一种滨海城市洪水灾害的高分辨率快速模拟方法技术

本发明专利技术公开了一种滨海城市洪水灾害的高分辨率快速模拟方法，属于海岸灾害防护领域

【技术实现步骤摘要】
一种滨海城市洪水灾害的高分辨率快速模拟方法


[0001]本专利技术涉及海岸灾害防护领域，尤其涉及一种滨海城市洪水灾害的高分辨率快速模拟方法
。

技术介绍

[0002]滨海城市常常受到台风
、
风暴潮
、
海啸等极端灾害的影响，这些灾害不仅会造成人员伤亡和财产损失，还会对城市的生态环境和社会经济发展产生深远的影响
。
[0003]随着遥感和雷达技术的不断发展，高分辨率
DEM
（数字高程模型）数据已渐渐成为研究滨海城市防灾减灾的重要工具
。DEM
数据可以提供海岸线
、
海拔高度和地形等重要信息，这些信息对于预测滨海城市淹没情况具有重要意义
。
然而，由于计算成本的限制，现有的海岸淹没模型仍多采用中等尺度的网格（百米级）进行模拟，因此常常会忽略掉城市中街道
、
建筑物等地貌特征，导致模拟结果不够准确
。
城市中分布的建筑物对水流的影响不可忽视
。
建筑物会占据一定的水体体积，同时对于水流也会产生阻滞作用，从而影响水流的速度和方向
。
因此，在滨海城市洪水预报模拟时，如何充分考虑高分辨率的地貌影响，同时保证计算效率，是本专利技术主要解决的技术问题
。

