一种洪水演进的一体化模拟方法

1.一种洪水演进的一体化模拟方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1：勾画研究区域内部的地物的平面轮廓，对地物进行识别和分类，并根据地物的种类、特征和平面分布将研究区域划分为若干分区；步骤2：进行研究区域内地物精细建模，并开展河道与沿河城镇/蓄滞洪区的分区多级多尺度二维非结构网格建模，具体包括网格制作、地形插值；步骤3：将描述水流运动的二维控制方程在计算网格上进行时空数值离散，构建二维水动力求解器；步骤4：建立河道与沿河城镇/蓄滞洪区的地物计算模块、衔接计算模块，将它们耦合到二维水动力求解器从而构建洪水演进模拟器，该模拟器具备整体同步模拟河道与沿河城镇/蓄滞洪区洪水演进的能力；步骤5：建立河道与沿河城镇/蓄滞洪区的时空连通性控制模块，使之与洪水演进模拟器协调工作，进而组建洪水预演协同工作系统，实现河道与沿河城镇/蓄滞洪区洪水演进及其调控等的一体化模拟功能；步骤6：对于选定的研究区域，率定水动力求解器参数，设定研究区域的进出口开边界条件及洪水调控信息，启动所建立的洪水预演协同工作系统，逐时步开展河道与沿河城镇/蓄滞洪区洪水演进及调控的模拟；步骤7：将洪水预演协同工作系统算出的水流平面物理场、断面水位及流量过程等结果保存于硬盘，开展洪水调控分析及评估。 2.根据权利要求1所述的一种洪水演进的一体化模拟方法，其特征在于，所述步骤1具体为，步骤11：基于GIS、AutoCAD地形图，批量勾画河道与沿河区域中地物的平面轮廓，对各种地物进行识别；步骤12：对地物进行分类，将可能被淹没的地物划归于淹没类；将从不过流的地物划归于非淹没类；河道与沿河城镇/蓄滞洪区之间的大堤划归于淹没类地物，对淹没类、非淹没类地物分别采用不同标志的加以标识区分；步骤13：对于地物分布较复杂的区域，根据地物在平面上的形态、尺度与分布特征将河道与沿河城镇/蓄滞洪区划分为若干个分区，以帮助实现对各局部区域计算网格疏密程度的控制。 3.根据权利要求2所述的一种洪水演进的一体化模拟方法，其特征在于，所述步骤2具体为：步骤21：选用二维非结构网格作为河道与沿河城镇/蓄滞洪区建模的计算网格类型；步骤22：对于非淹没类地物，采用挖空法进行二维建模：将地物所占平面区域排除在计算区域之外，对于淹没类地物，采用实体法进行二维建模：根据地物轮廓布置网格使网格叠合地物，根据地物特征修改相应网格节点属性来描述地物，对地物附近进行网格局部加密，以提升网格的空间分辨率；步骤23：对于河道与沿河城镇/蓄滞洪区之间的条带状区域称为堤段，对于堤段采用实体法进行二维建模，对属于堤段范围的网格单元进行标识加以区分，将普通堤段的单元标识为1、闸控堤段的单元标识为2；步骤24：分区多级多尺度二维非结构网格剖分，采用网格尺度逐级放大方法，实现精细网格与大尺度网格的平顺衔接，满足不同区域对网格分辨率的不同要求；步骤25：将河道的散点地形与沿河城镇/蓄滞洪区的DEM地形进行拼接，并基于此对二维计算网格的节点进行地形插值。 4.根据权利要求1所述的一种洪水演进的一体化模拟方法，其特征在于，所述步骤3中二维水动力求解器是指以平面二维非结构网格、开边界条件、计算区域初始条件等为基础的，包括水流二维控制方程离散与求解、结果输出等功能的水力学计算程序，所述水流二维控制方程如下：所述水流二维控制方程如下： (1) (2) (3)式中，h(x, y, t)为水深，u(x, y, t)和v(x, y, t)分别为水平x和y方向的水深平均流速，t为时间，g为重力加速度，η(x, y, t)为自由水面高度，υ τ 为水平涡粘性系数，n m 为糙率。 5.