面向山洪演進數(shù)值模擬的計算網(wǎng)格流出率的修正方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種面向山洪演進數(shù)值模擬的計算網(wǎng)格流出率的修正方法，包括：通過修正系數(shù)對負水深網(wǎng)格進行修正，獲得該網(wǎng)格的實際水深，克服了在以往的移動邊界計算中，經(jīng)常發(fā)生水面標高低于地面標高的情況，也就是計算后的水深變?yōu)樨撝?，即出現(xiàn)負水深網(wǎng)格，從而導(dǎo)致計算域內(nèi)的質(zhì)量不能保證守恒，穩(wěn)定性變差，甚至計算發(fā)散而得不到結(jié)果，直接影響到山洪演進數(shù)值模擬計算無法順利進行的技術(shù)問題，通過引入所述修正系數(shù)λ，使當出現(xiàn)水面標高低于地面標高時，山洪演進數(shù)值模擬計算得已順利進行。
【專利說明】面向山洪演進數(shù)值模擬的計算網(wǎng)格流出率的修正方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種面向山洪演進數(shù)值模擬的計算網(wǎng)格流出率的修正方法。
【背景技術(shù)】
[0002]山洪災(zāi)害是指山丘地區(qū)在強降雨影響下，短時間內(nèi)形成具有較大洪峰流量的洪水。我國地處東亞季風(fēng)區(qū)，山區(qū)和丘陵地區(qū)占國土地面積的三分之二。其中，山洪災(zāi)害的優(yōu)先預(yù)防面積達97萬，影響人口 1.3億。近年山洪災(zāi)害造成的死亡人數(shù)占全國洪澇災(zāi)害死亡人數(shù)的比例超過70%，成為造成人員傷亡的主要災(zāi)種。隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，山洪災(zāi)害的防治工作越來越被重視。
[0003]早先，國際通用的山洪災(zāi)害的預(yù)測技術(shù)是對溝道、溝口進行實地采樣，根據(jù)有可能的災(zāi)害種類和等級確定危險指數(shù)。最具代表性的是提出的荒溪分類及危險區(qū)制圖指數(shù)法，通過收集9種指標51個具體因子劃分出不同等級的危險區(qū)。隨著地理信息系統(tǒng)、數(shù)字高程模型、遙感和衛(wèi)星遙測等現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)高速發(fā)展，基于平面淺水波方程的模擬方法被廣泛應(yīng)用于對流域內(nèi)洪水、山洪及泥石流等災(zāi)害現(xiàn)象的預(yù)測和定量分析中。該方法不受模型實驗相似性理論的限制，可快速、精確的揭示災(zāi)害發(fā)生的原因及過程，從而大大提高山洪等突發(fā)洪水的預(yù)見期。最常用的平面二維模擬數(shù)值方法包括有限元法、有限體積法和有限差分法。針對洪水模擬，/?等提出了使用二階迎風(fēng)格式離散動量方程的非線性對流項和二階76?/?-/--1?格式離散線性對流項模擬流域的泛濫過程。Roger等提出一種MacCormack+TVD格式的邊界擬合數(shù)值模型,通過檢測每個時間步長下的水深是否到達干枯臨界值判定動邊界范圍。丹麥^///水資源與環(huán)境研究院采用隱式交替方向算法開發(fā)了水動力學(xué)模擬軟件
[0004]在面向山洪泥石流災(zāi)害二維數(shù)值模擬中，由于流域地形陡峭，水流量急速變化，在較大計算時間步長下的動邊界處理過程中，對流出量簡單的歸零處理往往導(dǎo)致負水深，造成模擬過程中的質(zhì)量與動量不守恒，最終導(dǎo)致計算數(shù)值不穩(wěn)定甚至計算發(fā)散而得不到結(jié)果。近年來^WMizuyeum (2005)采用一維數(shù)值模型計算了明渠山洪對山區(qū)河床、水壩造成的影響。Μ Nakatani等(2008)采用二維數(shù)值模擬模型，基于山洪淹沒深度和沉降的變化對其形成的沖積扇進行了模擬計算。
