洪水演进数值模拟计算中网格流出率的修正方法技术

本发明专利技术涉及一种洪水演进数值模拟计算中网格流出率的修正方法，包括：通过修正系数对负水深网格进行修正，获得该网格的实际水深，克服了在以往的移动边界计算中，经常发生水面标高低于地面标高的情况，也就是计算后的水深变为负值，即出现负水深网格，从而导致计算域内的质量不能保证守恒，稳定性变差，甚至计算发散而得不到结果，直接影响到洪水演进数值计算无法顺利进行的技术问题，通过引入所述修正系数λ，使当出现水面标高低于地面标高时，洪水演进数值模拟计算得已顺利进行。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术涉及一种，包括：通过修正系数对负水深网格进行修正，获得该网格的实际水深，克服了在以往的移动边界计算中，经常发生水面标高低于地面标高的情况，也就是计算后的水深变为负值，即出现负水深网格，从而导致计算域内的质量不能保证守恒，稳定性变差，甚至计算发散而得不到结果，直接影响到洪水演进数值计算无法顺利进行的技术问题，通过引入所述修正系数λ，使当出现水面标高低于地面标高时，洪水演进数值模拟计算得已顺利进行。【专利说明】
本专利技术涉及一种。
技术介绍
洪水灾害是指山丘地区在强降雨影响下，短时间内形成具有较大洪峰流量的洪水。我国地处东亚季风区，山区和丘陵地区占国土地面积的三分之二。其中，洪水灾害的优先预防面积达97万，影响人口 1.3亿。近年洪水灾害造成的死亡人数占全国洪涝灾害死亡人数的比例超过70%，成为造成人员伤亡的主要灾种。随着社会经济的发展，洪水灾害的防治工作越来越被重视。早先，国际通用的洪水灾害的预测技术是对沟道、沟口进行实地采样，根据有可能的灾害种类和等级确定危险指数。最具代表性的是Aulitzky提出的荒溪分类及危险区制图指数法，通过收集9种指标51个具体因子划分出不同等级的危险区。随着地理信息系统、数字高程模型、遥感和卫星遥测等现代科学技术高速发展，基于平面浅水波方程的模拟方法被广泛应用于对流域内洪水、洪水及尤其是山洪等灾害现象的预测和定量分析中。该方法不受模型实验相似性理论的限制，可快速、精确的揭示灾害发生的原因及过程，从而大大提高洪水等突发洪水的预见期。最常用的平面二维模拟数值方法包括有限元法、有限体积法和有限差分法。针对洪水模拟，Jin等提出了使用二阶迎风格式离散动量方程的非线性对流项和二阶leap-frog格式离散线性对流项模拟Nakdong流域的泛滥过程。Roger等提出一种MacCormack+TVD格式的边界拟合数值模型,通过检测每个时间步长下的水深是否到达干枯临界值判定动边界范围。丹麦DHI水资源与环境研究院采用隐式交替方向算法开发了水动力学模拟软件Mike21。在面向洪水尤其是山洪灾害二维数值模拟中，由于流域地形陡峭，水流量急速变化，在较大计算时间步长下的动边界处理过程中，对流出量简单的归零处理往往导致负水深，造成模拟过程中的质量与动量不守恒，最终导致计算数值不稳定甚至计算发散而得不到结果。近年来,Satofuka和Mizuyama (2005)采用一维数值模型计算了明渠洪水对山区河床、水坝造成的影响。而Nakatani等(2008)采用二维数值模拟模型，基于洪水淹没深度和沉降的变化对其形成的冲积扇进行了模拟计算。由于洪水发生地的地形具有陡峭且凹凸不平的特点，因此洪水的边界范围、流速和水深都急剧变化。在以往的移动边界计算中，经常发生水面标高低于地面标高的情况，也就是计算后的水深变为负值。导致计算域内的质量不能保证守恒，稳定性变差，甚至计算发散而得不到结果，从而直接影响到洪水演进数值模拟计算无法顺利进行。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是提供一种，该修正方法解决了当出现水面标高低于地面标高的情况，洪水演进数值计算无法顺利进行的技术问题。