[发明专利]面向山洪演进数值模拟的计算网格流出率的修正方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种面向山洪演进数值模拟的计算网格流出率的修正方法。

背景技术

山洪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，山洪灾害的优先预防面积达97万 ，影响人口1.3亿。近年山洪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，山洪灾害的防治工作越来越被重视。

早先，国际通用的山洪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、山洪及泥石流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，从而大大提高山洪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。

在面向山洪泥石流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山洪对山区河床、水坝造成的影响。而Nakatani等（2008）采用二维数值模拟模型，基于山洪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。

由于山洪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，从而直接影响到山洪演进数值模拟计算无法顺利进行。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种面向山洪演进数值模拟的计算网格流出率的修正方法，该修正方法解决了当出现水面标高低于地面标高的情况，山洪演进数值模拟计算无法顺利进行的技术问题。

 为了解决上述问题，本发明提供了一种面向山洪演进数值模拟的计算网格流出率的修正方法，包括：

①建立计算域内地形的数字高程模型，即，所述计算域按照一定空间步长（                                                、）进行分割后得到二维网格模型，定义（i，j）为该二维网格模型中一网格，其中，设定该二维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；同时设定所述山洪演进数值模拟计算的时间步n，以及该时间步n对应的时间步长。

②通过单宽流量公式获得所述二维网格模型中各网格在n+1时间步的单宽流量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，所述单宽流量M的对应流速矢量，以及所述单宽流量N的对应流速矢量；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：

     （1）

     （2）