[发明专利]一种基于显卡加速耦合管网的高精度城市雨洪模拟方法

权利要求书

1.一种基于显卡加速耦合管网的高精度城市雨洪模拟方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：

步骤1、在计算机中读取计算区域的基础数据，包括地形数据DEM、土地利用、曼宁系数、雨水井节点、管道数据、降雨数据和下渗数据；

步骤2、建立结构网格之间的拓扑关系以及网格与土地利用、曼宁的对应关系；

步骤3、依据雨水井节点坐标与地形网格坐标，依据就近原则建立雨水井节点与网格的对应关系；

步骤4、建立雨水井节点与管道的拓扑关系；

步骤5、将步骤1、2、3和4中的所有变量及对应关系在GPU中分配内存，并将上述变量的值复制到GPU变量中；

步骤6、采用Godunov格式的有限体积法离散二维浅水方程，得到可以被计算机求解的降雨源项、通量项、底坡源项、摩阻源项和时间步进，然后在GPU上分别计算降雨源项、通量项、底坡源项、摩阻源项和时间步进；

步骤7、根据堰流公式和孔流公式计算地表与雨水井交换的流量；

步骤8、采用有限差分法求解一维圣维南方程组获得管道内非恒定水流入流流量和处理流量以及流速、水深等相关要素；

步骤9、雨水井节点水深、管道水深和对应地表网格水深更新计算；

步骤10、采用cudaMemcpy函数将GPU上计算的结果值复制到主机内存中，并输出模拟的地表水深分布图、管网排水过程图。

2.根据权利要求1所述的一种基于显卡加速耦合管网的高精度城市雨洪模拟方法，其特征在于，所述步骤6中下渗量、通量项、底坡源项、摩阻源项和时间步进的计算方法分别对应Green-Ampt入渗模型、黎曼求解器、底坡通量法、半隐式法和二阶龙格-库塔法。

3.根据权利要求1所述的一种基于显卡加速耦合管网的高精度城市雨洪模拟方法，其特征在于，所述步骤6中，二维浅水方程具体为：

式中，t为时间，s；R为净雨速率，等于降雨强度减去入渗速率及管网排出水量；q为变量矢量包括水深h，两个方向上的单宽流量q_x和q_y；u、v为x、y方向上的流速；f、g为x、y方向上的通量矢量；S为源项矢量，包括降雨或下渗源项R、底坡源项及摩阻力源项；z_b为河床底面高程，m；床面摩擦系数C_f＝gn²/h^1/3，n为曼宁系数。

4.根据权利要求2所述的一种基于显卡加速耦合管网的高精度城市雨洪模拟方法，其特征在于，所述步骤6中，Green-Ampt入渗模型的方程具体为：

式中，f_p为土壤下渗速率，cm/min；K_s为饱和导水率，cm/min；d为土壤表层积水深度，cm；L_s为湿润锋深度，cm；为毛管吸力，cm。

5.根据权利要求1所述的一种基于显卡加速耦合管网的高精度城市雨洪模拟方法，其特征在于，所述步骤7中，堰流公式和孔流公式计算过程为：

地表与雨水井的水量交换可分为两种情况，节点入、回流以及节点溢流；其交换量可采用下式计算：

式中，q为地表与雨水井交换的流量，m³/s；H_J为节点水位，m；H_w为该节点在地表对应网格处的水位水位，m；m_y为堰流系数，视情况取值，范围[0,1]；A_P为雨水井节点面积，m²；b为雨水口宽度或节点周长，m；g为重力加速度，m/s²；Z为地表高程，m；m_k为孔口流量系数，视情况取值，范围[0,1]。