本發(fā)明屬于水文監(jiān)測的，具體來說，涉及一種城市河網(wǎng)水動力要素虛擬監(jiān)測方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、就監(jiān)測方式而言，傳統(tǒng)的監(jiān)測主要依靠硬件設(shè)備的布設(shè)。其中，水位監(jiān)測設(shè)備一般有壓力式和反射式，原理多為通過測量液面高度并通過基準(zhǔn)高程換算得出水位過程；流量測量目前多采用無人船搭載流速儀的方式。傳統(tǒng)水文監(jiān)測站點(diǎn)建站成本高，針對流量、水位等不同要素需要購置專門儀器進(jìn)行測量，且因位置固定，后期更換監(jiān)測點(diǎn)時安裝拆卸困難。因此，亟需充分研發(fā)應(yīng)用先進(jìn)監(jiān)測技術(shù)方法，加強(qiáng)不同應(yīng)用條件下，水文要素自動監(jiān)測技術(shù)和自動監(jiān)測裝備應(yīng)用。

2、針對不同的水文監(jiān)測對象，已相應(yīng)研發(fā)了專門測量設(shè)備。相關(guān)測量設(shè)備按照一定要求在固定點(diǎn)位進(jìn)行安裝，以獲取固定點(diǎn)位的水位、流量等要素監(jiān)測數(shù)據(jù)。常用的水位監(jiān)測儀器包括氣泡式、壓力式、浮子式、非接觸式雷達(dá)水位計等，常用的流量監(jiān)測儀器有聲學(xué)多普勒流速剖面儀、水平聲學(xué)多普勒流速剖面儀等。但是硬件設(shè)備較為昂貴，受監(jiān)測點(diǎn)建設(shè)成本限制，主要是在水位、流量變化明顯或干支流交匯處布設(shè)，無法做到河流的全覆蓋。特別是在河網(wǎng)地區(qū)，常采用某一監(jiān)測點(diǎn)水文要素監(jiān)測成果代表臨河段的總體情況，無法實(shí)現(xiàn)河道的精細(xì)化監(jiān)測。其次，水文監(jiān)測設(shè)備的監(jiān)測成果僅代表當(dāng)前時刻數(shù)據(jù)，無法對未來水位、流量等水文要素的變化趨勢進(jìn)行預(yù)報和預(yù)警。

3、現(xiàn)有也有通過水位與流量進(jìn)行模擬的，但是主要依據(jù)圣維南方程組，該方程目前無法求解得到解析解，通常采用差分的方式進(jìn)行離散求解，求解結(jié)果包括河道邊界內(nèi)部各斷面處水位、流量、流速等。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對相關(guān)技術(shù)中的問題，本發(fā)明提出一種城市河網(wǎng)水動力要素虛擬監(jiān)測方法及系統(tǒng)，以克服現(xiàn)有相關(guān)技術(shù)所存在的上述技術(shù)問題。

2、為此，本發(fā)明采用的具體技術(shù)方案如下：種城市河網(wǎng)水動力要素虛擬監(jiān)測方法，包括以下步驟：

3、獲取河網(wǎng)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和監(jiān)測數(shù)據(jù)，并建立模型數(shù)據(jù)庫；利用模型數(shù)據(jù)庫將所述基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和監(jiān)測數(shù)據(jù)按照預(yù)定的庫表結(jié)構(gòu)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化管理；

4、將河網(wǎng)描述為拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，基于所述拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)建立河網(wǎng)數(shù)學(xué)模型；按照多尺度分級將所述河網(wǎng)數(shù)學(xué)模型劃分為大尺度河網(wǎng)模型和小尺度河網(wǎng)模型，所述大尺度河網(wǎng)模型和小尺度河網(wǎng)模型構(gòu)成雙向嵌套耦合的流域-區(qū)域尺度模型；

5、以封閉流域?yàn)閱卧獦?gòu)建流域級水文動力模型，基于所述流域級水文動力模型計算得到流域邊界水位和流域邊界流量；

6、將小尺度河網(wǎng)模型按照土地利用類型劃分出對應(yīng)的出產(chǎn)流區(qū)域，分別設(shè)定對應(yīng)的產(chǎn)流量計算模式，將產(chǎn)流量與匯流量進(jìn)行有效融合實(shí)現(xiàn)小尺度河網(wǎng)模型的產(chǎn)匯流的精細(xì)化模擬，得到小尺度河網(wǎng)水動力模型；

7、將所述流域邊界水位和流域邊界流量作為邊界條件，輸入至小尺度河網(wǎng)水動力模型，利用所述水動力模型計算得到河道斷面水位和河道斷面流量，所述流域邊界水位、流域邊界流量河道斷面水位和河道斷面流量即為河網(wǎng)水動力要素。