根据权利要求1所述的一种洪水演进的一体化模拟方法，其特征在于，所述步骤4具体为：步骤41：建立沿河城镇/蓄滞洪区的地物计算模块，该模块首先根据平面区域特征识别地物及其种类，对于挖孔法形成的空腔，在进行其水动力计算时，将空腔边界视作固壁边界并应用法向流速为0、法向水位梯度为0的固壁边界条件，这些边界条件的表达式为：u=0，∂η/∂x=0                      (4)步骤42：建立河道与沿河区域的衔接计算模块，该模块首先根据沿河条带状区域的网格单元的标识识别区域类型，在此基础上，处理和计算沿河条带状区域可能出现的大水位梯度场景，包括如下步骤：步骤421：对于沿河条带状区域内单元的单元边，当它通流时定义法向水位梯度∂η/∂x的限制值Δ max ，作为联合使用θ 半隐方法和欧拉—拉格朗日方法求解水流控制方程的附加条件，步骤422：对于沿河条带状区域内单元的单元边，先判断其法向水位梯度的正负情况，当∂η/∂x≥0时水流动量方程中水位梯度项按下式计算-g∂η/∂x = -gMin(∂η/∂x, Δ max )                   (5a)当∂η/∂x<0时水流动量方程中水位梯度项按下式计算-g∂η/∂x = -gMax(∂η/∂x, -Δ max )                  (5b)步骤43：将地物计算模块与衔接计算模块耦合到二维水动力求解器，所得的洪水演进模拟器仍以Δt为间隔向前推演洪水的演进过程：步骤431：在每个时步初，二维水动力求解器调用衔接计算模块的判断和运算式，及地物计算模块的挖空边界运算规则，结合θ 半隐方法离散动量方程的水位梯度项，进而求解动量方程乃至整个水流控制方程，步骤432：在每个时步末，二维水动力求解器调用所述地物计算模块在挖空边界处应用u=0条件设定挖空边界处的法向流速，步骤433：二维水动力求解器完成Δt时间步长中的其他工作。 6.根据权利要求1所述的一种洪水演进的一体化模拟方法，其特征在于，所述步骤5具体为：步骤51：建立时空连通性控制模块，通过修改沿河堤段属性，来设定或更新河道与沿河城镇/蓄滞洪区之间的连通性，该模块实施时空连通性控制包括如下步骤：步骤511：设定时空连通性控制指标，对于普通堤段，根据选定的洪水预演方案和堤段稳定性资料，设定堤段溃决发生的起止时间、溃口范围、溃口地形，溃口过流终止时间可根据洪水预演方案中选定的抢险强度或以往经验估算；步骤512：标准化时空连通性控制指标，对于普通堤段，数据包括溃决堤段的地形升降起止时刻、单元列表、单元地形升降数值，对于闸控堤段，数据包括闸门开/关时刻、闸孔范围单元列表、闸底板高程及闸门高度；步骤513：基于步骤511~512规定及信息，通过修改沿河堤段范围网格单元的属性，设定或更新河道与沿河城镇/蓄滞洪区的连通性；步骤52：所组建的洪水预演协同工作系统仍以Δt为间隔逐时步向前推演，其中洪水演进模拟器与时空连通性控制模块的协同工作，包括如下步骤：步骤521：在每个Δt初始时刻，调用时空连通性控制模块更新河道与沿河城镇/蓄滞洪区的连通状态。若没有连通性变化事件发生，则进入步骤525；若有堤段连通性发生改变，则进入步骤522；步骤522：若某堤段的连通性由“阻断→连通”，则执行步骤523；若某堤段的连通性由“连通→阻断”，则执行步骤524，其中，连通的含义是指堤段溃决或开闸过流，阻断的含义是指堤段缺口被填充如初或关闸；步骤523：降低堤段范围内单元河床高程至设计值，进行这些单元及其边的水流状态初始化；步骤524：升高溃堤段范围内的单元地形高程至设计值，将已恢复挡水堤段范围内的单元当作固体边界处理，将单元水深、单元中心及各边的流速均设为0，以制造当前堤段形成阻断的情景；步骤525：在调用时空连通性控制模块完成堤段范围单元的连通性指标更新及配套的水流状态初始化之后，继续执行洪水演进过程计算；步骤526：每间隔一定的时间间隔，得到和储存水流的平面物理场数据，基于水流平面物理场数据，构建沿河城镇/蓄滞洪区淹退水场景，通过平均或积分得到断面平均水位及流量随时间的变化过程；步骤527：完成河道与沿河城镇/蓄滞洪区洪水演进的一体化模拟，基于水流平面物理场数据，获取洪水在沿河区域地物间的演进路径，制定避险转移路线，计算洪水指标和城镇洪水淹没损失，进而分析洪水调控效果和优化调控方案。