基于雙層異步迭代策略的水動(dòng)力學(xué)洪水演進(jìn)模擬方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了基于雙層異步迭代策略的水動(dòng)力學(xué)洪水演進(jìn)模擬方法，用和數(shù)字高程模型同分辨率的柵格數(shù)據(jù)表示洪水?dāng)?shù)據(jù)，采用雙層異步迭代算法模擬實(shí)際的水流過(guò)程；其中，外層迭代過(guò)程通過(guò)給定的迭代步長(zhǎng)確定洪水演進(jìn)時(shí)刻，內(nèi)層迭代過(guò)程通過(guò)對(duì)比柵格流向相鄰柵格所用的時(shí)間和柵格迭代步長(zhǎng)的大小關(guān)系，確定柵格各自的內(nèi)層迭代步長(zhǎng)，從而實(shí)現(xiàn)迭代次數(shù)的自適應(yīng)選擇，迭代計(jì)算各柵格的斷面水量，并通過(guò)設(shè)定輸出洪水形態(tài)的時(shí)間間隔，動(dòng)態(tài)繪制洪水演進(jìn)圖。采用FloodArea軟件、均一化迭代算法以及本發(fā)明提供的方法分別對(duì)福建省萬(wàn)安流域暴雨洪水歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬，結(jié)果表明本發(fā)明模擬的結(jié)果與實(shí)際災(zāi)情的吻合度最高，能有效提升洪水演進(jìn)模擬精度。
【專利說(shuō)明】基于雙層異步迭代策略的水動(dòng)力學(xué)洪水演進(jìn)模擬方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及基于雙層異步迭代策略的水動(dòng)力學(xué)洪水演進(jìn)模擬方法，屬于地理信息系統(tǒng)的虛擬地理環(huán)境研究領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]由于洪澇災(zāi)害頻繁發(fā)生、破壞力強(qiáng)且難以預(yù)測(cè)，模擬和預(yù)報(bào)洪水演進(jìn)過(guò)程成為了一項(xiàng)重要的研究任務(wù)。目前，模擬和預(yù)報(bào)洪水演進(jìn)過(guò)程的方法主要有水文模型法、數(shù)值模擬法以及水動(dòng)力學(xué)建模法等，前兩類方法都需要以復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)，而水動(dòng)力學(xué)建模算法則較為簡(jiǎn)單，但需要進(jìn)行大量計(jì)算，而這一問(wèn)題隨著計(jì)算機(jī)性能的逐步提高得到了解決，因此，基于GIS柵格數(shù)據(jù)的水動(dòng)力學(xué)洪水演進(jìn)模型越來(lái)越成為學(xué)者們的研究熱點(diǎn)。目前該方面的研究主要集中在兩個(gè)方向:一是基于特定的地形地貌特征，對(duì)水動(dòng)力學(xué)洪水演進(jìn)模型做精簡(jiǎn)，使其能夠更加便捷地運(yùn)用到該類地形區(qū)域當(dāng)中。如Bates and De Roo針對(duì)河道內(nèi)洪水和河漫灘洪水演進(jìn)的不同特征分別利用一維運(yùn)動(dòng)波和二維擴(kuò)散波對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化；Hagen et al基于阿富汗的地形特征提出了一種簡(jiǎn)化的水動(dòng)力學(xué)洪水演進(jìn)模型,使其能夠在災(zāi)害突發(fā)時(shí)更好地運(yùn)用。二是完善模型，建立更為精準(zhǔn)的洪水演進(jìn)模型。例如李大鳴等為建立適應(yīng)河道、滯洪區(qū)復(fù)雜情況的洪水演進(jìn)一、二維銜接數(shù)學(xué)模型，采用有限體積法進(jìn)行實(shí)現(xiàn);Manoj and Vi jay針對(duì)地表徑流對(duì)圣維南方程組做擴(kuò)散波近似法解算。
[0003]上述研究?jī)?nèi)容的實(shí)現(xiàn)，都需要與具體的迭代策略相匹配。目前，較為通用的方法為均一化迭代法。均一化迭代是指在一個(gè)迭代過(guò)程中賦予所有柵格相同的迭代步長(zhǎng)，其具體迭代過(guò)程如圖7所示:首先利用數(shù)字高程模型(Digital Elevation Model)獲得水文特征參數(shù)信息，如水面比降、水流方向等；然后計(jì)算所有柵格的斷面流量q、柵格水深WL等信息；當(dāng)一次迭代計(jì)算完畢，在總模擬時(shí)長(zhǎng)T中減去At并進(jìn)行下一次迭代計(jì)算；當(dāng)T小于等于O時(shí)，迭代計(jì)算結(jié)束，此時(shí)的柵格數(shù)據(jù)即為淹沒(méi)模擬時(shí)長(zhǎng)T的洪水演進(jìn)圖，柵格值即淹沒(méi)水深。
