本發(fā)明涉及一種水文水資源及計(jì)算機(jī)，特別是關(guān)于一種基于物理機(jī)制的分布式水文水動(dòng)力模型構(gòu)建方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、受氣候變化和人類(lèi)活動(dòng)的影響，全球極端降水事件頻發(fā)導(dǎo)致洪澇災(zāi)害問(wèn)題日趨嚴(yán)重，直接威脅人民的生命安全和財(cái)產(chǎn)安全。洪水預(yù)報(bào)通過(guò)對(duì)未來(lái)水文情況作出科學(xué)預(yù)測(cè)，為防洪調(diào)度指揮決策提供科學(xué)依據(jù)，對(duì)提升防災(zāi)減災(zāi)能力具有重要支撐作用。

2、流域水文模型是洪水預(yù)報(bào)和水資源管理的重要工具，通過(guò)對(duì)未來(lái)水文情況作出科學(xué)預(yù)測(cè)和情景分析，為防洪調(diào)度指揮決策提供科學(xué)依據(jù)，有助于提升防災(zāi)減災(zāi)能力。盡管洪水預(yù)報(bào)預(yù)警業(yè)務(wù)近年來(lái)發(fā)展迅速，洪水預(yù)報(bào)預(yù)警水平顯著提高，但面對(duì)新形勢(shì)洪水預(yù)報(bào)預(yù)警的新要求，仍然存在諸多問(wèn)題與不足。洪水預(yù)報(bào)主要采用的方法包括統(tǒng)計(jì)方法和水文模型兩大類(lèi)。統(tǒng)計(jì)預(yù)報(bào)的方法，如降雨徑流法，根據(jù)降水與徑流的歷史觀測(cè)數(shù)據(jù)，建立數(shù)學(xué)關(guān)系，并由此預(yù)測(cè)洪水。這一類(lèi)方法不考慮水循環(huán)的物理過(guò)程，只能針對(duì)有歷史實(shí)測(cè)資料的水文站點(diǎn)作洪水預(yù)警和預(yù)報(bào)，不能對(duì)資料缺乏地區(qū)進(jìn)行洪水預(yù)報(bào)，難以適應(yīng)新時(shí)期洪水預(yù)報(bào)的要求。基于水文模型的洪水預(yù)報(bào)所采用的模型包括集總式概念性模型和分布式模型，目前大多數(shù)的洪水預(yù)報(bào)采用集總式概念性模型，這一類(lèi)模型將產(chǎn)匯流過(guò)程進(jìn)行了概念化，將空間分布過(guò)程簡(jiǎn)化為集中式，因此，預(yù)報(bào)精度往往比較低。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對(duì)上述問(wèn)題，本發(fā)明的目的是提供一種基于物理機(jī)制的分布式水文水動(dòng)力模型構(gòu)建方法及系統(tǒng)，其能克服目前洪水預(yù)報(bào)中大多采用統(tǒng)計(jì)模型或概念性集總模型的問(wèn)題。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，第一方面，本發(fā)明采取的技術(shù)方案為：一種基于物理機(jī)制的分布式水文水動(dòng)力模型構(gòu)建方法，其包括：構(gòu)建分布式水文模型，在水平面上將流域劃分為網(wǎng)格，基于dem的數(shù)字地形分析，建立二維網(wǎng)格之間的水流依賴(lài)關(guān)系，并在每個(gè)網(wǎng)格的垂直方向上劃分為不同的水平層；在每個(gè)網(wǎng)格及不同的水平層上，基于物理機(jī)制分別構(gòu)建用于刻畫(huà)降水、蒸發(fā)、土壤水分運(yùn)動(dòng)、坡面產(chǎn)流和坡面匯流的二維水動(dòng)力模型；將分布式水文模型模擬的每個(gè)柵格單元的產(chǎn)流量作為二維水動(dòng)力模型的輸入流量，以將分布式水文模型與二維水動(dòng)力模型耦合，在山區(qū)建立分布式水文模型，實(shí)現(xiàn)水文過(guò)程的精細(xì)模擬，在平原蓄滯洪區(qū)在地形不規(guī)則網(wǎng)格實(shí)時(shí)剖分基礎(chǔ)上，建立河道-蓄滯洪區(qū)洪水演進(jìn)的二維水動(dòng)力模型，模擬淹沒(méi)水深、淹沒(méi)區(qū)域時(shí)空變化過(guò)程，以實(shí)現(xiàn)山區(qū)產(chǎn)流、一維河道匯流和平原區(qū)二維洪水淹沒(méi)過(guò)程的緊密耦合。

