[发明专利]一种运动波与动力波相结合的山区洪水过程数值模拟方法

说明书

技术领域

本发明涉及水利工程领域，尤其涉及山洪防治领域，具体为一种运动波与动力波相结合的山区洪水过程数值模拟方法。

背景技术

中国山丘区面积约占陆地面积的三分之二，其中山洪灾害防治区面积达463万km²，重点防治区面积97万km²。山丘区洪水过程陡涨陡落，流速快，破坏力强，常诱发滑坡、泥石流等地质灾害，危害巨大。

目前，在进行山区洪水分析计算时，主要采用水文学的方法。水文学的方法又分为两大类，一类是是经验公式法和推理公式法等经验或半经验的方法，这类方法由于形式简单，无需实测水文资料数据，因此在我国应用较广，但是该类方法一般用于设计领域，无法进行具体场次洪水过程的分析计算研究。另一类方法为水文模型方法，可以克服上述方法的不足，能够模拟降雨场次洪水，但是山区小流域暴雨洪水过程陡涨陡落，对时段分辨率要求较高，再加上一些流域常缺乏实测水文数据资料，这些给常规的水文模型应用带来很大困难。

与传统水文方法相比，水动力方法不仅能提供流域出口处的水文过程，还能提供整个流域面上的水力要素空间分布情况，给防洪决策部门提供更多的信息；水动力方法还能够精细化处理流域内的一些构筑物影响，能够方便的与泥沙、污染物方程进行耦合模拟，具有很好的扩展性；另外，水动力学方法所需参数较少，通常只有一个糙率参数需要率定，而糙率参数具有明确的物理意义和广泛的研究基础，因此水动力学方法在山区小流域洪水过程的模拟时具有独特的优势。

早期的水动力模型较多采用简化的运动波或扩散波方程模拟山区洪水运动，这类方法计算速度快，数值稳定性好，但有着明确的适用范围，如运动波不能考虑回水影响和流态变化，并且当坡度平缓时，并不能取得很好的数值结果，极端情况下，当坡度为零时，运动波方法直接失效。完整的二维动力波方程能够克服简化方程的不足，但是运算效率和数值稳定性不如简化方程。

发明内容

本发明的目的在于提供一种运动波与动力波相结合的山区洪水过程数值模拟方法，该方法充分发挥运动波与动力波的优势，克服采用单一控制方程模拟山区洪水过程的缺点，充分发挥水动力模型在山区洪水过程分析计算方面的实用性，该方法适用于山区小流域洪水风险分析计算领域。

具体技术方案：

本方法为一种运动波与动力波相结合的山区洪水过程数值模拟方法，该方法是针对山区洪水过程陡涨陡落的特点，在非结构有限体积数值离散框架下将运动波与动力波相结合来模拟山区洪水过程，能够准确保证整个计算过程的水量守恒，准确模拟山区流域大坡度、小水深情况下地表径流的运动过程。

该方法充分考虑运动波与动力波各自的优势，在非结构有限体积数值离散框架下采用二维运动波与动力波相结合的方法来模拟山区洪水过程，该方法需要的资料为山区流域地形数据、土地利用类型数据和降雨过程数据，方法具体步骤如下：

（1）网格离散及常规参数赋值。采用三角形非结构网格离散山区流域，沟道部分网格适当加密。采用地形数据对网格节点和网格型心进行插值，获取网格节点和网格型心处的高程数据。给每个网格设置糙率和初始条件。

（2）求解器属性赋值。对每个网格进行求解器属性赋值，赋值“0”代表该网格将采用运动波方程求解；赋值“1”代表该网格将采用动力波方程求解。

（3）确定时间步长。整套离散方法采用显格式进行，运动波计算时间步长选取不受CFL（Courant-Friedrichs-Lewy）条件限制，但是动力波计算时间步长受到CFL条件限制，为保证计算的同步性，在计算中不同属性网格计算时采用统一的时间步长。

（4）水力要素求解。水力要素变量定义在网格单元型心，整套离散方法采用基于非结构网格Godunov格式有限体积法进行。运动波和动力波连续方程是一致的，均采用Roe格式求解，即由t时刻的净雨强度值和网格单元的水力要素值计算t时刻网格单元降雨源项值和界面处的流量通量值，然后单元流量通量和源项求和后求出t+1时刻网格单元的水深h值。