[发明专利]一种平原河网地区的洪水演进模拟方法

说明书

本发明公开的是一种平原河网地区的洪水演进模拟方法，属于洪水演进模拟领域，本发明步骤：先采用GIS软件程序编辑研究区域河网结构和自动编号；然后对外部边界采用特殊节点予以概化，且以特殊节点方程处理；构建分布式水库群调蓄模型；最后河网计算采用一套统一的河道追赶系数，且采用三元组表存储系数矩阵的非零元素，节点方程组采用松弛迭代法求解，本发明可以实现河网要素自动编号以及自动识别节点和河道的连接关系，节省了大量的人力工作；边界在节点上予以处理，大大简化了计算流程；分布式水库群调蓄模型能更加真实地反映平原的调蓄能力；节点方程组采用三元组表存储非零元素，无需额外的附加识别工作，即可大大提高计算速度。

技术领域

本发明涉及一种洪水演进模拟方法，更具体一点说，涉及一种平原河网地区的洪水演进模拟方法，属于洪水演进模拟领域。

背景技术

当前，对于平原河网地区的洪水演进模拟方法大多采用非恒定流的河网计算方法，即对圣维南方程组进行差分离散，然后采用计算机编程求解。如丹麦DHI公司的MIKE 11模型、国内河海大学的HOHY2模型均已广泛应用于我国大部分沿海地区的洪水模拟工作中。但是，关于平原河网的数值模拟，目前流行的洪水演进模拟方法在使用上存在以下缺陷：

1、计算速度慢，精度差

以丹麦DHI公司的MIKE 11为例。MIKE 11采用Abbott六点中心格式差分，河道上的计算节点按照水位-流量-水位的顺序交替布置，即水位节点和流量节点不在同一断面上，如此导致布置的断面位置只有水位结果，无流量结果，其流量结果需上下节点的流量内插求得，对使用者应用很不方便。由于Abbott格式需要保持很小的计算步长才可收敛，当△T较大时，收敛速度慢，原因是相对误差比较大。广东省水科院的郑国栋等人采用实例对Abbott格式、Preissmann格式和柯朗格式进行了计算对比，结果表明：Abbott格式计算过程中，震荡较大，收敛较慢，在相同的时间步长下，计算精度较差。

2、河网结构和编号复杂

河海大学的HOHY2模型采用河网三级解法，大大提高了计算效率。但其对河网的概化和编号依旧很复杂：首先，HOHY2模型划分了外河道和内河道，外河道(与边界相连接的河道)采用一套追赶系数，内河道(与边界无连接的河道)采用一套追赶系数，为了边界的处理，人为增加了河网结构和计算的复杂度；其次，河道节点编号、断面编号和河道之间的连接关系，仍需要人为手动编号，人为识别连接关系，工作量较大。

3、节点水位求解方法仍不够优化

节点水位方程组的求解是制约模型计算速度的重要因素。河海大学提出了两种解决方式：最优编码法和矩阵标识法。最优编码法的原理在于尽量使相邻节点的编号差(即带宽)最小，这对使用者提出很高要求，同时天然河网很难实现最优编码。矩阵标识法的原理是对非零元素进行标识，从而减少零元素的运算。矩阵标识法可适用任意的河网编码，但其缺点是需事先形成矩阵标识代码数组和行代码指示数组，有一定的附加工作量。

4、平原调蓄难以正确反映

无论是MIKE 11模型，还是HOHY2模型，包括其他一些水动力计算模型，对于平原地区的调蓄能力始终难以正确描述。MIKE 11通过设置断面的水位～容积关系曲线反映未概化河道和水面的调蓄能力，而对于河道包围的多边形区块的调蓄能力如何分配到周边的断面上，MIKE 11仍需要人为指定。

对于HOHY2模型，其引入了“陆域宽度”和“调蓄河宽”的概念。陆域宽度为单位河长的多边形区块面积；调蓄河宽为现有河宽和附加河宽之和，附加河宽为陆域宽度与多边形区块的水面率的乘积。总之，HOHY2模型的调蓄能力是通过河道包围的多边形区块的水面积按照河长平均分配到周边河道的河宽上。