为了解决上述问题，本专利技术提供了一种，包括:①通过洪水高发地区的地形图建立一计算域内的该洪水高发地区的数字高程模型，并对所述计算域进行二维规则网格划分，以建立二维规则网格模型及进行网格参数设定，建立所述二维规则网格模型及网格参数设定的方法包括:A:建立所述二维规则网格模型，即所述计算域按照一定空间步长(ΛΧ、ΛΥ)进行分割后得到二维规则网格模型，定义(i，j)为该二维规则网格模型中一网格，且该网格为正方形网格；B:网格参数设定，即设定该二维规则网格模型中任一网格的水深为H，且与该网格按X轴同方向的单宽流量M，与Y轴同方向的单宽流量N ;同时设定所述洪水演进数值计算的时间步n，以及该时间步η对应的时间步长A to其中，所述数字高程模型，即DEM，用一组有序数值阵列形式表示地面高程的一种实体地面模型，定义(i，j)为该二维规则网格模型中一网格，所述网格为正方形网格，也称为栅格DEM ;所述i和j的取值i=l，2，3，……，j=l，2，3，……，利用i和j来限定网格在所述二维规则网格模型中的具体位置，即网格(1，1)，网格(1，2)类似的表示形式。通过遥感影像建立一计算域内所述洪水高发地区的数字高程模型的技术方案在现有技术中已经公开，这里不再重复。所述单宽流量:单位宽度上河流或输水管的输水流量，这里的单位宽度即网格。所述空间步长也可以简称步长，针对DEM空间的分辨力，也就是网格的精度，一般为30M、90M两种，就是用30*30或90*90的DEM网格来表示地形，当然也可以根据计算需要，另外设置相应步长，其中，ΛΧ、Λ Y分别表示该二维规则网格模型中一个网格的长、宽，这里Λ X= Λ Y。所述时间步η为整个计算过程中的时刻间隔，即计算步，所述时间步η的取值η=1, 2，3，……;所述时间步长Λ t:相邻两计算步的时间间隔，对应的时间步长，一般可以去0.1s或0.01s，也可以根据计算设`置任意时间。②通过单宽流量公式获得所述二维规则网格模型中各网格在η+1时间步的所述单宽流量M和单宽流量N ;其方法，包括:预设初始条件，即，在η时间步，且设定位于所述计算域的边界上的流量输入起始界的各边界网格的初值参数，该初值参数包括:初始水深Hn,所述单宽流量M的对应流速矢量Un，以及所述单宽流量N的对应流速矢量Vn ;在所述单宽流量公式中位于所述计算域外的网格的初值参数与该网格相邻的一边界网格的初值参数相同，且位于所述计算域内的网格的初值参数的相应取值为O。以及，所述单宽流量M和单宽流量N的初始值的计算公式:Mn=UnHn (I);Nn=VnHn (2)；所述单宽流量公式: ,丨厂氧U(M'' Λ^υ(Μ；\ V , =U(Mn-)^At——........................^...................................!.....^Μ~AXμ2ΔΧW..1 ,、L-J(3);【权利要求】1.一种，包括: ①通过洪水高发地区的地形图建立一计算域内的该洪水高发地区的数字高程模型，并对所述计算域进行二维规则网格划分，以建立二维规则网格模型及进行网格参数设定，建立所述二维规则网格模型及网格参数设定的方法包括: A:建立所述二维规则网格模型，即所述计算域按照一定空间步长(ΛΧ、ΔΥ)进行分割后得到二维规则网格模型，定义(i，j)为该二维规则网格模型中一网格，且该网格为正方形网格，SP Δ X= Δ Y ； B:网格参数设定，即设定所述二维规则网格模型中任一网格的水深为H，且与该网格按X轴同方向的单宽流量M，与Y轴同方向的单宽流量N ;同时设定所述洪水演进数值计算的时间步n，以及该时间步η对应的时间步长Δ t ； ②通过单宽流量公式获得所述二维规则网格模型中各网格在n+1时间步的所述单宽流量M和单宽流量N ;其方法，包括: 