应用概念模型的水流计算方法及系统与流程

本发明涉及水流计算技术领域，具体而言，涉及一种应用概念模型的水流计算方法及系统。

背景技术

水流类型的划分是水流学研究的基础工作。数据高程模型(dem，digitalelevationmodule)为水流类型划分提供了大量的基础数据，数字水流分析和水流类型的自动划分已成为研究热点。现有技术上，dem设计实现了针对水流类型的提取方法和流程。

一般来说，大面积范围的洪涝风险分析或洪涝灾情预报是必要的，洪涝灾情预报可以给民众预防灾害。原因是不少极端大量降雨事件影响的地域范围很大，例如，台风或暴雨带来的强降雨过程。由于流域是个有机整体，需将整个流域作为研究对象，才利于集成的计算与分析。例如，流域的上游地区与下游地区是密切相关的，上游地区的洪水会直接影响下游地区的汛情。下游地区的河流水位高程或出海口海平面高程，会通过回水效应影响上游地区的河流流动。

技术实现要素：

鉴于上述问题，本发明提供了一种应用概念模型的水流计算方法及系统，采用高分辨率的栅格计算单元对大区域水流进行预测的研究，能够提高水流预测的准确性。

为了实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：

第一方面，本发明提供了一种应用概念模型的水流计算方法，基于数据高程模型通过计算机程序以模拟大区域水流，所述水流计算方法包括：

由所述数据高程模型对大区域水流取得多个栅格，其中各栅格相连成大区域水流图像；

划分各栅格为多个子栅格，通过栅格计算方程式来计算各子栅格的地表水信息、土壤水信息或地下水信息；

根据所述多个子栅格中的所述地表水信息、所述土壤水信息或所述地下水信息通过预设参数以模拟大区域水流；

其中，由预设方程式通过所述概念模型来计算所述预设参数的排水管网汇流参数。

作为一种可选的实施方式，在根据所述多个子栅格中的所述地表水信息、所述土壤水信息或所述地下水信息通过预设参数以模拟大区域水流中，所述水流计算方法包括：

计算地表入渗产流参数，根据所述子栅格中的所述地表水信息和所述土壤水信息来计算所述地表入渗产流参数，所述地表入渗产流参数包括蓄满产流因子和超渗产流因子；或

计算坡面汇流参数，通过一维流动方程式比较下游水位因子及本地水位因子来计算所述坡面汇流参数。

作为一种可选的实施方式，在根据所述多个子栅格中的所述地表水信息、所述土壤水信息或所述地下水信息通过预设参数以模拟大区域水流中，所述水流计算方法包括：

计算地表积水流动参数，通过至少一个一维流动方程式来计算所述地表积水流动参数；

其中，由所述预设方程式通过所述概念模型根据排水能力因子来计算所述排水管网汇流参数。

作为一种可选的实施方式，在根据所述多个子栅格中的所述地表水信息、所述土壤水信息或所述地下水信息通过预设参数以模拟大区域水流中，所述水流计算方法包括：

计算地下水流动参数，根据所述子栅格中的所述土壤水信息及所述地下水信息来计算所述地下水流动参数，其中，所述地下水流动参数为计算地表下的上部非饱和层及下部饱和层间的变化因子；或

计算河道汇流参数，通过二维流动方程式来计算所述河道汇流参数，其中，所述河道汇流参数为计算河道的地表水及地下水的交换因子。

作为一种可选的实施方式，在根据所述多个子栅格中的所述地表水信息、所述土壤水信息或所述地下水信息通过预设参数以模拟大区域水流中，所述水流计算方法包括：

计算海水倒灌参数，通过二维流动方程式来比较海平面高程因子及沿海平面高程因子以计算所述海水倒灌参数。

第二方面，本发明提供了一种应用概念模型的水流计算系统，所述水流计算系统基于数据高程模型通过计算机程序以模拟大区域水流，所述水流计算系统包括：

测量模块，用于通过所述数据高程模型对大区域水流取得多个栅格，其中各栅格相连成大区域水流图像，通过栅格计算方程式来计算各栅格的地表水信息、土壤水信息或地下水信息；

划分模块，用于划分各栅格为多个子栅格；

处理模块，用于根据所述多个子栅格中的所述地表水信息、所述土壤水信息或所述地下水信息通过预设参数以模拟大区域水流，所述划分模块连接所述测量模块及所述处理模块；

其中，由处理模块存储的预设方程式通过所述概念模型来计算所述预设参数的排水管网汇流参数。

作为一种可选的实施方式，所述处理模块包括：

地表入渗产流单元，用于计算地表入渗产流参数，所述地表入渗产流单元根据所述子栅格中的所述地表水信息和所述土壤水信息来计算所述地表入渗产流参数，所述地表入渗产流参数包括蓄满产流因子和超渗产流因子；或