[0004]由于數(shù)字高程模型(Digital Elevation Model)各個(gè)柵格單元的最大水面比降不同，導(dǎo)致柵格中水的流速和流向鄰近柵格所需時(shí)間也不同。而均一化迭代過(guò)程賦予了所有柵格相同的迭代步長(zhǎng)，這就造成了迭代步長(zhǎng)和實(shí)際所需時(shí)間的不一致，影響了柵格單元水位、流量的計(jì)算精度。通過(guò)計(jì)算某時(shí)刻萬(wàn)安流域的數(shù)字高程模型(Digital ElevationModel)中每個(gè)柵格單元分辨率和流速的比值，統(tǒng)計(jì)流向臨近柵格單元的所需時(shí)間，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖8所示。根據(jù)圖8可知，流向鄰近柵格單元所需的時(shí)間主要集中在5s — 129s之間，在129s — 253s之間的柵格也仍有分布。因此，在大時(shí)間跨度的區(qū)間內(nèi)，均一化迭代法在一次迭代過(guò)程中用相同的迭代步長(zhǎng)來(lái)計(jì)算柵格單元間的斷面流量，勢(shì)必會(huì)影響洪水演進(jìn)模擬的精度。在復(fù)雜的地形條件下，迭代步長(zhǎng)均一化帶來(lái)的洪水演進(jìn)誤差尤為明顯。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為了解決現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了基于雙層異步迭代策略的水動(dòng)力學(xué)洪水演進(jìn)模擬方法，通過(guò)分析迭代過(guò)程中不同柵格單元洪水的水動(dòng)力學(xué)特征，采用地理信息系統(tǒng)(Geographic Information System)柵格分析技術(shù)，在數(shù)字高程模型(DigitalElevation Model)地形因子分析的基礎(chǔ)上，提出雙層異步迭代算法，其中通過(guò)內(nèi)層迭代過(guò)程實(shí)現(xiàn)迭代次數(shù)的自適應(yīng)選擇，迭代計(jì)算各格柵的斷面水量，從而更為精確地動(dòng)態(tài)模擬洪水的演進(jìn)過(guò)程。
[0006]本發(fā)明為解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是:
[0007]本發(fā)明提供了基于雙層異步迭代策略的水動(dòng)力學(xué)洪水演進(jìn)模擬方法，用和數(shù)字高程模型同分辨率的柵格數(shù)據(jù)表示洪水?dāng)?shù)據(jù)，采用雙層異步迭代算法模擬實(shí)際的水流過(guò)程；其中，外層迭代過(guò)程通過(guò)給定的迭代步長(zhǎng)確定洪水演進(jìn)時(shí)刻，內(nèi)層迭代過(guò)程通過(guò)對(duì)比柵格流向相鄰柵格所用的時(shí)間和柵格迭代步長(zhǎng)的大小關(guān)系，確定柵格各自的內(nèi)層迭代步長(zhǎng)，從而實(shí)現(xiàn)迭代次數(shù)的自適應(yīng)選擇，迭代計(jì)算各柵格的斷面水量，并通過(guò)設(shè)定輸出洪水形態(tài)的時(shí)間間隔，動(dòng)態(tài)繪制洪水演進(jìn)圖。
[0008]所述的基于雙層異步迭代策略的水動(dòng)力學(xué)洪水演進(jìn)模擬方法具體包括以下步驟:
[0009](I)洪水?dāng)?shù)據(jù)用和數(shù)字高程模型同分辨率的柵格數(shù)據(jù)表示，包括柵格總數(shù)N、各柵格的柵格水深WL、各柵格的柵格高程值Elevation、各柵格與相鄰柵格的柵格間距d ;設(shè)置一次完整模擬過(guò)程的模擬時(shí)長(zhǎng)T ；內(nèi)層迭代次數(shù)指示BoolFirst初始化為true ;變量ApauseT初始化為O ;
[0010](2)進(jìn)入外層迭代過(guò)程，通過(guò)以下公式計(jì)算進(jìn)行一次外層迭代的整幅迭代步長(zhǎng)Δ t:
