基于多模型耦合的洪水情景构建方法及系统

本发明涉及洪涝模拟风险评估，更为具体地，涉及一种基于多模型耦合的洪水情景构建方法及系统。

背景技术：

1、传统城市洪水模拟以水文学、水动力学及一维或二维耦合模型为主。其中，水文学模型按子汇水区概化，用经验公式（如scs）算产流，以马斯京根法做河道汇流无二维淹没，仅能够输出断面流量和水位，以公里级为分辨率。一维管网模型模拟地下管道水流，算节点溢流，仅管内水力，不直接算地表淹没。二维水动力模型基于浅水方程模拟地表漫流，精度高但计算极慢（单场景需数天），不适用于多情景处理。一二维耦合后形成的半分布二维地表，只有在管网溢流时才会触发地表淹没，强降雨直接地表漫流物理机制不足。

2、上述传统城市洪水模拟方案核心聚焦地表与管网过程，不涉及地下三维地质结构，主要存在以下不足：

3、（1）模型尺度不匹配：地质模型、水文模型与地形分析通常独立运行，缺乏有效耦合，难以反映“降雨-下渗-产流-汇流-淹没”的完整物理过程。

4、（2）过程割裂：多数模拟仅关注地表二维洪水演进，忽略地下地质结构对下渗、地下水运移的边界控制作用，导致产汇流计算失真。

5、（3）分辨率不足：传统洪涝风险图的空间分辨率多为公里级（1-10 km），无法支撑街区、社区尺度的精细化风险评估与韧性规划设计，尤其对关键基础设施（道路、医院、学校等）的淹没识别能力较弱。

6、（4）效率与精度矛盾：高精度二维水动力模型计算成本高，难以满足多情景、快速评估的需求。

7、为此，亟需一种能够贯通“地下-河道-地面”全空间、兼顾物理机理与计算效率的精细化洪水情景构建方法

技术实现思路

1、鉴于传统城市洪水模拟方案中存在的上述缺少地下三维水文地质约束、模型尺度割裂、耦合不足等问题，本发明的目的是提供一种基于多模型耦合的洪水情景构建方法及系统，通过。

2、一方面，本发明提供一种基于多模型耦合的洪水情景构建方法，包括如下步骤：

3、s1：建立研究区地下三维地质结构模型并进行地质体元化处理，得到各体元的水文地质参数，并将所述体元栅格化为与预构建的陆面水文模型匹配的网格；其中，所述水文地质参数至少包括岩性、土层厚度、饱和渗透系数和孔隙度；

4、s2：基于所述陆面水文模型，耦合预获取的气象数据和所述水文地质参数，模拟降雨-下渗-产流过程，输出逐时栅格化地表径流；

5、s3：将所述地表径流分配至预划分的河段，通过预设河道汇流模型逐河段演进计算，得到各河道断面的水位；其中，所述河段基于所述研究区dem提取的矢量河网划分而成；

6、s4：将所述河道断面的水位插值为栅格水位场，逐栅格比较栅格水位与hand地形指数，得到二维洪水淹没范围与水深分布；其中，所述hand地形指数基于所述研究区dem计算获得，当hand地形指数≤栅格水位时，判定为淹没，淹没水深=栅格水位-hand地形指数；

7、s5：针对不同重现期或降雨情景重复步骤s2～s4，得到多情景精细化洪水淹没图。

8、同时，本发明还提供一种基于多模型耦合的洪水情景构建系统，应用于电子装置，包括：

9、地下三维地质结构模型建模单元，用于建立研究区地下三维地质结构模型并进行地质体元化处理，以得到各体元的水文地质参数，并将所述体元栅格化为与预构建的陆面水文模型匹配的网格；其中，所述水文地质参数至少包括岩性、土层厚度、饱和渗透系数和孔隙度；

10、陆面水文模型耦合单元，用于基于所述陆面水文模型，耦合预获取的气象数据和所述水文地质参数，以模拟降雨-下渗-产流过程，输出逐时栅格化地表径流；

11、河道汇流模型演进单元，用于将所述地表径流分配至预划分的河段，通过预设河道汇流模型逐河段演进计算，以得到各河道断面的水位；其中，所述河段基于所述研究区dem提取的矢量河网划分而成；

