本發(fā)明涉及一種水文水資源及計算機，特別是關于一種基于物理機制的分布式水文水動力模型構建方法及系統。

背景技術：

1、受氣候變化和人類活動的影響，全球極端降水事件頻發(fā)導致洪澇災害問題日趨嚴重，直接威脅人民的生命安全和財產安全。洪水預報通過對未來水文情況作出科學預測，為防洪調度指揮決策提供科學依據，對提升防災減災能力具有重要支撐作用。

2、流域水文模型是洪水預報和水資源管理的重要工具，通過對未來水文情況作出科學預測和情景分析，為防洪調度指揮決策提供科學依據，有助于提升防災減災能力。盡管洪水預報預警業(yè)務近年來發(fā)展迅速，洪水預報預警水平顯著提高，但面對新形勢洪水預報預警的新要求，仍然存在諸多問題與不足。洪水預報主要采用的方法包括統計方法和水文模型兩大類。統計預報的方法，如降雨徑流法，根據降水與徑流的歷史觀測數據，建立數學關系，并由此預測洪水。這一類方法不考慮水循環(huán)的物理過程，只能針對有歷史實測資料的水文站點作洪水預警和預報，不能對資料缺乏地區(qū)進行洪水預報，難以適應新時期洪水預報的要求?；谒哪Ｐ偷暮樗A報所采用的模型包括集總式概念性模型和分布式模型，目前大多數的洪水預報采用集總式概念性模型，這一類模型將產匯流過程進行了概念化，將空間分布過程簡化為集中式，因此，預報精度往往比較低。

技術實現思路

1、針對上述問題，本發(fā)明的目的是提供一種基于物理機制的分布式水文水動力模型構建方法及系統，其能克服目前洪水預報中大多采用統計模型或概念性集總模型的問題。

2、為實現上述目的，第一方面，本發(fā)明采取的技術方案為：一種基于物理機制的分布式水文水動力模型構建方法，其包括：構建分布式水文模型，在水平面上將流域劃分為網格，基于dem的數字地形分析，建立二維網格之間的水流依賴關系，并在每個網格的垂直方向上劃分為不同的水平層；在每個網格及不同的水平層上，基于物理機制分別構建用于刻畫降水、蒸發(fā)、土壤水分運動、坡面產流和坡面匯流的二維水動力模型；將分布式水文模型模擬的每個柵格單元的產流量作為二維水動力模型的輸入流量，以將分布式水文模型與二維水動力模型耦合，在山區(qū)建立分布式水文模型，實現水文過程的精細模擬，在平原蓄滯洪區(qū)在地形不規(guī)則網格實時剖分基礎上，建立河道-蓄滯洪區(qū)洪水演進的二維水動力模型，模擬淹沒水深、淹沒區(qū)域時空變化過程，以實現山區(qū)產流、一維河道匯流和平原區(qū)二維洪水淹沒過程的緊密耦合。

3、進一步，分布式水文模型包括：平面結構特征和垂向結構特征；

4、在平面上將流域劃分為網格或子流域，每個網格作為基本計算單元；

5、在垂直面上，將每個基本計算單元又劃分為不同的水平層，包括冠層、地表層、土壤層和地下水層。

6、進一步，二維水動力模型包括：

7、融雪過程模塊，采用度日模型，根據氣溫和融雪率的經驗關系計算融雪量；

8、產流模塊，計算蒸散發(fā)過程、土壤水與地下水交互過程、地表產流與入滲過程；

9、坡面匯流模塊，采用單位線來模擬坡面匯流過程；

10、河道匯流模塊，采用馬斯京根法，在圣維南方程簡化的基礎上，將河段上游斷面的入流過程演算成下游斷面的出流過程；

11、二維淹沒模塊，用于模擬洪水淹沒區(qū)域，采用淺水方程求解。

12、進一步，產流模塊包括蒸散發(fā)過程模擬模塊、土壤水分運動過程模擬模塊和入滲過程模擬模塊；

13、蒸散發(fā)過程模擬模塊包括三種類型的蒸發(fā)：冠層截留蒸發(fā)過程模擬模塊、植被蒸騰過程模擬模塊和裸土蒸發(fā)過程模擬模塊，三者之和作為每個網格的總實際蒸散發(fā)；