[0005]由于山洪發(fā)生地的地形具有陡峭且凹凸不平的特點，因此洪水的邊界范圍、流速和水深都急劇變化。在以往的移動邊界計算中，經(jīng)常發(fā)生水面標高低于地面標高的情況，也就是計算后的水深變?yōu)樨撝?。?dǎo)致計算域內(nèi)的質(zhì)量不能保證守恒，穩(wěn)定性變差，甚至計算發(fā)散而得不到結(jié)果，從而直接影響到山洪演進數(shù)值模擬計算無法順利進行。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種面向山洪演進數(shù)值模擬的計算網(wǎng)格流出率的修正方法，該修正方法解決了當出現(xiàn)水面標高低于地面標高的情況，山洪演進數(shù)值模擬計算無法順利進行的技術(shù)問題。[0007]為了解決上述問題，本發(fā)明提供了一種面向山洪演進數(shù)值模擬的計算網(wǎng)格流出率的修正方法，包括:
①建立計算域內(nèi)地形的數(shù)字高程模型，即，所述計算域按照一定空間步長(ΔΖ、Δy)進行分割后得到二維網(wǎng)格模型，定義(i，j0為該二維網(wǎng)格模型中一網(wǎng)格，其中，設(shè)定該二維網(wǎng)格模型中任一網(wǎng)格的水深為仏且與該網(wǎng)格按Z軸同方向的單寬流量#，與7軸同方向的單寬流量同時設(shè)定所述山洪演進數(shù)值模擬計算的時間步/?，以及該時間步/7對應(yīng)的時間步長。
[0008]②通過單寬流量公式獲得所述二維網(wǎng)格模型中各網(wǎng)格在/7+1時間步的單寬流量#和單寬流量見其方法，包括:
預(yù)設(shè)初始條件，即，在時間步，且設(shè)定位于所述計算域的邊界上的流量輸入起始界的各邊界網(wǎng)格的初值參數(shù)，該初值參數(shù)包括:初始水深1^ ,所述單寬流量#的對應(yīng)流速矢量Us，以及所述單寬流量#的對應(yīng)流速矢量P ;在所述單寬流量公式中位于所述計算域外的網(wǎng)格的初值參數(shù)與該網(wǎng)格相鄰的一邊界網(wǎng)格的初值參數(shù)相同，且位于所述計算域內(nèi)的網(wǎng)格的初值參數(shù)的相應(yīng)取值為O。
[0009]以及，所述單寬流量I和單寬流量#的初始值的計算公式:
【權(quán)利要求】
1.一種面向山洪演進數(shù)值模擬的計算網(wǎng)格流出率的修正方法，包括: ①建立計算域內(nèi)地形的數(shù)字高程模型，即，所述計算域按照一定空間步長(ΔΖ、Δ7)進行分割后得到二維網(wǎng)格模型，定義(i，jO為該二維網(wǎng)格模型中一網(wǎng)格，其中，設(shè)定該二維網(wǎng)格模型中任一網(wǎng)格的水深為仏且與該網(wǎng)格按Z軸同方向的單寬流量#，與7軸同方向的單寬流量同時設(shè)定所述山洪演進數(shù)值模擬計算的時間步/?，以及該時間步/7對應(yīng)的時間步長tu ; ②通過單寬流量公式獲得所述二維網(wǎng)格模型中各網(wǎng)格在/7+ 1時間步的單寬流量#和單寬流量見其方法，包括: 預(yù)設(shè)初始條件，即，在時間步，且設(shè)定位于所述計算域的邊界上的流量輸入起始界的各邊界網(wǎng)格的初值參數(shù)，該初值參數(shù)包括:初始水深# ,所述單寬流量#的對應(yīng)流速矢量P，以及所述單寬流量#的對應(yīng)流速矢量P ;在所述單寬流量公式中位于所述計算域外的網(wǎng)格的初值參數(shù)與該網(wǎng)格相鄰的一邊界網(wǎng)格的初值參數(shù)相同，且位于所述計算域內(nèi)的網(wǎng)格的初值參數(shù)的相應(yīng)取值為O ; 以及，所述單寬流量#和單寬流量#的初始值的計算公式:
【文檔編號】G06F17/50GK103530462SQ201310478469
【公開日】2014年1月22日 申請日期:2013年10月14日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月14日
【發(fā)明者】張家華 申請人:南京曉莊學(xué)院