3、進(jìn)一步，分布式水文模型包括：平面結(jié)構(gòu)特征和垂向結(jié)構(gòu)特征；

4、在平面上將流域劃分為網(wǎng)格或子流域，每個(gè)網(wǎng)格作為基本計(jì)算單元；

5、在垂直面上，將每個(gè)基本計(jì)算單元又劃分為不同的水平層，包括冠層、地表層、土壤層和地下水層。

6、進(jìn)一步，二維水動(dòng)力模型包括：

7、融雪過(guò)程模塊，采用度日模型，根據(jù)氣溫和融雪率的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系計(jì)算融雪量；

8、產(chǎn)流模塊，計(jì)算蒸散發(fā)過(guò)程、土壤水與地下水交互過(guò)程、地表產(chǎn)流與入滲過(guò)程；

9、坡面匯流模塊，采用單位線(xiàn)來(lái)模擬坡面匯流過(guò)程；

10、河道匯流模塊，采用馬斯京根法，在圣維南方程簡(jiǎn)化的基礎(chǔ)上，將河段上游斷面的入流過(guò)程演算成下游斷面的出流過(guò)程；

11、二維淹沒(méi)模塊，用于模擬洪水淹沒(méi)區(qū)域，采用淺水方程求解。

12、進(jìn)一步，產(chǎn)流模塊包括蒸散發(fā)過(guò)程模擬模塊、土壤水分運(yùn)動(dòng)過(guò)程模擬模塊和入滲過(guò)程模擬模塊；

13、蒸散發(fā)過(guò)程模擬模塊包括三種類(lèi)型的蒸發(fā)：冠層截留蒸發(fā)過(guò)程模擬模塊、植被蒸騰過(guò)程模擬模塊和裸土蒸發(fā)過(guò)程模擬模塊，三者之和作為每個(gè)網(wǎng)格的總實(shí)際蒸散發(fā)；

14、土壤水分運(yùn)動(dòng)過(guò)程模擬模塊由richards方程描述，采用直角坐標(biāo)系下混合式一、二、三維richards方程計(jì)算；

15、入滲過(guò)程模擬模塊采用green-ampt分層入滲的計(jì)算模式，當(dāng)凈雨入滲到第一層中，直至飽和，此時(shí)通過(guò)第一層土壤含水量和第二層土壤含水量的平均值計(jì)算水分從第一層入滲到第二層的實(shí)際導(dǎo)水率，直至第二層達(dá)到飽和；再通過(guò)同樣的方法計(jì)算第二層到第三層的實(shí)際導(dǎo)水率，依次類(lèi)推，直至入滲過(guò)程停止。

16、進(jìn)一步，坡面匯流模塊采用單位線(xiàn)來(lái)模擬坡面匯流過(guò)程，包括：計(jì)算網(wǎng)格匯流響應(yīng)和流路的匯流響應(yīng)；

17、計(jì)算網(wǎng)格匯流響應(yīng)，假設(shè)網(wǎng)格單元的坡面匯流過(guò)程是一維的不穩(wěn)定流，則采用擴(kuò)散波方程計(jì)算；

18、計(jì)算流路的匯流響應(yīng)，通過(guò)布朗運(yùn)動(dòng)的第一通過(guò)時(shí)間密度函數(shù)得到。

19、進(jìn)一步，河道匯流模塊采用馬斯京根法，在圣維南方程簡(jiǎn)化的基礎(chǔ)上，將河段上游斷面的入流過(guò)程演算成下游斷面的出流過(guò)程，為：

20、

21、

22、

23、

24、式中，、、是、、的函數(shù)，、分別指代上一時(shí)刻入流量和出流量，、分別指代本時(shí)刻入流量和出流量；為蓄量常數(shù)，為無(wú)因次的流量比重因子，為計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)。