坡面汇流单元，用于计算坡面汇流参数，所述坡面汇流单元通过一维流动方程式比较下游水位因子及本地水位因子来计算所述坡面汇流参数。

作为一种可选的实施方式，所述处理模块包括：

地表积水流动单元，用于计算地表积水流动参数，所述地表积水流动单元通过至少一个一维流动方程式来计算所述地表积水流动参数；或

排水管网汇流单元，用于计算排水管网汇流参数，由所述排水管网汇流单元存储的所述预设方程式根据排水能力因子来计算所述排水管网汇流参数。

作为一种可选的实施方式，所述处理模块包括：

地下水流动单元，用于计算地下水流动参数，所述地下水流动单元根据所述子栅格中的所述土壤水信息及所述地下水信息来计算所述地下水流动参数，其中，所述地下水流动参数为计算地表下的上部非饱和层及下部饱和层间的变化因子；或

河道汇流单元，用于计算河道汇流参数，所述河道汇流单元通过二维流动方程式来计算所述河道汇流参数，其中，所述河道汇流参数为计算河道的地表水及地下水的交换因子。

作为一种可选的实施方式，所述处理模块包括：

海水倒灌单元，用于计算海水倒灌参数，所述海水倒灌单元通过所述二维流动方程式来比较海平面高程因子及沿海平面高程因子以计算所述海水倒灌参数。

根据本发明提供的应用概念模型的水流计算方法及系统；由数据高程模型对大区域水流取得多个栅格；划分各栅格为多个子栅格；根据多个子栅格中的地表水信息、土壤水信息或地下水信息来模拟大区域水流的趋势信息，通过概念模型来计算排水管网汇流参数，增加地下水信息的精密度，另外，概念模型能同时考虑排水量及排水能力而计算排水管网汇流参数，有效增加水流计算方法的准确度。可见，实施本发明的技术方案能通过同时考虑地表入渗产流参数、坡面汇流参数、地表积水流动参数、排水管网汇流参数、地下水流动参数、河道汇流参数及高程变异系数海水倒灌参数等等的预设参数组合来提高预测水流趋势的准确性，从而提高水流环境预测的实时性和准确性。为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对本发明范围的限定。

图1a是本发明实施例1提供应用概念模型的水流计算方法的流程示意图。

图1b是本发明实施例1提供大区域水流图像示意图。

图1c是本发明实施例1提供地下水深度的栅格示意图。

图2是本发明实施例2提供应用概念模型的水流计算系统的方块示意图。

主要元件符号说明：

200-水流计算系统；210-测量模块；220-划分模块；230-处理模块；231-地表入渗产流单元；232-坡面汇流单元；233-地表积水流动单元；234-排水管网汇流单元；235-地下水流动单元；236-河道汇流单元；237-海水倒灌单元。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中附图，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。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的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。

针对现有技术中的问题，本发明提供了一种应用模型概念的水流计算方法和系统；由数据高程模型对大区域水流取得多个栅格，其中各栅格相连成大区域的水流图像，通过栅格计算方程式来计算各栅格的地表水信息、土壤水信息或地下水信息；划分各栅格为多个子栅格；根据多个子栅格中的地表水信息、土壤水信息或地下水信息通过一维流动方程式及/或二维流动方程式来计算多个参数以模拟大区域水流。可见，实施本发明的技术方案能够提高预测水流趋势的准确性，同时考虑多个关于水流参数的组合，从而提高水流环境预测的实时性和准确性。并且，该技术可以采用相关的软件或硬件实现，下面通过实施例进行描述。