技术实现思路

[0004]本专利技术为了解决现有滨海城市淹没模拟技术在考虑了街道和建筑物等高分辨率地貌的情况下，难以兼顾计算效率的问题，提出了一种滨海城市洪水灾害的高分辨率快速模拟方法，以解决上述问题
。
[0005]为解决上述问题，本专利技术提供以下技术方案：一种滨海城市洪水灾害的高分辨率快速模拟方法，包括以下步骤：
S1
：确定目标区域，收集目标区域的水深
、
城市
DEM
数据；
S2
：对步骤
S1
所得数据划分网格，搭建滨海城市洪水二维模型，建立边界条件和初始条件；
S3
：基于二维浅水方程，引入孔隙率概念，构建考虑建筑物所占水体体积的质量守恒方程；
S4
：基于二维浅水方程，通过建筑物分布及高程数据，计算每个网格内水流对建筑物的拖曳力，构建考虑拖曳力的动量守恒方程；
S5
：基于改进的浅水方程，对目标区域的洪水到达时间，淹没水深，淹没范围以及淹没时长进行数值模拟，进行洪水淹没风险预测
。
[0006]优选的，步骤
S1
所述城市
DEM
数据的分辨率要保证可以刻画城市中街道以及建筑物详细地貌信息
。
[0007]优选的，步骤
S3
所述考虑建筑物所占水体体积的质量守恒方程为：，
式中，为孔隙率，为水位，
P
和
Q
分别为
x
和
y
方向上的流量，
t
是时间；所述孔隙率的定义如下：在每个计算网格内都包括若干个高程数据点，若陆地高程高于该网格的水位，则记为干点，反之则为湿点，湿点数量与总的高程数据点的比值即为该网格对应的孔隙率
。
[0008]优选的，步骤
S4
所述的考虑拖曳力的动量守恒方程，计算公式如下：，，式中，
H
为水深，为水体黏性引起的剪切应力，为底部摩阻应力，为建筑物引起的拖曳力
。
[0009]优选的，所述建筑物引起的拖曳力计算公式如下：，，其中为结构物阻力系数，代表单个网格内所有的建筑物在
x
和
y
方向上的投影面积，代表计算网格的尺寸，代表单个网格内所有建筑物的平均高度，代表该拖曳力作用的水深
。
[0010]优选的，所述建筑物在
x
和
y
方向上的投影面积以及建筑物的平均高度，计算公式如下：，，，式中为每个网格内存在的建筑物数量，代表单个网格内所有的建筑物在
x
和
y
方向上的投影面积，代表第
i
个建筑物在
x
和
y
方向上的投影面积，为第
i
个建筑物所处位置的坐标，为第
i
个建筑物的高度，代表单个网格内所有建筑物的平均高度
。
[0011]本专利技术的有益效果为：本专利技术针对目前沿海城市地区的风暴潮洪水灾害模拟难以兼顾模拟效率和模拟分辨率的问题，创新性的对传统二维浅水方程进行改进，提出了一种滨海城市洪水灾害的高分辨率快速模拟方法
。
[0012]本专利技术在采用中等尺度网格进行滨海城市淹没模拟时，可以充分利用高分辨率的地形数据，能够快速准确的模拟风暴潮等极端灾害下滨海城市的淹没范围，淹没水深以及
淹没到达时间等关键指标
。
[0013]本专利技术通过考虑建筑物的影响，能够更加真实地还原洪水过程，为应对滨海城市面临的风暴潮等灾害提供更快速
、
可靠的预测和决策支持，以提高城市洪水风险预警的准确性
。
[0014]城市中建筑物对水体产生的影响主要分为两部分，一是建筑物会占据一部分水体体积，二是建筑物的存在对水流有阻滞作用，本专利技术公开的模拟方法考虑既考虑了高分辨率下建筑物的影响，又实现了洪水预报的高效性和可靠性，为应对滨海城市面临的洪水灾害提供更快速
、
可靠的预测和决策支持
。
[0015]本专利技术可以提供洪水风险评估
、
预警和决策支持，帮助规划城市防洪措施以及应对沿海城市面临的风暴潮等灾害
。
附图说明
[0016]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图
。
[0017]图1为本专利技术公开的滨海城市洪水灾害的高分辨率快速模拟方法流程示意图；图2为实施例中模拟区域的水深地形图，横纵坐标（
X,Y
）表示二维平面空间，单位为米（
m
），横坐标表示二维平面内
X
方向的距离，纵坐标表示海拔高度，颜色栏代表水深值，单位为米（
m
）；其中（
a
）为模拟区域的二维水深图，黑色虚线框内即为建筑物分布区域，
O1
‑
O4
为观测点位置；（
b
）为模拟区域的水深剖面图
。
具体实施方式
[0018]下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚
、
完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例
。
基于本专利技术中的实施例，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种滨海城市洪水灾害的高分辨率快速模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1
：确定目标区域，收集目标区域的水深
、
城市
DEM
数据；
S2
：对步骤
S1
所得数据划分网格，搭建滨海城市洪水二维模型，建立边界条件和初始条件；
S3
：基于二维浅水方程，引入孔隙率概念，构建考虑建筑物所占水体体积的质量守恒方程；
S4
：基于二维浅水方程，通过建筑物分布及高程数据，计算每个网格内水流对建筑物的拖曳力，构建考虑拖曳力的动量守恒方程；
S5
：基于改进的浅水方程，对目标区域的洪水到达时间，淹没水深，淹没范围以及淹没时长进行数值模拟，进行洪水淹没风险预测
。2.
根据权利要求1所述的滨海城市洪水灾害的高分辨率快速模拟方法，其特征在于，所述步骤
S1
中的城市
DEM
数据的分辨率要保证可以刻画城市中街道以及建筑物详细地貌信息
。3.
根据权利要求1所述的滨海城市洪水灾害的高分辨率快速模拟方法，其特征在于，所述步骤
S2
中的边界条件包括但不限于，目标区域在经受台风
、
风暴潮或海啸极端事件时的水位
、
波浪条件，以及目标区域的天文潮位
。4.
根据权利要求1所述的滨海城市洪水灾害的高分辨率快速模拟方法，其特征在于，所述步骤
S3
中，考虑建筑物所占水体体积的质量守恒方程为：，式中，为孔隙率，为水位，
P
和
Q
分别为
...

【专利技术属性】
技术研发人员：梁丙臣，张婧，武国相，蔡锋，戚洪帅，刘建辉，曹超，
申请(专利权)人：自然资源部第三海洋研究所，
类型：发明
国别省市：