[0011]Δ t= Σ Tflowk.Pk..................................................(I)
[0012]其中，Tflowk表示當(dāng)前柵格流向相鄰柵格的時(shí)間，Pk表示N個(gè)柵格中出現(xiàn)時(shí)間為Tflowk值的頻率，k表示出現(xiàn)Tflowk的柵格個(gè)數(shù)，Pk通過(guò)以下公式計(jì)算:
[0013]Pk=k/N..........................................…....................(2)
[0014]公式(I)中，Tflowk G (μ_2σ，μ+2σ),μ表不Tflowk的期望，σ表不方差；每個(gè)柵格各自的Tflow通過(guò)以下公式計(jì)算:
[0015]Tf low=d/V............................…..............(3)
[0016]其中，V表示當(dāng)前柵格的柵格流速；柵格流速V通過(guò)曼寧公式計(jì)算:
【權(quán)利要求】
1.基于雙層異步迭代策略的水動(dòng)力學(xué)洪水演進(jìn)模擬方法，其特征在于:用和數(shù)字高程模型同分辨率的柵格數(shù)據(jù)表示洪水?dāng)?shù)據(jù)，采用雙層異步迭代算法模擬實(shí)際的水流過(guò)程；其中，外層迭代過(guò)程通過(guò)給定的迭代步長(zhǎng)確定洪水演進(jìn)時(shí)刻，內(nèi)層迭代過(guò)程通過(guò)對(duì)比柵格流向相鄰柵格所用的時(shí)間和柵格迭代步長(zhǎng)的大小關(guān)系，確定柵格各自的內(nèi)層迭代步長(zhǎng)，從而實(shí)現(xiàn)迭代次數(shù)的自適應(yīng)選擇，迭代計(jì)算各柵格的斷面水量，并通過(guò)設(shè)定輸出洪水形態(tài)的時(shí)間間隔，動(dòng)態(tài)繪制洪水演進(jìn)圖。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于雙層異步迭代策略的水動(dòng)力學(xué)洪水演進(jìn)模擬方法具體包括以下步驟: (1)洪水?dāng)?shù)據(jù)用和數(shù)字高程模型同分辨率的柵格數(shù)據(jù)表示，包括柵格總數(shù)N、各柵格的柵格水深WL、各柵格的柵格高程值Elevation、各柵格與相鄰柵格的柵格間距d ;設(shè)置一次完整模擬過(guò)程的模擬時(shí)長(zhǎng)T ;內(nèi)層迭代次數(shù)指示BoolFirst初始化為true ;變量ApauseT初始化為O ; (2)進(jìn)入外層迭代過(guò)程，通過(guò)以下公式計(jì)算進(jìn)行一次外層迭代的整幅迭代步長(zhǎng)At: Δ t= Σ Tflowk.Pk.................................................….(I) 其中，Tflowk表示當(dāng)前柵格流向相鄰柵格的時(shí)間，Pk表示N個(gè)柵格中出現(xiàn)時(shí)間為Tflowk值的頻率，k表示出現(xiàn)Tflowk的柵格個(gè)數(shù)，Pk通過(guò)以下公式計(jì)算: Pk=k/N....................................................................(2) 公式(I)中，Tflowk G (μ-2 σ, μ+2σ), μ表不Tflowk的期望，σ表不方差；每個(gè)棚格各自的Tflow通過(guò)以下公式計(jì)算: Tflow=d/V...............................................................(3) 其中，V表示當(dāng)前柵格的柵格流速；柵格流速V通過(guò)曼寧公式計(jì)算:
【文檔編號(hào)】G06F19/00GK103870699SQ201410106832
【公開(kāi)日】2014年6月18日 申請(qǐng)日期:2014年3月21日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月21日
【發(fā)明者】劉修國(guó), 劉旭東, 張唯, 高偉 申請(qǐng)人:中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）