实施例1

请同时参阅图1a、图1b及图1c，图1a是本发明实施例1提供应用模型概念的水流计算方法(以下简称“水流计算方法”)的流程示意图。图1b是本发明实施例1提供大区域水流图像示意图。图1c是本发明实施例1提供地下水深度的栅格示意图。水流计算方法基于数据高程模型(dem,digitalelevationmodule)通过计算机程序以计算大区域水流。如图1所示，水流计算方法包括以下步骤：

s101、由数据高程模型对大区域水流取得多个栅格，其中各栅格相连成大区域水流图像。

在一实施例中，本发明对栅格的获取可以从网络中进行获取，或是从近地卫星上高分辨率的测量系统内置的计算机程序中获取。进一步来说，数据高程模型通过栅格计算方程式来计算各栅格的地表水信息、土壤水信息或地下水信息，通过近地卫星上的测量系统来测量每个栅格具有多少的地表水、多少的土壤水及多少的地下水。在图1b中，由多个栅格相连成大区域水流图像，例如，图中灰阶的深浅可以表示不同的河道高程，深灰阶表示较高的河道高程，浅灰阶表示较低的河道高程。

s103、划分各栅格为多个子栅格，通过栅格计算方程式来计算各子栅格的地表水信息、土壤水信息或地下水信息。

在一实施例中，栅格为大栅格，子栅格为小栅格，由数据高程模型通过近地卫星上高分辨率的测量系统内置的计算机程序来将各大栅格划分为小栅格。例如，图1c代表栅格的地下水深度，负数越小代表地下水深度越深，负数越靠近零代表地下水深度越浅，将每栅格代表30米的量尺划分为每子栅格代表10米的量尺，每子栅格代表10米的量尺相对于每栅格代表30米的量尺可以显示出更精密的下水信息。在图1c中，整体栅格的平均地下水深度值为-5，中间子栅格的地下水深度值相对于邻近子栅格的地下水深度值，可以影响子栅格间的水流流向。

s105、根据多个子栅格中的地表水信息、土壤水信息或地下水信息通过预设参数以大区域水流。

在一实施例中，通过近地卫星上高分辨率的测量系统内置的计算机程序来模拟大区域水流可以考虑降雨、地表入渗、地表产流、坡面汇流、河道汇流、地下水、海水潮汐、台风等等影响因素。例如一维流动方程式可以包括一个水量平衡方程式和一个动量方程式。二维流动方程式可以包括一个水量平衡方程式和两个动量方程式。动量方程式可以包括运动波方法、扩散波方法、惯性方法或动力波方法。

例如，一维流动方程式可称为圣维南方程式，包括一个水量平衡方程式和一个动量方程式，如下：

水量平衡方程式：

动量方程式：

在水量平衡方程式中，a为水流断面面积，t为时间，u为水流速度，x为沿水流方向的空间坐标。

在动量方程式中，为本地加速度项，为对流加速度项，为压力梯度项，gsf为摩擦力项，gs为重力项，g为重力加速度，h为水流深度，sf为水面坡度，s为水流底部地面坡度。

在圣维南方程式的基础上，有几种不同的计算方法。上述几种不同的计算方法的水量平衡方程式相同，区别在于动量方程式。圣维南方程式的动量方程式分别为：

(a)动力波方法：采用完整的动量方程式(即上述的动量方程式)；

(b)惯性形式方法：动量方程式包括本地加速度项、压力梯度项、摩擦力项和重力项，如下：

(c)扩散波方法：动量方程式包括压力梯度项、摩擦力项和重力项，如下：

(d)运动波方法：动量方程式包括摩擦力项和重力项，如下：

gsf-gs＝0。

其中，由预设方程式通过概念模型来计算预设参数的排水管网汇流参数，由上述方程式可知，排水管网汇流参数的变化因子可以包括水流断面面积、水流时间、水流方向的空间坐标、本地加速度项、对流加速度项、压力梯度项、摩擦力项、重力项、重力加速度、水流深度、水面坡度及水流底部地面坡度的其中至少一，根据上述的变化因子来调整排水管网汇流参数。简单来说，水量平衡方程式需考虑流域中输入的水及输出的水，水量平衡方程式可针对为大气领域、水流领域、土壤领域、地下水领域来进行计算。其中，数据高程模型根据多个子栅格中的地表水信息、土壤水信息或地下水信息，接着通过一维流动方程式及/或二维流动方程式计算多个参数以模拟大区域水流，计算多个预设参数可以包括计算地表产流参数、坡面汇流参数、地表积水流动参数、排水管网汇流参数、地下水流动参数、河道汇流参数或海水倒灌参数，另外，本实施例通过概念模型能同时考虑排水量及排水能力而计算排水管网汇流参数，有效增加水流计算方法的准确度。以下为计算各预设参数的说明。

