[发明专利]一种河道溃决洪水一、二维数学模型耦合分析方法

说明书

本发明提供了一种河道溃决洪水一、二维数学模型耦合分析方法。采集相应数据后，首先采用四边形或三角形非结构网格离散溃口出流淹没区和受溃口出流影响明显的河道段，其余河段采用一维断面数据概化。一维模型采用经典的Presimann隐格式求解，二维模型采用具有激波捕捉能力的Godunov格式求解。为避免数值震荡，保证一、二维模型连接处质量守恒和动量守恒，本方法提出的连接处为一过渡区域，在过渡区域内既进行一维模型计算，也进行二维模型计算。溃口启动后，溃口出流淹没区和河道二维计算区自动成为一体化二维计算区域，溃口出流过程的计算由二维模型完成。这种处理方法能够充分考虑溃口处河道内外的水动力响应过程，提高溃口出流过程的数值模拟精度，克服了传统方法中仅采用堰流公式计算溃口出流过程，不能考虑河道内外动量交换的缺点。

技术领域

本方法涉及水利工程领域，尤其涉及防洪减灾领域，具体为一种河道溃决洪水一、二维数学模型耦合分析方法。

背景技术

堤防是沿江河、湖泊、海洋的岸边或蓄滞洪区、圩区、水库库区的周边修建的防止洪水漫溢或风暴袭击的挡水建筑物，是防洪工程体系中的重要组成部分。历史上，我国堤防溃决的记录是惊人的，近些年，随着国家对水利工程的投入不断增加，大江大河的堤防防洪标准和工程质量有了明显提高，但是溃堤事件还是时有发生。

目前，在进行溃堤洪水的分析计算时，有两种常用的方法。一种是水文学方法，该方法基于水量平衡的原理，结合地理信息数据，能给出洪水的最终淹没范围，但是该方法一般用于淹没范围相对较小和较封闭的区域，不能提供详细的水动力淹没过程。另一种是水动力学的方法，由于一维模型效率高，所需地形资料相对较少，同时能够很方便地处理一些水工建筑物，被广泛地用于河道洪水模拟中，但在处理一些如无固定路径的地表洪水演进等具有明显二维属性的水流时则具有很大的局限性。二维模型在处理复杂水流上具有明显的优势，精度更高，但是也存在如计算效率较低等缺点。一维模型和二维模型具有各自的优势，将两者进行耦合来模拟溃堤洪水是优化的选择。

目前，一、二维耦合的溃堤数学模型技术已经发展的比较稳定，基本上耦合位置都是设在溃口处，河道完全用一维模型模拟，淹没区用二维模型模拟，这种处理方法有一个很突出的问题，就是当溃决发生后，溃口附近的河道内会出现一个非常复杂的水动力响应过程，在溃口处沿着垂直河道的方向看，临近溃口的河道水面下降迅速，远离溃口的一侧河道水面下降缓慢，尤其是当河道较宽时，溃口对岸的水位甚至不会发生非常明显的变化，这个现象单纯靠一维模型中设定的河道溃口处能量守恒、水量守恒等条件假设来进行求解，会均化溃口附近河道内水动力变化过程，给最终的计算结果带来较大的数值误差，另外，这种耦合方式在退水阶段时常会出现数值震荡问题，为了消除数值震荡，会人为采取一些数值光滑手段，这样也会给计算结果带来较大误差。

发明内容

本发明的目的是提供一种河道溃决洪水一、二维数学模型耦合分析方法，该方法区别于传统的一维河道加二维淹没区的耦合计算方式，将受溃口出流影响明显的上下游附近河道包括溃决淹没区一起采用二维数学模型进行模拟，其它河段采用一维数学模型进行模拟，一、二维模型耦合的界面设置在河道内而不是传统的耦合方式设置在溃口处。该方法能够考虑溃口附近河道内外详细的水动力响应过程，提高溃堤洪水计算的模拟精度。

本发明的目的是通过以下方案实现的：

本方法为一种溃堤洪水一、二维数学模型耦合分析方法，该方法针对现有的一、二维堤防溃决洪水数学模型存在的问题，提出将一、二维数学模型的耦合界面设置在河道内(溃口出流影响明显的河段上下游位置处)而不是传统的溃口位置处，能够克服传统一、二维耦合模型对溃口处河道水力响应过于简化的缺点，提升整个溃堤洪水过程的计算精度。该方法需要采集河道地形数据和溃堤淹没区地形数据，溃口信息数据以及河道上、下游洪水信息数据，具体包括以下步骤：