8、在進(jìn)一步的實(shí)施例中，所述模型數(shù)據(jù)庫至少包括：模型網(wǎng)絡(luò)庫、模型邏輯庫和模型事件庫；

9、其中，所述模型網(wǎng)絡(luò)庫被設(shè)置為存儲河網(wǎng)基礎(chǔ)信息、河網(wǎng)工程信息以及河網(wǎng)地形信息；

10、所述模型邏輯庫用于存儲水利工程調(diào)度規(guī)則；

11、所述模型事件庫被設(shè)置為存儲已建水位、流量監(jiān)測站點(diǎn)歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)以及預(yù)報降雨數(shù)據(jù)。

12、在進(jìn)一步的實(shí)施例中，所述大尺度河網(wǎng)模型和小尺度河網(wǎng)模型的劃分流程包括：

13、所述拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)包括若干個節(jié)點(diǎn)和若干條邊，所述邊用于描述相鄰節(jié)點(diǎn)之間的連接關(guān)系；將河網(wǎng)內(nèi)的點(diǎn)對象定義為所述節(jié)點(diǎn)，將描述相鄰點(diǎn)對象之間連接關(guān)系的連接對象定義為邊；并將所述點(diǎn)對象和連接對象按照預(yù)定編碼形式進(jìn)行統(tǒng)一編碼；

14、將屬于四級以上河道或?qū)儆谌f畝以上圩區(qū)的點(diǎn)對象、連接對象劃分到大尺度河網(wǎng)模型，將屬于四級以下河道或?qū)儆谌f畝以下圩區(qū)的點(diǎn)對象、連接對象劃分到小尺度河網(wǎng)模型；

15、所述雙向嵌套耦合的流域-區(qū)域尺度模型的構(gòu)成方法如下：利用編碼形式將小尺度河網(wǎng)模型的外部節(jié)點(diǎn)與大尺度河網(wǎng)模型的邊界邊進(jìn)行關(guān)聯(lián)。

16、在進(jìn)一步的實(shí)施例中，所述流域級水文動力模型的表達(dá)形式如下：

17、；

18、式中，表示河道的寬度，為水位，為時間，為流量，為斷面平均流速，為距水道某固定斷面沿流程的距離，為重力加速，為過水?dāng)嗝婷娣e，為河底比降，為摩阻比降。

19、在進(jìn)一步的實(shí)施例中，所述流域邊界水位和流域邊界流量的計算過程如下：

20、；

21、式中，表示流域邊界水位或流域邊界流量，表示邊界節(jié)點(diǎn)，為加權(quán)系數(shù)，，表示時間索引，j表示空間索引，表示在空間位置和下一個時間步長的水位或流量，為空間步長，為時間步長。

22、在進(jìn)一步的實(shí)施例中，所述產(chǎn)匯流計算模式的設(shè)定如下：

23、所述產(chǎn)流區(qū)域至少包括：不透水區(qū)域、半透水區(qū)域、透水區(qū)域和水體區(qū)域；

24、對應(yīng)的，所述不透水區(qū)域的產(chǎn)流計算模式如下：

25、；式中，表示不透水區(qū)域的產(chǎn)流，表示降雨量，表示河湖蒸發(fā)量，表示植物截留量；

26、所述半透水區(qū)域的產(chǎn)流計算模式如下：

27、；式中，表示半透水區(qū)域的產(chǎn)流，表示淺層土壤的需水量；

28、所述透水區(qū)域的產(chǎn)流計算模式如下：

29、；式中，表示透水區(qū)域的產(chǎn)流，表示深層土壤的下滲量；

30、所述水體區(qū)域的產(chǎn)流計算模式如下：

31、；式中，表示水體區(qū)域的產(chǎn)流。

32、在進(jìn)一步的實(shí)施例中，所述產(chǎn)匯流的精細(xì)化模擬流程如下：

33、利用產(chǎn)流量計算模式計算得到對應(yīng)區(qū)域的產(chǎn)流量，同時判斷對應(yīng)區(qū)域內(nèi)是否為排水管網(wǎng)覆蓋區(qū)域：對于當(dāng)前區(qū)域無排水管網(wǎng)時，匯流量的計算則根據(jù)地形高程信息，從高處流向低處直至匯入到臨近河道，計算公式如下：

34、；式中，表示區(qū)域無排水管網(wǎng)的匯流量，表示粗糙系數(shù)，為水力半徑，為管道坡度，為匯流單元面積；

35、對于當(dāng)前區(qū)域存在排水管網(wǎng)時，匯流量的計算則通過雨水篦子進(jìn)入管網(wǎng)系統(tǒng)，再通過管網(wǎng)系統(tǒng)匯集到排水口與河道連接，計算公式如下：