在另一实施例中，计算地表入渗产流参数，数据高程模型根据子栅格中的地表水信息和土壤水信息来计算地表入渗产流参数，地表入渗产流参数包括蓄满产流因子和超渗产流因子。蓄满产流因子代表地表土壤的饱和蓄水度，超渗产流因子代表地表土壤的蓄水度(已超过地表土壤的饱和蓄水度)。例如，当超渗产流因子超过一阀值时，代表降水强度超过地表土壤的饱和蓄水度。当降水强度较大而发生洪涝灾害时，容易发生超渗产流。例如，同时参照蓄满产流因子和超渗产流因子入渗到土壤里的水量，能够更符合实际模拟的蓄满产流和超渗产流。另外，当地表积水时，积水可能通过地表入渗进入到土壤，因此，洪涝过程与地表水信息和土壤水信息是高度正相关的。

在又一实施例中，计算坡面汇流参数，通过一维流动方程式比较下游水位因子及本地水位因子来计算坡面汇流参数。

例如，在计算坡面汇流参数时，坡面汇流参数相关于水位因子，当下游水位因子高于或等于本地水位因子时，回水效应明显；当下游水位因子低于本地水位因子时，回水效应不明显。例如，坡面汇流参数可以为坡面汇流时间，当坡面水流流程为数十公尺时，坡面汇流时间为数分钟。

在又一实施例中，计算地表积水流动参数，通过至少一个一维流动方程式来计算地表积水流动参数。

进一步来说，当地表排水能力不佳且发生淹水情况时，地势高区域与地势低区域之间就会发生地表积水流动。一般来说，计算地表积水流动参数是通过两维流动方程式，然而，两维流动方程式的计算负荷量较高。在本实施例中，数据高程模型通过两个一维流动方程式来计算地表积水流动参数可以有效降低计算量，提高计算效率，增加计算稳定性。

在又一实施例中，由预设方程式通过概念模型根据排水能力因子来计算排水管网汇流参数。

例如，排水管网汇流参数可以通过一维流动方程式或二维流动方程式来计算，数据高程模型通过运动波方式的一维流动方程式计算排水管网里的水流。概念模型的计算方法主要是依据城区的排水管网设计的排水能力来计算地表产流之后，经过排水管网流入河道的水量。例如，各城区的排水管网设计的密集度，或是排水管网的截面积，或是排水管网的截面积的长度，设置排水管网连接河道或是近海，皆会影响排水能力因子调整排水管网汇流参数。排水管网汇流参数可以同时参考计算坡面汇流参数的回水效应，提高水流模拟的准确性。例如，当雨水降落地面后，需要通过排水管网来进行排水，排水管网的密集程度相关于排水管网汇流参数。因此，在城市区域建设中，排水管网设计需要受到高度重视，以防止大量淹水。

在又一实施例中，计算地下水流动参数，数据高程模型根据子栅格中的土壤水信息及地下水信息来计算地下水流动参数，其中，地下水流动参数为计算地表下的上部非饱和层及下部饱和层间的变化因子。

进一步来说，根据子栅格中的土壤水信息及地下水信息来计算地表下的上部非饱和层及下部饱和层间的变化因子。例如，地表与岩石之间的土壤可以分为上部非饱和层及下部饱和层，上部非饱和层及下部饱和层的界面即是地下潜水水位，此地下潜水水位能够动态变化而产生变化因子。地下潜水可以在相邻栅格或子栅格间进行流动，流动方向取决于地下潜水水位的高低关系，地下潜水的流动为由高潜水水位流向低潜水水位。

在又一实施例中，计算河道汇流参数，数据高程模型通过二维流动方程式来计算河道汇流参数，其中，河道汇流参数为计算河道的地表水及地下水的交换因子。

河道汇流参数是通过二维流动方程式来计算。相较于一维流动方程式，二维流动方程式具有更高的精密度，更准确计算河道单元的地表水及河道两岸的地表水及地下水的交换因子。例如，河道水位高程超过堤防高程时，河道两岸发生的淹没动态过程即需要通过二维流动方程式来模拟计算。例如，河道汇流参数的影响要素可以为降雨、地形高程差、流道障碍物。降雨越大，河道汇流越急；降雨越小，河道汇流越缓。地形高程差越大，河道汇流越急；地形高程差越小，河道汇流越缓。流道障碍物越少，河道汇流越急；流道障碍物越多，河道汇流越缓。

