一种基于自适应网格的城市陆水模拟耦合方法及系统

技术领域

本发明涉及城市洪涝模拟技术领域，更具体的说是涉及一种基于自适应网格的城市陆水模拟耦合方法及系统。

背景技术

在城市洪涝模拟中，传统方法为单独使用水文模型或水动力模型，以及水文水动力耦合模型。而单独采用水文模型或水动力模型都存在不足，分布式水文模型精于产汇流过程计算，但由于分布式水文模型不考虑严格的动量守恒，不能精确地描述河湖中的洪水演进动力过程。而基于二维浅水方程的水动力学模型，尤其是采用显格式和激波捕捉数值方法的二维水动力模型，常用于模拟河湖复杂流态的动力过程。因此，采用水文-水动力耦合模型实现城市陆域-河湖的模拟是发展趋势。

水文模型和水动力模型的耦合，关键的问题是实现两者之间时空尺度的匹配统一，而目前的耦合方法存在一些问题：1.集总式水文模型无法充分考虑城市复杂的地表空间差异性，划分排水分区、计算出口流量不能充分体现真实的洪水演进过程；2.水文模型与水动力模型之间的空间尺度差异，导致模拟过程的不连贯性、整体质量的不守恒；3.水文模型与水动力模型之间的时间尺度差异，降低了洪水演进过程模拟效率和准确性。

因此，如何提供一种充分考虑城市复杂的地表空间差异性、使水文模型与水动力模型的时空尺度匹配的耦合方法是本领域技术人亟需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种基于自适应网格的城市陆水模拟耦合方法及系统，基于自适应网格实现从陆域到水体的递进式网格划分，实现陆域水文模型和河湖二维水动力模型之间的耦合，解决城市陆水模型耦合的时空尺度匹配问题。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于自适应网格的城市陆水模拟耦合方法，包括以下步骤：

S1、将城市划分为陆域计算区域和水体计算区域；

S2、采用1：2自适应网格递进式网格划分水体计算区域；

S3、在陆域计算区域和水体计算区域内分别构建模型；

S4、以水体计算模型的时间步长作为陆域计算模型和水体计算模型计算的统一时间步长；

S5、以降雨量作为陆域计算模型的驱动条件，以降雨量和陆域计算模型的汇流流量作为水体计算模型的驱动条件，实现陆域和水体的耦合。

可选的，S1具体为：以城市的DEM栅格数据为基础，将城市划分为陆域计算区域和水体计算区域。

可选的，S2具体为：将陆域计算区域和水体计算区域交界处的DEM栅格定义为陆域边界和水体边界，将陆域边界栅格作为水体边界栅格的基础栅格，采用1：2自适应网格递进式划分水体计算区域。

可选的，S3具体为：在陆域计算区域构建基于DEM栅格的城市分布式水文模型，在水体计算区域构建基于自适应网格的河湖二维水动力模型。

可选的，S4具体为：采用动态自适应时间步长方法计算河湖二维水动力模型的时间步长，将河湖二维水动力模型的时间步长作为河湖二维水动力模型和城市分布式水文模型计算的统一时间步长，在每一个时间步长在陆域边界和水体边界交互流量和水位数据。

本发明还公开了一种基于自适应网格的城市陆水模拟耦合系统，包括：网格划分模块、空间尺度匹配模块、模型构建模块、时间尺度匹配模块、模型驱动模块；

网格划分模块，与模型构建模块连接，用于将城市划分为陆域计算区域和水体计算区域；

空间尺度匹配模块，与网格划分模块连接，用于连接陆域计算区域和水体计算区域，建立两者数据交换的空间尺度关系；

模型构建模块，与空间尺度匹配模块连接，用于在陆域计算区域和水体计算区域内分别构建模型；

时间尺度匹配模块，与模型驱动模块连接，用于连接陆域计算区域和水体计算区域，建立两者数据交换的时间尺度关系，驱动模型进行模拟计算。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种基于自适应网格的城市陆水模拟耦合方法及系统，具有以下有益效果：采用自适应网格递进式划分水体计算区域实现空间尺度的自然匹配，采用二维水动力模型的时间步长进行两个模型的统一计算，从而实现时空尺度的匹配统一；基于自适应网格实现从陆域到水体的递进式网格划分，充分考虑了城市水文过程和河湖水循环过程的相互作用关系，实现了陆域水文模型和河湖二维水动力模型之间的耦合，解决了城市陆水模型耦合的时空尺度匹配问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明的耦合方法流程图；

图2为本发明的网格划分示意图；

图3为本发明的耦合系统原理图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明公开了一种基于自适应网格的城市陆水模拟耦合方法，如图1所示，包括以下步骤：

S1、将城市划分为陆域计算区域和水体计算区域；

S2、采用1：2自适应网格递进式网格划分水体计算区域；

S3、在陆域计算区域和水体计算区域内分别构建模型；

S4、以水体计算模型的时间步长作为陆域计算模型和水体计算模型计算的统一时间步长；

S5、以降雨量作为陆域计算模型的驱动条件，以降雨量和陆域计算模型的汇流流量作为水体计算模型的驱动条件，实现陆域和水体的耦合。

进一步的，S1具体为：以城市的DEM栅格数据为基础，将城市划分为陆域计算区域和水体计算区域。

进一步的，S2具体为：将陆域计算区域和水体计算区域交界处的DEM栅格定义为陆域边界和水体边界，将陆域边界栅格作为水体边界栅格的基础栅格，采用1：2自适应网格递进式划分水体计算区域，划分结果如图2所示。

进一步的，S3具体为：在陆域计算区域构建基于DEM栅格的城市分布式水文模型，在水体计算区域构建基于自适应网格的河湖二维水动力模型。

进一步的，S4具体为：采用动态自适应时间步长方法计算河湖二维水动力模型的时间步长，将河湖二维水动力模型的时间步长作为河湖二维水动力模型和城市分布式水文模型计算的统一时间步长，在每一个时间步长在陆域边界和水体边界交互流量和水位数据。

动态自适应时间步长方法具体为：

式中，Δt为时间步长，Δx

与图1所述的方法相对应，本发明实施例还提供了一种基于自适应网格的城市陆水模拟耦合系统，用于对图1中方法的具体实现，本发明实施例提供的城市陆水一体化模拟耦合系统可以应用计算机终端或各种移动设备中，其原理图如图3所示，包括：网格划分模块、空间尺度匹配模块、模型构建模块、时间尺度匹配模块、模型驱动模块；

网格划分模块，与模型构建模块连接，用于将城市划分为陆域计算区域和水体计算区域；

空间尺度匹配模块，与时间尺度匹配模块连接，用于连接陆域计算区域和水体计算区域，建立两者数据交换的空间尺度关系；

模型构建模块，与空间尺度匹配模块连接，用于在陆域计算区域和水体计算区域内分别构建模型；

时间尺度匹配模块，与模型驱动模块连接，用于连接陆域计算区域和水体计算区域，建立两者数据交换的时间尺度关系，驱动模型进行模拟计算。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。