36、；式中，表示區(qū)域存在排水管網(wǎng)的匯流量，c為匯流系數(shù)。

37、在進(jìn)一步的實(shí)施例中，所述小尺度河網(wǎng)水動力模型如下：

38、連續(xù)性方程的表達(dá)形式如下：；

39、式中，表示、均為連續(xù)性方程常系數(shù)線性方程組，具體為：

40、其中，；

41、式中，表示在空間位置、時間索引為處的水位；表示在空間位置在、時間索引為處的值；表示在空間位置的與流量相關(guān)的值；表示在空間位置、時間索引為處的流量；表示在空間位置、時間索引為處的水位；

42、動量方程的表達(dá)形式如下：；

43、式中，、、和為連續(xù)性方程常系數(shù)線性方程組，具體為：

44、；

45、式中，表示在空間位置處的空間步長；表示與動量修正系數(shù)或紊流系數(shù)相關(guān)的參數(shù)；表示與謝才系數(shù)相關(guān)的量；表示水力半徑；表示在空間位置、時間步長為處的流量。

46、一種城市河網(wǎng)水動力要素虛擬監(jiān)測系統(tǒng)用于實(shí)現(xiàn)如上所述的城市河網(wǎng)水動力要素虛擬監(jiān)測方法，包括：

47、第一模塊，被設(shè)置為獲取河網(wǎng)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和監(jiān)測數(shù)據(jù)，并建立模型數(shù)據(jù)庫；利用模型數(shù)據(jù)庫將所述基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和監(jiān)測數(shù)據(jù)按照預(yù)定的庫表結(jié)構(gòu)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化管理；

48、第二模塊，被設(shè)置為將河網(wǎng)描述為拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，基于所述拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)建立河網(wǎng)數(shù)學(xué)模型；按照多尺度分級將所述河網(wǎng)數(shù)學(xué)模型劃分為大尺度河網(wǎng)模型和小尺度河網(wǎng)模型，所述大尺度河網(wǎng)模型和小尺度河網(wǎng)模型構(gòu)成雙向嵌套耦合的流域-區(qū)域尺度模型；

49、第三模塊，被設(shè)置為以封閉流域?yàn)閱卧獦?gòu)建流域級水文動力模型，基于所述流域級水文動力模型計算得到流域邊界水位和流域邊界流量；

50、第四模塊，被設(shè)置為將小尺度河網(wǎng)模型按照土地利用類型劃分出對應(yīng)的出產(chǎn)流區(qū)域，分別設(shè)定對應(yīng)的產(chǎn)流量計算模式，將產(chǎn)流量與匯流量進(jìn)行有效融合實(shí)現(xiàn)小尺度河網(wǎng)模型的產(chǎn)匯流的精細(xì)化模擬，得到小尺度河網(wǎng)水動力模型；

51、第五模塊，被設(shè)置為將所述流域邊界水位和流域邊界流量作為邊界條件，輸入至小尺度河網(wǎng)模型，利用所述水動力模型計算得到河道斷面水位和河道斷面流量，所述流域邊界水位、流域邊界流量河道斷面水位和河道斷面流量即為河網(wǎng)水動力要素。

52、本發(fā)明的有益效果：為了能夠?qū)Χ囝愋蛿?shù)據(jù)進(jìn)行有效管理，便于數(shù)據(jù)的檢查與更新，本發(fā)明構(gòu)建了模型的三類數(shù)據(jù)庫，其中模型的網(wǎng)絡(luò)庫用于存儲模型中河網(wǎng)、河網(wǎng)工程及地形相關(guān)數(shù)據(jù)，模型邏輯庫主要用于模型中閘泵等水利工程的調(diào)度規(guī)則，模型事件庫主要用于存儲已建水位、流量監(jiān)測站點(diǎn)歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)以及預(yù)報降雨數(shù)據(jù)；并明確了庫表結(jié)構(gòu)設(shè)計。

53、利用流域級水文動力模型求解河道水位、流量時需要明確河道上下游的邊界條件，以解決目前水文監(jiān)測站點(diǎn)密度，無法全部覆蓋河網(wǎng)區(qū)河道的問題。綜合考慮模型計算效率和計算精度，本發(fā)明專利提出了流域-區(qū)域尺度模型的雙向嵌套耦合，具體地，按照統(tǒng)一的數(shù)據(jù)交互協(xié)議，將小尺度的河網(wǎng)模型外部節(jié)點(diǎn)與流域大尺度模型內(nèi)部節(jié)點(diǎn)自動匹配，在進(jìn)行小尺度模擬前，利用封閉流域的大尺度模型生成河網(wǎng)模擬的邊界條件。

54、按照土地利用類型，將基礎(chǔ)產(chǎn)匯流網(wǎng)格單元劃分為不透水區(qū)、半透水區(qū)、透水區(qū)和水體；對于每類網(wǎng)格單元設(shè)定不同的產(chǎn)流過程，分別計算產(chǎn)流量；匯流時，按照有無排水管網(wǎng)，針對每個網(wǎng)格單元，設(shè)定不同的匯流模式，逐個累計計算至河道內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了小尺度河網(wǎng)模型的產(chǎn)匯流的精細(xì)化模擬。