在又一实施例中，计算海水倒灌参数，数据高程模型通过二维流动方程式来比较海平面高程因子及沿海平面高程因子以计算海水倒灌参数。

进一步来说，数据高程模型可以通过二维流动方程式根据海平面高程的变化来实现对海水倒灌参数的模拟。如果海平面高程增加，海平面高程因子高于沿海平面高程因子，海水即倒灌进入沿海或内河。例如，当台风引起海平面高程升高，海水即流入沿海低地，可以通过数据高程模型对海水倒灌参数的模拟。

实施例2

请参阅图2，图2是本发明实施例2提供应用概念模型的水流计算系统(以下简称“水流计算系统”)的方块示意图。水流计算系统200基于数据高程模型通过计算机程序以模拟大区域水流。水流计算系统200包括：

测量模块210，用于通过数据高程模型对大区域水流取得多个栅格，其中各栅格相连成大区域水流图像。

划分模块220，用于划分各栅格为多个子栅格，通过栅格计算方程式来计算各子栅格的地表水信息、土壤水信息或地下水信息。

处理模块230，用于根据多个子栅格中的地表水信息、土壤水信息或地下水信息通过预设参数以模拟大区域水流，其中，划分模块220连接测量模块210及处理模块230。其中，由处理模块230存储的预设方程式通过概念模型来计算预设参数的排水管网汇流参数。

处理模块230进一步包括地表入渗产流单元231、坡面汇流单元232、地表积水流动单元233、排水管网汇流单元234、地下水流动单元235、河道汇流单元236或海水倒灌单元237。以下为分别说明：

地表入渗产流单元231，用于计算地表入渗产流参数，地表入渗产流单元231根据子栅格中的地表水信息和土壤水信息来计算地表入渗产流参数，地表入渗产流参数包括蓄满产流因子和超渗产流因子。

坡面汇流单元232，用于计算坡面汇流参数，坡面汇流单元232通过一维流动方程式比较下游水位因子及本地水位因子来计算坡面汇流参数。

地表积水流动单元233，用于计算地表积水流动参数，地表积水流动单元233通过至少一个一维流动方程式来计算地表积水流动参数。

排水管网汇流单元234，用于计算排水管网汇流参数，由排水管网汇流单元存储的预设方程式根据排水能力因子来计算排水管网汇流参数。

地下水流动单元235，用于计算地下水流动参数，地下水流动单元235根据子栅格中的土壤水信息及地下水信息来计算地下水流动参数，其中，地下水流动参数为计算地表下的上部非饱和层及下部饱和层间的变化因子。

河道汇流单元236，用于计算河道汇流参数，河道汇流单元236通过二维流动方程式来计算河道汇流参数，其中，河道汇流参数为计算河道的地表水及地下水的交换因子。

海水倒灌单元237，用于计算海水倒灌参数，海水倒灌单元237通过二维流动方程式来比较海平面高程因子及沿海平面高程因子以计算海水倒灌参数。

根据本发明提供的应用概念模型的水流计算方法及系统；由数据高程模型对大区域水流取得多个栅格；划分各栅格为多个子栅格；根据所述多个子栅格中的地表水信息、土壤水信息或地下水信息来模拟大区域水流的趋势信息，通过概念模型来计算排水管网汇流参数，增加地下水信息的精密度，另外，概念模型能同时考虑排水量及排水能力而计算排水管网汇流参数，有效增加水流计算方法的准确度。可见，实施本发明的技术方案能够提高预测洪涝及大区域水流的准确性，同时考虑地表入渗产流参数、坡面汇流参数、地表积水流动参数、排水管网汇流参数、地下水流动参数、河道汇流参数及高程变异系数海水倒灌参数等等的预设参数，并通过一维流动方程式及/或二维流动方程式来模拟大区域水流的趋势信息，从而提高预测洪涝及大区域水流的准确性。

另外，在本发明各个实施例中的各功能模块或单元可以集成在一起形成一个独立的部分，也可以是各个模块单独存在，也可以两个或更多个模块集成形成一个独立的部分。

所述功能如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是智能手机、个人计算机、服务器、或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器(rom，read-onlymemory)、随机存取存储器(ram，randomaccessmemory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。