一种模拟溃坝洪水的计算方法、装置和电子设备与流程

本技术属于水动力模型，特别涉及一种模拟溃坝洪水的计算方法、装置和电子设备。

背景技术：

1、一维洪水波演算是水动力学领域的经典问题，其核心在于求解描述明渠非恒定流的圣维南方程组，该方程组由连续方程和动量方程构成。在溃坝等突发性洪水事件中，洪水波模拟结果是连接风险评估与应急响应的关键技术环节，直接影响人员转移方案、应急资源调配等决策的科学性与可靠性。

2、传统的洪水演算方法通过对基于静压假设的圣维南方程组进行不同程度的简化，形成了不同适用条件的波模型。其中，运动波模型忽略惯性项和压力项，仅保留重力与摩阻平衡，适用于坡度较陡、洪水波形变较小的上游河段；扩散波模型在运动波基础上仅忽略惯性项而保留压力梯度项，能够模拟洪水波的衰减过程；动力波模型则保留圣维南方程组的完整形式，不忽略任何项，适用于受潮汐影响或地形坡度平缓的河段，可模拟回水效应和潮汐传播。上述模型中，动力波模型因其保留方程完整形式，理论上适用于溃坝洪水波的模拟。

3、然而，上述传统模型均基于静压假设，即要求垂向加速度可忽略、压力沿水深呈线性分布。在溃坝洪水波场景下，波前附近垂向加速度显著，静压假设难以成立，若直接沿用传统一维水动力模型，其模拟结果与实际情况可能出现较大偏差。此外，溃坝洪水波的初始条件存在间断性，溃坝瞬间上游水库与下游河道之间存在突然的水位落差，构成浅水方程的riemann问题，其解可能产生激波，对传统数值方法的稳定性构成严峻考验。

4、综上所述，如何提供一种模拟溃坝洪水波的计算方法，能够显著提高对溃坝波、涌潮等强间断流动问题的模拟精度，是待解决的问题。

技术实现思路

1、为解决上述问题，本技术提供了一种模拟溃坝洪水的计算方法、装置、存储介质和电子设备，具有通过校正步引入非静水压力修正，在保持计算效率的前提下，显著提高了对溃坝波、涌潮等强间断流动问题的模拟精度的效果。

2、第一方面，本技术实施例提供了一种模拟溃坝洪水的计算方法，所述方法包括：

3、在时间层处，对离散化的连续性方程和动量方程进行线性化处理，得到三个耦合系数矩阵，所述三个耦合系数矩阵包括：左耦合矩阵、自身耦合矩阵、以及右耦合矩阵，其中，为大于或等于1的正整数；

4、获取每个计算单元所对应的三个耦合系数矩阵，以及获取边界条件对应的系数行；

5、将每个计算单元所对应的三个耦合系数矩阵和边界条件对应的系数行按顺序排列，得到三角系数矩阵；

6、通过求解器对三角系数矩阵所对应的线性系统进行求解，得到修正量；

7、基于所述修正量，对当前状态量进行更新，以完成一个时间步的推进；

8、重复时间步的推进步骤，直至当前条件达到预设的模拟结束时间，生成并输出各断面在不同时刻的水位和流量。

9、可选地，在时间层处，对离散化的连续性方程和动量方程进行线性化处理之前，所述方法还包括：

10、基于静水压力模型进行预测，得到预测值；以及基于所述预测值进行校正，得到非静水压力项。

11、可选地，所述基于静水压力模型进行预测，得到预测值，包括：

12、获取多个第一关键参数，所述多个第一关键参数包括：第个计算单元在时刻的状态向量和时间步长，第个计算单元右侧界面在时刻的数值通量，以及第个单元左侧界面在时刻的数值通量，其中，、n均为大于或等于1的自然数；

