模型有水文模型、水动力模型；为提高地表水模型的准确性，水文水动力耦合模型、一维二维水动力耦合模型得到了广泛应用，已有较多技术成果；为提高地下水模拟的准确性，也有许多水文模型与地下水模型耦合的技术成果，但水动力模型与地下水模型进行耦合的相关技术较少。
[0004]地下水模型与水动力模型耦合的实现存在两大难点，一是两个模型的模拟效率不同，水动力模型模拟耗时通常以天为单位，而地下水模型模拟耗时通常只需要几分钟，水动力模型完成地下水模型同样时长的模拟耗时太长，阻碍模型耦合的实现；二是两个模型的时间步长不一致，水动力模型的时间步长通常为几秒，难以与地下水模型以天为单位的时间步长进行耦合。

技术实现思路

[0005]针对地下水模型与水动力模型耦合中存在的模拟效率不同、时间步长不一致的问题，本专利技术的目的在于提供一种地下水模型与二维水动力模型松散耦合的方法，以提高地下水模拟的准确性。
[0006]为解决现有技术问题，本专利技术采取的技术方案为：
[0007]一种地下水模型与二维水动力模型松散耦合的方法，包括以下步骤：
[0008]S1、构建二维水动力模型，用于模拟地表二维水流运动，反映地表水(洪水)的存在区域及在各个区域的停留时间，即洪水演进过程；
[0009]S2、设置水动力模型的并行数，在云平台使用超级计算机进行水动力模型的并行模拟计算；
[0010]S3、构建地下水数值模型，用于模拟地下水的变化；
[0011]S4、根据地下水模型与水动力模型的时空耦合关系构建耦合模型，并完成对地下水位的准确模拟。
[0012]作为改进的是，步骤S1中所述的二维水动力模型是指采用非结构化三角形或四边形网格的水动力模型，具体步骤如下：
[0013]S1.1根据实测或遥感数据，分析地表高程及地表形态，综合确定模型的模拟区域；
[0014]S1.2将模型的模拟区域剖分成非结构化网格，并将河道处的网格加密；
[0015]S1.3将地表高程数据及模型的边界条件输入模型，即可。
[0016]作为改进的是，步骤S2中在云平台使用超级计算机进行水动力模型的并行模拟计算，具体步骤如下：
[0017]S2.1通过远程控制软件，连接云平台的超级计算机，并在超级计算机上安装水动力模拟软件构建二维水动力模型；
[0018]S2.2根据云平台的计算机性能以及模型的网格数量，综合确定模型的并行数；
[0019]S2.3将并行数输入水动力模型后，在超级计算机上完成水动力模型的并行模拟计算。
[0020]作为改进的是，步骤S3中构建地下水数值模型的步骤如下：
[0021]S3.1根据地形、地质及地下水流场数据综合确定模型的侧向边界及各边界的类型；
[0022]S3.2根据模拟区域的水文地质图、钻孔资料对含水层进行概化；
[0023]S3.3根据气象资料、水文地质资料、灌溉资料对模型的补给项、排泄项进行概化，补给项、排泄项的最小时间步长为天。
[0024]作为改进的是，步骤S4构建耦合模型的具体操作如下：
[0025]S4.1分析洪水下渗过程，将下渗过程简化，构建由洪水淹没时长、淹没面积及下渗率计算洪水地下水补给量的计算公式：
[0026]W
补给G
＝f(t,f
c
(t),S(t))
[0027]其中，W
补给G
为整场洪水持续期间的洪水地下水补给量，t为时间，f
c
(t)为随时间变化的下渗率，S(t)为随时间变化的洪水淹没面积；
[0028]S4.2分析二维水动力模型的结果文件，直接从中读取洪水持续总天数K
max
；
[0029]S4.3分析二维水动力模型的结果文件，按海伦公式计算洪水淹没面积，当二维水动力模型的网格为非结构化四边形时，网格面积计算公式如下：
[0030][0031]若有2个顶点坐标的水深大于0，则四边形网格处于淹没状态；
[0032]当二维水动力模型的网格为非结构化三角形网格时，面积计算公式如下：
[0033][0034]对于三角形网格，若有1个顶点坐标的水深大于0，则认为该网格处于淹没状态；其中，i表示一个被淹没的网格，s
i
(t)为t时刻第i个网格的面积，p
i
(t)、a
i
(t)、b
i
(t)、c
i
(t)、d
i
(t)为第i个网格t时刻的中间量，为t时刻第i个网格的顶点坐标；
[0035]t时刻的总淹没面积由下式计算：
[0036][0037]其中，N为t时刻处于淹没状态的网格总数；
[0038]S4.4以某一时刻T的淹没情况代表该天的淹没情况，则可由步骤S4.1、步骤S4.2、步骤S4.3得到下式，以计算模拟期内全域逐日的洪水地下水补给量，建立地下水模型与二维水动力模型的时间耦合关系：
[0039][0040]其中，K表示洪水持续天数的顺序，为第K天的洪水地下水补给量；f
cK
(T)为第K天T时刻的下渗率，单位为mm/d；S
K
(T)为第K天的洪水淹没面积；
[0041]S4.5对于某一模拟区域，f
c
