[发明专利]一种提高河道演算稳定性的总变差递减方法

说明书

本发明公开了一种提高河道演算稳定性总变差递减方法，主要用于水文预报中的河道演算。该总变差递减方法中通过引入一个限制器将单调且非振荡的一阶形式和非单调的高精度的二阶形式相结合，使模拟的河道断面流量在水量增减变化相对平缓的时间段内尽可能多地保持二阶精度，而在水量增减变化较大的时间段内引入一阶形式来保持相应的河道演算的稳定性。将河道演算方法与该总变差递减格式相结合之后，河道演算计算效率更高，结果更稳定，不产生振荡或者扩散，能保持良好的模拟精度。因此，该总变差递减方法可促进水文预报模型及水库科学管理的发展，并且可用于实时洪水预报，提高预见期和模拟精度。

技术领域

本发明属于水文技术领域，具体涉及一种提高河道演算稳定性的总变差递减方法。

背景技术

我国流域面积200至3000km²的中小流域近9000个，这些中小流域多位于山区，流域中沿岸水土条件好，耕地多，人口密集，一旦发生洪灾，会严重威胁人民群众的生命安全和财产安全。目前，中小河流局地突发性强降雨的预测预报能力不强，短历时洪水预报预警整体水平不高，防洪工程调度困难，应急处置技术体系薄弱，难以满足洪水防控和应急管理的需求。在新的历史条件下，开展中小河流的治理工作和提升中小河流的防洪能力已经成为亟待解决的重大问题。提高水文预报系统及水文模型的预报能力是提升中小河流防洪能力的关键，而河道演算是分布式水文模型及水文预报系统中不可或缺的一部分，且对模拟结果有至关重要的影响。

传统的线性河道演算方法包括线性水库方法以及Muskingum方法，虽然这两种方法可以在某种程度上保持质量守恒，但是由于其固定波速的假设使这两种方法在入流梯度较大时，出流过程线会产生不符合物理规律的震荡或者出现负值。Muskingum-Cunge演算法虽然将马斯京根方法演算法扩展到时间可变参数，但在应用过程中仍然会出现水量不平衡以及不符合物理规律的震荡或者超调现象。Muskingum-Cunge-Todini方法虽然解决了Muskingum-Cunge方法中的质量不守恒问题，但对于不符合物理规律的震荡或者超调现象并未解决。目前，解决这种震荡或者超调现象只能通过缩短河道演算的时间步长，但所需的计算时间也会相应增加，降低了计算效率，会在一定程度上影响模拟的精度，导致河道汇流演算费时且不准确，从而为山区性中小河流的山洪灾害防治留下隐患。

发明内容

发明目的：针对以上问题，本发明提出一种提高河道演算稳定性的总变差递减方法，减少河道演算方法数值计算的不稳定性，防止模拟的流量过程线出现不符合物理规律的震荡或者超调，不需要通过缩短河道演算的时间步长来保持计算的稳定性，可提高计算效率。

技术方案：为实现本发明的目的，本发明所采用的技术方案是：一种提高河道演算稳定性的总变差递减方法，包括以下步骤：

S1，提取出流域的河道栅格数据、填洼数据、汇流累积数据、河道流向数据；

S2，对提取的河道栅格进行编号，得到编码文件；

S3，计算出每个河段的长度、河宽及河道坡降；

S4，用曼宁公式反推出每个河段的初始水深；

S5，采用Newton-Raphson迭代法对流量进行迭代得到河段下断面的出流量；

S6，根据限制器求出下个河段上断面和下断面时间权重系数θ_I和θ_Q；

S7，重复步骤S5和S6依次计算出每个河段出流量。

进一步，步骤S2中，对提取的河道栅格进行编号，具体包括：

将提取的河道汇流累积值最大的栅格设为编号为1，从编号为1的栅格开始，向上游搜索入流栅格，直至搜索到河道的源头栅格，如果在搜索中发现有两个入流栅格，则这两个入流栅格编号相同，依次搜索设置编号到各支流河链的起始点，其中编号最大的河道栅格为N_max，其他栅格数值设置为0，得到编码文件。