13、将所述多个第一关键参数输入至所述静水压力模型中进行处理，得到所述预测值。

14、可选地，所述基于所述预测值进行校正，得到非静水压力项，包括：

15、基于所述预测值进行计算，得到所述断面平均流速；

16、针对所述断面平均流速，依次对其空间梯度、其二阶空间导数、和其三阶混合导数进行计算，得到对应的数值；

17、基于水深、过水断面面积、河底高程、自由表面高程以及给定高程处的河道宽度进行计算，得到非静水压力系数；

18、基于断面平均流速的三阶混合导数和所述非静水压力系数进行计算，得到所述非静水压力修正项。

19、可选地，在时间层处，对离散化的连续性方程和所述动量方程进行线性化处理，得到三个耦合系数矩阵之前，所述方法还包括：

20、采用有限体积法对计算域进行空间离散，以沿河道主流方向将所述计算域划分为连续且不重叠的控制单元。

21、可选地，所述采用有限体积法对计算域进行空间离散，包括：

22、沿河道主流方向将计算域划分为连续且不重叠的多个控制单元，其中，所述多个控制单元中的对应控制单元的范围由对应控制单元的左边界位置和对应控制单元的右边界位置确定；

23、针对多个控制单元中所选取的控制单元，在其状态向量趋近常数的情况下，通过取所选取的控制单元的积分平均值，使所选取的控制单元内状态向量近似为常数，将连续的偏微分方程组转化为离散的代数方程组；

24、对一维圣维南方程组在选取的控制单元上依序进行空间积分，应用散度定理，生成单元积分形式的守恒方程；

25、对时间导数采用隐式格式离散，在每个时间步长内进行数值通量的计算，以生成数值通量，以及离散方程。

26、可选地，在时间层处，对离散化的连续性方程和所述动量方程进行线性化处理之前，所述方法还包括：

27、获取多个第二关键参数，其中，多个第二关键参数包括：过水断面面积、流量、时间、沿河流的曲线坐标、重力加速度、自由表面高程、所述非静水压力项，以及摩阻坡度，

28、基于多个第二关键参数进行方程组构建，生成所述一维圣维南方程组，其中，所述一维圣维南方程组包括：连续性方程和修正的动量方程。

29、第二方面，本技术实施例提供了一种模拟溃坝洪水的计算装置，所述装置包括：

30、处理模块，用于在时间层处，对离散化的连续性方程和动量方程进行线性化处理，得到三个耦合系数矩阵，所述三个耦合系数矩阵包括：左耦合矩阵、自身耦合矩阵、以及右耦合矩阵；

31、获取模块，用于获取每个单元所对应的三个耦合系数矩阵，以及获取边界条件对应的系数行，所述三个耦合系数矩阵包括：左耦合矩阵、自身耦合矩阵、以及右耦合矩阵；

32、排列模块，用于将每个单元所对应的三个耦合系数矩阵和边界条件对应的系数行按顺序排列，得到三角系数矩阵；

33、求解模块，用于通过求解器对三角系数矩阵所对应的线性系统进行求解，得到修正量；

34、时间步的推进模块，用于基于所述修正量，对当前状态量进行更新，以完成一个时间步的推进；

35、生成及输出模块，用于重复时间步的推进步骤，直至当前条件达到预设的模拟结束时间，生成并输出各断面在不同时刻的水位和流量。

36、第三方面，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，当所述计算机程序在计算机中执行时，令计算机执行第一方面的方法。

37、第四方面，提供了一种电子设备，包括存储器和处理器，所述存储器中存储有可执行代码，所述处理器执行所述可执行代码时，实现第一方面的方法。

38、与现有技术相比，本技术具有如下优点：

39、通过求解器对三角系数矩阵所对应的线性系统进行求解，得到修正量；以及基于修正量，对当前状态量进行更新，以完成一个时间步的推进，通过引入了修正量，以及基于修正量对当前状态量进行更新，这样，最终输出的各断面在不同时刻的水位和流量更加接近于实际数据，实现了精准预测。

40、本技术的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本技术而了解。本技术的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所指出的结构来实现和获得。