[发明专利]基于正方形自适应网格的二维水文-水动力单向耦合方法

说明书

本发明提出了一种基于正方形自适应网格的二维水文‑水动力单向耦合方法，包括：步骤1，基于分布式水文模型的正方形计算网格(M₁)，构建二维水动力模型的自适应计算网格(M₂)；步骤2，获取分布式水文模型计算所得的小时尺度净雨量栅格数据；步骤3，在空间尺度上，根据代数关系将M₁栅格数据转化为M₂栅格数据；步骤4，在时间尺度上，采用插值法将小时尺度M₂栅格数据转化为与二维水动力模型时间步长一致的秒尺度M₂栅格数据；步骤5，降尺度后的栅格数据即可作为驱动条件，输入二维水动力模型中质量守恒方程的源项进行水动力计算。本发明保证了耦合过程中的质量守恒，确保了水循环过程的连贯性，提高了对地形/地貌变化复杂地区的模拟精度。

技术领域

本发明涉及水文模型和二维水动力模型耦合计算技术领域，特别涉及一种基于正方形自适应网格的二维水文-水动力单向耦合方法。

背景技术

基于网格的分布式水文模型是目前研究流域洪水预报的重要工具。在模型应用中，一般利用DEM生成数字流域，在每个小的子流域(或DEM网格)上应用水文模型模拟产流过程来推求径流值，再进行汇流演算，最后求得每个子流域(或网格)出口断面处的流量过程、峰值流量及洪水到达时间等洪水预报数据。

基于二维浅水动力学方程的水动力模型，常用于洪水过程模拟，可模拟复杂流态的动力过程，更加适用于具有突发性、水量集中、流速大等特点的暴雨洪水模拟，可反映出暴雨洪水特征值在空间和时间上的分布和动态变化。

为综合分布式水文模型和二维水动力模型的优点，采用水文模型和水动力模型耦合的方法进行流域洪水预报。常用的耦合方法可分为单向耦合法和双向耦合法两类。其中，一种常用的单向耦合法是利用水文模型模拟流域的降雨产流、区域汇流和出流过程，提供区域出流过程作为水动力学模型的输入条件，采用水动力学模型模拟河道或重点区域的洪水过程，即两者之间通过边界条件的衔接，实现水文模型与水动力学模型的耦合。另一种单向耦合法是水文模型和水动力模型基于同样的矩形网格进行计算，利用水文模型计算栅格内的净雨量，利用水动力模型读入净雨量进行地表径流过程模拟，即两者之间基于栅格尺度耦合。

实际应用和深入研究表明，通过边界条件耦合存在一些缺点：(1)两者在空间尺度上存在巨大差别，前者(水文模型)的计算区域为整个流域，后者(水动力模型)的计算区域为河道或流域中的某个区域；(2)两者的空间差异导致纵向和横向汇入后者的净雨量无法完全通过边界条件体现，导致整体质量不守恒；(3)两者机制上的差异导致流域水循环过程模拟上的不连贯性。基于栅格尺度耦合存在其他缺点：(1)基于粗网格的水动力模拟，不适用于地形/地貌变化剧烈的地区。

发明内容

针对现有方法的不足，本发明针对水文-水动力单向耦合方法在空间尺度、质量守恒、连贯性和模拟精度这四个难点问题，提出一种基于正方形自适应网格的二维水文-水动力单向耦合方法。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种基于正方形自适应网格的二维水文-水动力单向耦合方法，包括以下步骤：

步骤1，基于分布式水文模型的正方形计算网格M₁(i，j)，构建二维水动力模型的自适应计算网格M₂(i，j，is，js)；

步骤2，获取分布式水文模型计算所得的小时尺度净雨量栅格数据；

步骤3，在空间尺度上，根据代数关系将M₁栅格数据转化为M₂栅格数据；

步骤4，在时间尺度上，采用插值法将小时尺度M₂栅格数据转化为与二维水动力模型时间步长一致的秒尺度M₂栅格数据；