14、土壤水分運動過程模擬模塊由richards方程描述，采用直角坐標系下混合式一、二、三維richards方程計算；

15、入滲過程模擬模塊采用green-ampt分層入滲的計算模式，當凈雨入滲到第一層中，直至飽和，此時通過第一層土壤含水量和第二層土壤含水量的平均值計算水分從第一層入滲到第二層的實際導水率，直至第二層達到飽和；再通過同樣的方法計算第二層到第三層的實際導水率，依次類推，直至入滲過程停止。

16、進一步，坡面匯流模塊采用單位線來模擬坡面匯流過程，包括：計算網格匯流響應和流路的匯流響應；

17、計算網格匯流響應，假設網格單元的坡面匯流過程是一維的不穩(wěn)定流，則采用擴散波方程計算；

18、計算流路的匯流響應，通過布朗運動的第一通過時間密度函數得到。

19、進一步，河道匯流模塊采用馬斯京根法，在圣維南方程簡化的基礎上，將河段上游斷面的入流過程演算成下游斷面的出流過程，為：

20、

21、

22、

23、

24、式中，、、是、、的函數，、分別指代上一時刻入流量和出流量，、分別指代本時刻入流量和出流量；為蓄量常數，為無因次的流量比重因子，為計算時間步長。

25、進一步，二維淹沒模塊用于模擬洪水淹沒區(qū)域，采用淺水方程求解，包括：

26、該淺水方程為在基本假設條件下對雷諾方程在沿水深方向上的積分形式；

27、基本假設條件包括：忽略垂向流速及垂向流速梯度假定壓強沿水深為靜水壓分布、流動形式為漸變流、水面波動振幅與水深相比為小量和/或局部水頭損失忽略不計。

28、第二方面，本發(fā)明采取的技術方案為：一種基于物理機制的分布式水文水動力模型構建系統，其包括：分布式水文模型構建模塊，用于構建分布式水文模型，在水平面上將流域劃分為網格，基于dem的數字地形分析，建立二維網格之間的水流依賴關系，并在每個網格的垂直方向上劃分為不同的水平層；二維水動力模型構建模塊，在每個網格及不同的水平層上，基于物理機制分別構建用于刻畫降水、蒸發(fā)、土壤水分運動、坡面產流和坡面匯流的二維水動力模型；耦合模塊，將分布式水文模型模擬的每個柵格單元的產流量作為二維水動力模型的輸入流量，以將分布式水文模型與二維水動力模型耦合，在山區(qū)建立分布式水文模型，實現水文過程的精細模擬，在平原蓄滯洪區(qū)在地形不規(guī)則網格實時剖分基礎上，建立河道-蓄滯洪區(qū)洪水演進的二維水動力模型，模擬淹沒水深、淹沒區(qū)域時空變化過程，以實現山區(qū)產流、一維河道匯流和平原區(qū)二維洪水淹沒過程的緊密耦合。

29、第三方面，本發(fā)明采取的技術方案為：一種存儲一個或多個程序的計算機可讀存儲介質，所述一個或多個程序包括指令，所述指令當由計算設備執(zhí)行時，使得所述計算設備執(zhí)行如上述方法中的任一方法。

30、第四方面，本發(fā)明采取的技術方案為：一種計算設備，其包括：一個或多個處理器、存儲器及一個或多個程序，其中一個或多個程序存儲在所述存儲器中并被配置為所述一個或多個處理器執(zhí)行，所述一個或多個程序包括用于執(zhí)行上述方法中的任一方法的指令。

31、本發(fā)明由于采取以上技術方案，其具有以下優(yōu)點：

32、1、本發(fā)明構建了具有物理機制的分布式水文水動力模型進行集合預報，與傳統的采用集總式水文模型相比，本發(fā)明的模型能詳細刻畫降水、蒸發(fā)、土壤水分運動、坡面產流、坡面匯流等水循環(huán)物理過程，更為合理地模擬降雨-徑流過程，并能夠提供點、線、面多維的洪水預報結果。

33、2、本發(fā)明將分布式水文模型與二維水動力模型進行耦合，在山區(qū)建立分布式水文模型，實現水文過程的精細模擬，在平原蓄滯洪區(qū)，建立河道-蓄滯洪區(qū)洪水演進的二維水動力模型，模擬淹沒水深、淹沒區(qū)域時空變化過程，為防災減災提供科學的決策支撐。