25、進(jìn)一步，二維淹沒(méi)模塊用于模擬洪水淹沒(méi)區(qū)域，采用淺水方程求解，包括：

26、該淺水方程為在基本假設(shè)條件下對(duì)雷諾方程在沿水深方向上的積分形式；

27、基本假設(shè)條件包括：忽略垂向流速及垂向流速梯度假定壓強(qiáng)沿水深為靜水壓分布、流動(dòng)形式為漸變流、水面波動(dòng)振幅與水深相比為小量和/或局部水頭損失忽略不計(jì)。

28、第二方面，本發(fā)明采取的技術(shù)方案為：一種基于物理機(jī)制的分布式水文水動(dòng)力模型構(gòu)建系統(tǒng)，其包括：分布式水文模型構(gòu)建模塊，用于構(gòu)建分布式水文模型，在水平面上將流域劃分為網(wǎng)格，基于dem的數(shù)字地形分析，建立二維網(wǎng)格之間的水流依賴(lài)關(guān)系，并在每個(gè)網(wǎng)格的垂直方向上劃分為不同的水平層；二維水動(dòng)力模型構(gòu)建模塊，在每個(gè)網(wǎng)格及不同的水平層上，基于物理機(jī)制分別構(gòu)建用于刻畫(huà)降水、蒸發(fā)、土壤水分運(yùn)動(dòng)、坡面產(chǎn)流和坡面匯流的二維水動(dòng)力模型；耦合模塊，將分布式水文模型模擬的每個(gè)柵格單元的產(chǎn)流量作為二維水動(dòng)力模型的輸入流量，以將分布式水文模型與二維水動(dòng)力模型耦合，在山區(qū)建立分布式水文模型，實(shí)現(xiàn)水文過(guò)程的精細(xì)模擬，在平原蓄滯洪區(qū)在地形不規(guī)則網(wǎng)格實(shí)時(shí)剖分基礎(chǔ)上，建立河道-蓄滯洪區(qū)洪水演進(jìn)的二維水動(dòng)力模型，模擬淹沒(méi)水深、淹沒(méi)區(qū)域時(shí)空變化過(guò)程，以實(shí)現(xiàn)山區(qū)產(chǎn)流、一維河道匯流和平原區(qū)二維洪水淹沒(méi)過(guò)程的緊密耦合。

29、第三方面，本發(fā)明采取的技術(shù)方案為：一種存儲(chǔ)一個(gè)或多個(gè)程序的計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)，所述一個(gè)或多個(gè)程序包括指令，所述指令當(dāng)由計(jì)算設(shè)備執(zhí)行時(shí)，使得所述計(jì)算設(shè)備執(zhí)行如上述方法中的任一方法。

30、第四方面，本發(fā)明采取的技術(shù)方案為：一種計(jì)算設(shè)備，其包括：一個(gè)或多個(gè)處理器、存儲(chǔ)器及一個(gè)或多個(gè)程序，其中一個(gè)或多個(gè)程序存儲(chǔ)在所述存儲(chǔ)器中并被配置為所述一個(gè)或多個(gè)處理器執(zhí)行，所述一個(gè)或多個(gè)程序包括用于執(zhí)行上述方法中的任一方法的指令。

31、本發(fā)明由于采取以上技術(shù)方案，其具有以下優(yōu)點(diǎn)：

32、1、本發(fā)明構(gòu)建了具有物理機(jī)制的分布式水文水動(dòng)力模型進(jìn)行集合預(yù)報(bào)，與傳統(tǒng)的采用集總式水文模型相比，本發(fā)明的模型能詳細(xì)刻畫(huà)降水、蒸發(fā)、土壤水分運(yùn)動(dòng)、坡面產(chǎn)流、坡面匯流等水循環(huán)物理過(guò)程，更為合理地模擬降雨-徑流過(guò)程，并能夠提供點(diǎn)、線(xiàn)、面多維的洪水預(yù)報(bào)結(jié)果。

33、2、本發(fā)明將分布式水文模型與二維水動(dòng)力模型進(jìn)行耦合，在山區(qū)建立分布式水文模型，實(shí)現(xiàn)水文過(guò)程的精細(xì)模擬，在平原蓄滯洪區(qū)，建立河道-蓄滯洪區(qū)洪水演進(jìn)的二維水動(dòng)力模型，模擬淹沒(méi)水深、淹沒(méi)區(qū)域時(shí)空變化過(guò)程，為防災(zāi)減災(zāi)提供科學(xué)的決策支撐。