12、插值比较单元，用于将所述河道断面的水位插值为栅格水位场，逐栅格比较栅格水位与hand地形指数，以得到二维洪水淹没范围与水深分布；其中，所述hand地形指数基于所述研究区dem计算获得，当hand地形指数≤栅格水位时，判定为淹没，淹没水深=栅格水位-hand地形指数；

13、重现期循环单元，用于针对不同重现期或降雨情景重复步骤s2～s4，以得到多情景精细化洪水淹没图。

14、上述根据本发明的基于多模型耦合的洪水情景构建方法及系统，以地下三维地质结构模型作为水文过程模拟的物理基底，将土层、岩体、含水层对应的饱和渗透系数、孔隙度等核心水文地质参数嵌入陆面水文模型，有效解决了传统洪水模拟模型忽略地下渗流边界约束、地质参数过度概化，导致产汇流计算结果失真、模拟贴合度差的行业痛点。本发明依托高精度dem数据计算hand地形指数，构建河道断面水位向地表淹没范围、淹没水深的快速转换算法，替代了运算繁琐、算力消耗高的传统二维水动力模型，在小时级运算效率、百米级空间分辨率的条件下，可精准识别街区、道路、医疗、教育等关键基础设施的受淹风险，完美实现洪水模拟精度与运算效率的双向平衡。同时，本发明采用vic/rapid/hand可插拔模型架构，能够适配不同研究区域、不同模拟尺度的应用场景，兼容性与拓展性极强；可支撑多重现期暴雨、动态降雨、防洪调控等多类洪水情景的快速推演，能够输出精细化、可量化的洪水风险成果，为韧性城市规划、区域防洪减灾、应急决策部署提供高效、精准的技术工具支撑。

15、为了实现上述以及相关目的，本发明的一个或多个方面包括后面将详细说明本方案的具体特征。下面的说明以及附图详细说明了本发明的某些示例性方面。然而，这些方面指示的仅仅是可使用本发明的原理的各种方式中的一些方式。此外，本发明旨在包括所有这些方面以及它们的等同物。

1.一种基于多模型耦合的洪水情景构建方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.如权利要求1所述的基于多模型耦合的洪水情景构建方法，其特征在于，所述三维地质结构模型包括人工填土、软土、粉质黏土、基岩层及含水层，采用克里金插值或dsi算法实现体元属性赋值，并嵌入预构建的地下管网、地铁工程模型建立拓扑关联。

3.如权利要求2所述的基于多模型耦合的洪水情景构建方法，其特征在于，所述地质体元化处理包括：

4.如权利要求1至3中任一项所述的基于多模型耦合的洪水情景构建方法，其特征在于，所述陆面水文模型采用vic或noah-mp模型，所述陆面水文模型的计算时间步长为1小时。

5.如权利要求4所述的基于多模型耦合的洪水情景构建方法，其特征在于，所述气象数据包括小时级降雨数据、气温数据、风速数据、湿度数据。

6.如权利要求5所述的基于多模型耦合的洪水情景构建方法，其特征在于，所述河道汇流模型采用rapid模型，基于马斯京根矩阵演进算法并行计算各河段流量，结合各河段的横断面几何关系换算得到各河道断面的水位。

7.如权利要求6所述的基于多模型耦合的洪水情景构建方法，其特征在于，基于所述研究区dem计算所述hand地形指数的方法包括：

8.如权利要求7所述的基于多模型耦合的洪水情景构建方法，其特征在于，所述研究区dem的分辨率为30–100m，生成的洪水淹没图的空间分辨率与所述研究区dem的分辨率保持一致。

9.如权利要求1所述的基于多模型耦合的洪水情景构建方法，其特征在于，所述不同重现期包括20年一遇、50年一遇、100年一遇的设计暴雨情景。

10.一种基于多模型耦合的洪水情景构建系统，应用于电子装置，其特征在于，包括：