[发明专利]一种基于光滑粒子流体动力学的地表产汇流计算方法

说明书

本发明提供一种基于光滑粒子流体动力学的地表产汇流计算方法，包括如下步骤：初始化计算条件，用底部粒子来描述地表信息，用流体粒子来描述地表产汇流；根据流体粒子在当前时刻的速度和位置，计算加速度；根据流体粒子的加速度和位置，计算该粒子在下一时刻的速度和位置；计算该粒子移动到新位置后的密度和光滑长度；根据降雨和下渗的水量计算流体粒子的质量，对流体粒子进行动量修正；对于无粒子覆盖的上游区域添加初始状态的流体粒子；对每一时步进行计算，输出地表产汇流的计算结果。本发明提供的方法无须建立网格，建模过程更加高效；支持降雨和下渗计算，可以更完整地模拟地表产汇流过程。

技术领域

本发明涉及一种地表产汇流的计算方法，尤其是涉及一种基于光滑粒子流体动力学的地表产汇流计算方法。

背景技术

近些年来，内涝灾害已经成为城市中最常见，影响最严重的问题之一。当遇到大到暴雨或者短时强降雨，城市地势低洼处来不及排水，就很容易导致内部积水，形成内涝。缓解内涝可以从两个方面来入手。首先是控制源头，削减地表径流的峰值流量。其次是优化城市排水系统，通过增加排水设施的收集和排放能力来降低内涝的风险。在这两方面措施的实施过程中，地表产汇流的计算是基础，直接关系到前期设计和后期的运营管理。

地表产汇流的计算一直是个难题，很难通过简单的计算得到。为得到更可靠的计算结果，研究者们对产汇流过程进行计算机建模，这些模型以物理为基础的模型，使用详细，严格的物理过程表述，以质量、动量和能量守恒定律为基础。这些模型根据求解非线性偏微分方程组时采用的数值方法否需要划分网格，可以分为网格法和无网格法。

1)网格法

现有的分布式产汇流物理模型大多采用此方法，例如欧洲水文系统模型(SHE)，英国的水文研究所分布式模型(IHDM)，澳大利亚有THALES模型和CSIRO TOPOG-动态模型，美国的VanderKwaak和Loague的综合水文模型和Downer等的网格化地表/地下水文分析模型(GSSHA)等。《一种地表网格分层建模方法及系统》(CN110532641B)提出了地表网格分层方法，通过把地表构筑物结构划分为若干层网格，分别对每层网格内部进行降雨产流、层内汇流计算，再对有汇流关系的各层网格进行层间汇流计算，实现了对复杂多层构筑物产汇流物理过程的真实模拟；《基于稳定水流场的流域地表径流汇流模拟方法》(CN107590354B)提出了稳定水流场概念，建立栅格模式下的N-S方程，并在径流模拟中增加水流混合模拟环节，实现了栅格模式下的流域稳定水流场建立。

优缺点：这些模型发展时间久，研究充分，能够取得令人满意的分析结果，但网格使得其在许多问题的应用上受到限制。在网格数值方法中，数值模拟的先决条件就是在计算区域生成网格。对于欧拉网格方法如有限差分法，要在复杂的几何形状上构造规则的网格是一件很困难的事情，并且通常需要进行额外的数学转换，这些转换有时候甚至比求解问题的本身还繁琐。在固定的欧拉网格上要精确确定自由表面、变形边界、运动交界面和不均匀物质之间的位置也是一项困难的工作。对于拉格朗日网格法如有限体积法，进行模拟前必须要在研究对象上建立网格，这项操作常常占用很大的计算工作量。在基于拉格朗日网格的方法中，处理大变形时一般需要重新划分网格，网格再分非常繁琐而且耗时，更会带来求解的误差。

2)无网格法