[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

说明书

本发明公开了一种基于显卡加速耦合管网的高精度城市雨洪模拟方法，在计算机中读取计算区域的基础数据，建立结构网格之间的拓扑关系；采用Godunov格式的有限体积法离散二维浅水方程，根据堰流公式和孔流公式计算地表与雨水井交换的流量；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、水深相关要素；雨水井节点水深、管道水深和对应地表网格水深更新计算；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。本发明的一种显卡加速的高精度城市雨洪模拟方法，计算准确、用时较短，可实现较大范围的高分辨率雨洪过程模拟预测。

技术领域

本发明属于数值模拟技术领域，涉及一种基于显卡加速耦合管网的高精度城市雨洪模拟方法。

背景技术

洪涝灾害是在强降水、外江洪水、潮水顶托、蓄滞不足和排水不畅等因素作用下导致河湖水位上涨或雨水地表径流积聚而产生的地表积水现象。由于城市化的快速发展，可透水下垫面面积比例不断减小，近年来，全球气候变化、极端降雨等多因素影响下的暴雨洪涝灾害日益频发，已成为制约城市发展与运行管理的一个非常突出的问题。因此，研究城市雨洪的水文水动力过程，对于人类揭示自然奥秘、研究气候变化及适应策略、开发利用水及水能资源、发展航运、开展洪涝灾害管理、进行水生态环境保护等方面意义重大。

但随着计算机技术的发展，使用数值模型手段模拟水文水动力过程成为可能，相比于传统手段，数值模型可以在短时间构建完成并便捷计算不同条件下的结果，且可更加精细地描述物理过程，故应用范围越来越广泛。但传统的模拟在面对高分辨率的真实地形时其计算稳定性和精度仍存不足。因为高分辨率地形的复杂性导致地表水动力过程的复杂性，在计算中会导致异常水深和伪高流速等非物理现象，造成计算失稳和物质动量的不守恒。此外，采用高分辨率地形模拟，时间步长短和网格单元多会导致计算效率大为降低，对于管网排水效果的模拟，现有模拟方法跟多的采用其他等效替代方法，没有建立完整的水动力过程。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于显卡加速耦合管网的高精度城市雨洪模型，解决了现有技术中存在的传统雨洪模拟面对高分辨率的真实地形时其计算稳定性和精度不足的问题，实现高效高分辨率雨洪多过程耦合模拟。

本发明所采用的技术方案是，一种基于显卡加速耦合管网的高精度城市雨洪模拟方法，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。