[发明专利]基于双层异步迭代策略的水动力学洪水演进模拟方法

说明书

技术领域

本发明涉及基于双层异步迭代策略的水动力学洪水演进模拟方法，属于地理信息系统的虚拟地理环境研究领域。

背景技术

由于洪涝灾害频繁发生、破坏力强且难以预测，模拟和预报洪水演进过程成为了一项重要的研究任务。目前，模拟和预报洪水演进过程的方法主要有水文模型法、数值模拟法以及水动力学建模法等，前两类方法都需要以复杂的数学模型为基础，而水动力学建模算法则较为简单，但需要进行大量计算，而这一问题随着计算机性能的逐步提高得到了解决，因此，基于GIS栅格数据的水动力学洪水演进模型越来越成为学者们的研究热点。目前该方面的研究主要集中在两个方向：一是基于特定的地形地貌特征，对水动力学洪水演进模型做精简，使其能够更加便捷地运用到该类地形区域当中。如Bates and De Roo针对河道内洪水和河漫滩洪水演进的不同特征分别利用一维运动波和二维扩散波对模型进行简化；Hagen et al基于阿富汗的地形特征提出了一种简化的水动力学洪水演进模型，使其能够在灾害突发时更好地运用。二是完善模型，建立更为精准的洪水演进模型。例如李大鸣等为建立适应河道、滞洪区复杂情况的洪水演进一、二维衔接数学模型，采用有限体积法进行实现；Manoj and Vijay针对地表径流对圣维南方程组做扩散波近似法解算。

上述研究内容的实现，都需要与具体的迭代策略相匹配。目前，较为通用的方法为均一化迭代法。均一化迭代是指在一个迭代过程中赋予所有栅格相同的迭代步长，其具体迭代过程如图7所示：首先利用数字高程模型（Digital Elevation Model）获得水文特征参数信息，如水面比降、水流方向等；然后计算所有栅格的断面流量q、栅格水深WL等信息；当一次迭代计算完毕，在总模拟时长T中减去Δt并进行下一次迭代计算；当T小于等于0时，迭代计算结束，此时的栅格数据即为淹没模拟时长T的洪水演进图，栅格值即淹没水深。

由于数字高程模型（Digital Elevation Model）各个栅格单元的最大水面比降不同，导致栅格中水的流速和流向邻近栅格所需时间也不同。而均一化迭代过程赋予了所有栅格相同的迭代步长，这就造成了迭代步长和实际所需时间的不一致，影响了栅格单元水位、流量的计算精度。通过计算某时刻万安流域的数字高程模型（Digital Elevation Model）中每个栅格单元分辨率和流速的比值，统计流向临近栅格单元的所需时间，统计结果如图8所示。根据图8可知，流向邻近栅格单元所需的时间主要集中在5s—129s之间，在129s—253s之间的栅格也仍有分布。因此，在大时间跨度的区间内，均一化迭代法在一次迭代过程中用相同的迭代步长来计算栅格单元间的断面流量，势必会影响洪水演进模拟的精度。在复杂的地形条件下，迭代步长均一化带来的洪水演进误差尤为明显。

发明内容

为了解决现有技术的不足，本发明提供了基于双层异步迭代策略的水动力学洪水演进模拟方法，通过分析迭代过程中不同栅格单元洪水的水动力学特征，采用地理信息系统（Geographic Information System）栅格分析技术，在数字高程模型（Digital Elevation Model）地形因子分析的基础上，提出双层异步迭代算法，其中通过内层迭代过程实现迭代次数的自适应选择，迭代计算各格栅的断面水量，从而更为精确地动态模拟洪水的演进过程。

本发明为解决其技术问题所采用的技术方案是：

本发明提供了基于双层异步迭代策略的水动力学洪水演进模拟方法，用和数字高程模型同分辨率的栅格数据表示洪水数据，采用双层异步迭代算法模拟实际的水流过程；其中，外层迭代过程通过给定的迭代步长确定洪水演进时刻，内层迭代过程通过对比栅格流向相邻栅格所用的时间和栅格迭代步长的大小关系，确定栅格各自的内层迭代步长，从而实现迭代次数的自适应选择，迭代计算各栅格的断面水量，并通过设定输出洪水形态的时间间隔，动态绘制洪水演进图。

所述的基于双层异步迭代策略的水动力学洪水演进模拟方法具体包括以下步骤：

（1）洪水数据用和数字高程模型同分辨率的栅格数据表示，包括栅格总数N、各栅格的栅格水深WL、各栅格的栅格高程值Elevation、各栅格与相邻栅格的栅格间距d；设置一次完整模拟过程的模拟时长T；内层迭代次数指示BoolFirst初始化为true；变量ΔpauseT初始化为0；

（2）进入外层迭代过程，通过以下公式计算进行一次外层迭代的整幅迭代步长Δt：

Δt=∑Tflow_k·P_k……………………………………….….（1）