预设初始条件，即，在η时间步，且设定位于所述计算域的边界上的流量输入起始界的各边界网格的初值参数，该初值参数包括:初始水深Hn,所述单宽流量M的对应流速矢量Un,以及所本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种洪水演进数值模拟计算中网格流出率的修正方法，包括：①通过洪水高发地区的地形图建立一计算域内的该洪水高发地区的数字高程模型，并对所述计算域进行二维规则网格划分，以建立二维规则网格模型及进行网格参数设定，建立所述二维规则网格模型及网格参数设定的方法包括：A：建立所述二维规则网格模型，即所述计算域按照一定空间步长（ΔX、ΔY）进行分割后得到二维规则网格模型，定义（i，j）为该二维规则网格模型中一网格，且该网格为正方形网格，即ΔX=ΔY；B：网格参数设定，即设定所述二维规则网格模型中任一网格的水深为H，且与该网格按X轴同方向的单宽流量M，与Y轴同方向的单宽流量N；同时设定所述洪水演进数值计算的时间步n，以及该时间步n对应的时间步长Δt；②通过单宽流量公式获得所述二维规则网格模型中各网格在n+1时间步的所述单宽流量M和单宽流量N；其方法，包括：预设初始条件，即，在n时间步，且设定位于所述计算域的边界上的流量输入起始界的各边界网格的初值参数，该初值参数包括：初始水深Hn，所述单宽流量M的对应流速矢量Un，以及所述单宽流量N的对应流速矢量Vn；在所述单宽流量公式中位于所述计算域外的网格的初值参数与该网格相邻的一边界网格的初值参数相同，且位于所述计算域内的网格的初值参数的相应取值为0；以及，所述单宽流量M和单宽流量N的初始值的计算公式：Mn=UnHn??（1）；Nn=VnHn??（2）；所述单宽流量公式：Mi,jn+1=U(Mi,jn)-Δt[g(Hi+1,jn-Hi,jn)ΔX+U(Mi,jn)U(Mi+1,jn)-U(Mi-1,jn)2ΔX]Hi,j-1n+1---(3);Ni,jn+1=U(Ni,jn)-Δt[g(Hi+1,jn-Hi,jn)ΔY+U(Ni,jn)U(Ni,j+1n)-U(Ni,j-1n)2ΔY]Hi,j-1n+1---(4);③根据所述各网格在n+1时间步的单宽流量M和单宽流量N，建立所述各网格的水深计算式，即Hi,jn+2(ΔxΔy)=Hi,jn(ΔxΔy)+2Δt[(Mi,jn+1-Mi+1,jn+1)Δy+(Ni,jn+1-Ni,j+1n+1)Δx]---(5);其中，n+2时间步作为水深计算的起始时间步，H表示所述网格水深，表示在所述起始时间步时网格（i，j）的区域内的水深；表示在n时间步的所述网格的区域内的水深，且该时间步的水深为预设值；表示在n+1时间步的所述网格在X轴方向上流体的流入单宽流量；表示相邻网格在X轴方向上的流入单宽流量，即，所述网格在X轴方向上的流出单宽流量；表示在n+1时间步的所述网格在Y轴方向上流体的流入单宽流量；表示相邻网格在Y轴方向上的流入单宽流量，即，所述网格在Y轴方向上的流出单宽流量；④若步骤③计算出一网格的水深H小于0，即该网格为负水深网格，则引入一修正系数λ重新对该负水深网格的水量进行修正计算，直到该负水深网格修正为实际水深后，再转入步骤②通过所述单宽流量公式获得所述二维规则网格模型中各网格在下一时间步的单宽流量M和单宽流量N；其中，当一网格出现负水深时，根据负水深网格在当前时间步n的单宽流量M和单宽流量N计算出该负水深网格的流入总量和流出总量所述流入总量公式：(Qin)i,jn=2Δt(Mi,jnΔY+Ni,jnΔX)---(6);所述流出总量公式：(Qout)i,jn=2Δt(Mi+1,jnΔY+Ni,j+1nΔX)---(7);所述计算修正系数λ的公式：λi,jn+1=[Hi,jn(ΔXΔY)+(Qin)i,jn]/(Qout)i,jn---(8);并根据公式（1）、（2）、（3）、（4）、（6）、（7）修正当前负水深网格在n+1时间步的流入量和流出量得出所述负水深网格在n+2时间步的实际水深：Hi,jn+2=Hi,jn+(Qin)i,jn+1-λi,jn+1(Qout)i,jn+1ΔXΔY---(9).FDA0000411844250000023.jpg,FDA0000411844250000024.jpg,FDA0000411844250000025.jpg,FDA0000411844250000026.jpg,FDA0000411844250000027.jpg,FD...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：张驰，
申请(专利权)人：张驰，
类型：发明
国别省市：