(T)可由经验值或现场试验求得，则由步骤S4.1、步骤S4.2、步骤S4.4得到整场洪水持续期间的洪水地下水补给量计算公式：
[0042][0043]其中，W
补给G
为整场洪水持续期间的洪水地下水补给量，K
max
为洪水持续总天数，为洪水地下水补给量的最大值，等于包气带的体积乘以给水度；
[0044]S4.6根据步骤S1中的模型，选来水量最大的几年按步骤S2中的方法进行洪水模拟，根据模拟结果，选出淹没范围最广的一年，分析其结果文件；提取结果文件中所有节点每天T时刻(与S4.4步骤中所取时刻相同)的水深数据，将水深大于零、小于零的节点淹没属性分别设置为1、0，用ArcGIS的空间插值工具，按节点的淹没属性进行插值，得到K
max
个逐日淹没范围栅格文件；用空间分析工具中的Raster calculator工具，将K
max
个淹没范围栅格文件相加，得到一个淹没天数栅格文件；
[0045]S4.7使用空间分析工具中的Reclassify工具对淹没天数栅格文本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种地下水模型与二维水动力模型松散耦合的方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、构建二维水动力模型，用于模拟地表二维水流运动；S2、设置水动力模型的并行数，在云平台使用超级计算机进行水动力模型的并行模拟计算；S3、构建地下水数值模型，用于模拟地下水的变化；S4、根据地下水模型与水动力模型的时空耦合关系构建耦合模型，并完成对地下水位的准确模拟。2.根据权利要求1所述的一种地下水模型与二维水动力模型松散耦合的方法，其特征在于，步骤S1中所述的二维水动力模型是指采用非结构化三角形或四边形网格的水动力模型，具体步骤如下：S1.1根据实测或遥感数据，分析地表高程及地表形态，综合确定模型的模拟区域；S1.2将模型的模拟区域剖分成非结构化网格，并将河道处的网格加密；S1.3将地表高程数据及模型的边界条件输入模型，即可。3.根据权利要求1所述的一种地下水模型与二维水动力模型松散耦合的方法，其特征在于，步骤S2中在云平台使用超级计算机进行水动力模型的并行模拟计算，具体步骤如下：S2.1通过远程控制软件，连接云平台的超级计算机，并在超级计算机上安装水动力模拟软件，构建二维水动力模型；S2.2根据云平台的计算机性能以及模型的网格数量，综合确定模型的并行数；S2.3将并行数输入水动力模型后，在超级计算机上完成水动力模型的并行模拟计算。4.根据权利要求1所述的一种地下水模型与二维水动力模型松散耦合的方法，其特征在于，步骤S3中构建地下水数值模型的步骤如下：S3.1根据地形、地质及地下水流场数据综合确定模型的侧向边界及各边界的类型；S3.2根据模拟区域的水文地质图、钻孔资料对含水层进行概化；S3.3根据气象资料、水文地质资料、灌溉资料对模型的补给项、排泄项进行概化，补给项、排泄项的最小时间步长为天。5.根据权利要求1所述的一种地下水模型与二维水动力模型松散耦合的方法，其特征在于，步骤S4构建耦合模型的具体操作如下：S4.1分析洪水下渗过程，将下渗过程简化，构建由洪水淹没时长、淹没面积及下渗率计算洪水地下水补给量的计算公式：W
补给G
＝f(t,f
c
(t),S(t))其中，W
补给G
为整场洪水持续期间的洪水地下水补给量，t为时间，f
c
(t)为随时间变化的下渗率，S(t)为随时间变化的洪水淹没面积；S4.2分析二维水动力模型的结果文件，直接从中读取洪水持续总天数K
max
；S4.3分析二维水动力模型的结果文件，按海伦公式计算洪水淹没面积，当二维水动力模型的网格为非结构化四边形时，网格面积计算公式如下：
若有2个顶点坐标的水深大于0，则四边形网格处于淹没状态；当二维水动力模型的网格为非结构化三角形网格时，面积计算公式如下：对于三角形网格，若有1个顶点坐标的水深大于0，则认为该网格处于淹没状态；其中，i表示一个被淹没的网格，s
i
(t)为t时刻第i个网格的面积，p
i
(t)、a
i
(t)、b
i
(t)、c
i
(t)、d
i
(t)为第i个网格t时刻的中间量，为t时刻第i个网格的顶点坐标；t时刻的总淹没面积由下式计算：其中，N为t时刻处于淹没状态的网格总数；S4.4以某一时刻T的淹没情况代表该天的淹没情况，则可由步骤S4.1、步骤S4.2、步骤S4.3得到下式，以计算模拟期内全域逐日的洪水地下水补给量，建立地下水模型与二维水动力模型的时间耦合关系：其中，K表示洪水持续天数的顺序，为第K天...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘吟，王丹，蒋云钟，张双虎，陈汉栋，
申请(专利权)人：江苏开放大学江苏城市职业学院，
类型：发明
国别省市：