(19)中华 人民共和国 国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202111664604.2 (22)申请日 2021.12.31 (71)申请人 华南理工大 学 地址 510640 广东省广州市天河区五山路 381号 (72)发明人 赖成光　都利亚　王兆礼　 (74)专利代理 机构 广州粤高专利商标代理有限 公司 44102 代理人 周春丽 (51)Int.Cl. G06F 30/13(2020.01) G06F 30/20(2020.01) G06F 111/10(2020.01) G06F 119/02(2020.01) G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 一种适用 于城区复杂下垫面的水库溃坝洪 水数值模拟方法 (57)摘要 本发明公开了一种适用于城区复杂下垫面 的水库溃坝洪水数值模拟方法， 包括以下步骤： 收集水库及下游地区的基础资料； 制作水库下游 的地形模型和糙率场文件； 根据水库基础资料， 推求溃口流量过程； 在LISFLOOD ‑FP模型中输入 处理好的复杂地形、 糙率、 溃口流量过程等数据， 设置模型的初始条件、 边界条件、 模拟时长、 步 长、 库朗数、 摩擦系数等模拟参数后进行模拟； 将 数值模拟的结果进行水量平衡、 流态分析， 以验 证、 率定和优化数值模型， 分析模拟结果可靠性 和合理性； 输出经优化后的模型模拟的结果， 并 利用Arc Map进行可视化展示。 本发明可实现快 速且准确地预测并提取复杂下垫面下溃坝洪水 的淹没范围、 淹没水深、 流速等信息 。 权利要求书2页 说明书9页 附图11页 CN 114004003 A 2022.02.01 CN 114004003 A 1.一种适用于城区复杂下垫面的水库溃坝洪水数值模拟方法， 其特征在于： 包括以下 步骤： S1、 收集水库及下游地区的基础数据； S2、 制作水库下游的地形模型和糙 率场文件； S3、 根据水库 库容、 溃决水深和溃口宽度推求 溃口流量过程； S4、 在LISFLOOD‑FP模型中输入地形、 糙率和流量过程数据文件， 设置LIS FLOOD‑FP模型 的模拟参数值后进行模拟； S5、 将模拟的结果进行水量平衡、 流态分析， 验证、 率定、 优化数值模型， 分析计算结果 可靠性和合理性； S6、 输出经优化后的L ISFLOOD‑FP模型模拟的结果。 2.根据权利要求1所述一种适用于城区复杂下垫面的水库溃坝洪水数值模拟方法， 其 特征在于， 所述水库及下游地区的基础数据包括水库及下游地区的地形数据、 坝体相关数 据、 土地利用数据、 入库洪水 过程、 出库洪水流 量数据。 3.根据权利要求2所述一种适用于城区复杂下垫面的水库溃坝洪水数值模拟方法， 其 特征在于， 所述坝体相关数据包括坝高、 坝长、 坝顶宽度、 迎水面和背水面坡度、 坝体材 料。 4.根据权利要求1所述一种适用于城区复杂下垫面的水库溃坝洪水数值模拟方法， 其 特征在于， 步骤S2是利用Arc  Map软件制作水库下游的地形模型和糙率场文件， 包括以下步 骤： S21、 根据地形 条件及可能淹没的区域， 确定研究范围； S22、 在Arc  Map软件中导入研究区内建筑物的矢量面， 对矢量面赋予建筑物真实高度 值或加高足够大 的假定海拔值， 然后转化为栅格格式并叠加到原数字高程模型， 生成对建 筑物进行加高后的数字高程模型； S23、 根据土地利用类型， 对具体建筑群、 草地、 森林、 公园、 公路、 街道、 河流不同土地类 型赋予对应的糙 率值， 并转化为栅格格式， 即获得复杂下垫面的糙 率空间分布场。 5.根据权利要求1所述一种适用于城区复杂下垫面的水库溃坝洪水数值模拟方法， 其 特征在于， 步骤S3包括以下步骤： S31、 确定溃坝时水库水位、 库 容、 溃坝形式和溃口宽度； 溃坝溃决模式分为瞬间溃和逐 渐溃两种溃决方式； S32、 计算 最大溃决流 量； 瞬间溃的最大溃决流 量， 计算公式如下： 式中Qm、 g、 B、 bm、 H0分别表示大坝最大溃决流量、 重力加速度、 坝长、 最终溃口宽度、 溃决 水深； 逐渐溃为渗透变形破坏 发展逐渐破坏采取孔流公式计算流量， 最大溃决流量计算公式 如下： 式中： H为水库水位， 即水库计算水位高程； A为渠道过水断面的面积； HP为管道中心线高 程； f 为达西摩擦系数， 取决于D50粒径， 可以由Moody曲线计算， L为管道沿水流方向的长权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 114004003 A 2度； D为管道的直径或宽度； S33、 推求溃口洪水流量过程； 假设溃决洪量为已知的水库库容W， 洪水历时Tn， 则t时刻 洪水流量Q的计算公式如下： 其中0≤t≤Tn。 6.根据权利要求1所述一种适用于城区复杂下垫面的水库溃坝洪水数值模拟方法， 其 特征在于， 步骤S4包括以下步骤： S41、 在LISFLOOD ‑FP模型中输入以ASCII码存储研究区  DEM 的参数文件、 洪水流量数 据、 模拟区域的边界信息， 设置经验参数值、 默认值和模拟时长及步长等模拟参数值； S42、 模型模拟洪水演进过程， 模拟洪水传播的原理是基于连续性方程和动量方程， 对 于一维河道的模拟， LISFLOOD ‑FP模型通过消除动量方程中的局部加速度、 对流加速度和压 力项来简化一维圣维南方程， 并用运动波或扩散波模式进行演算； 其蓄洪区二维水力演算 控制方程 为： 式中，V为单元网格 的流量，Qup、，Qdown、Qleft和Qright分别是与该单元网格邻近接触 的上 游、 下游、 左边和右边单元网格的体积流量， Qij为第 个单元网格与第 个单元网格之间的 体积流量， Aij和Rij分别为单元网格 、 界面处横截面积和水力半径， Sij为两个网格之间的 水面坡度， n为曼宁摩擦系数。 7.根据权利要求1所述一种适用于城区复杂下垫面的水库溃坝洪水数值模拟方法， 其 特征在于， 步骤S5包括以下步骤： S51、 对水量平衡进行分析， 若模拟结果合理可靠， 则将模拟结果输出； 若模拟结果不可 靠或不合理， 则返回步骤S4重新计算， 并进行模型优化。 8.根据权利要求7所述一种适用于城区复杂下垫面的水库溃坝洪水数值模拟方法， 其 特征在于， 对水量平衡进 行分析包括： 通过溃口流量过程线得到溃坝后某段时间的排水量， 再统计模 型模拟的下游淹没区的淹没水量， 分析排水量和淹没水量的误差， 根据LISFLOOD ‑ FP用户手册， 若相对误差小于阀值， 则认 为排水量和淹没水量相等， 在水量平衡角度上说明 模型合理可靠 。 9.根据权利要求1~8任一项所述的一种适用于城区复杂下垫面的水库溃坝洪水数值模 拟方法， 其特征在于， 所述模拟参数值包括初始条件、 边界条件、 经验参数值、 默认值、 库朗 数、 摩擦系数、 模拟时长及步长 。 10.根据权利要求9所述一种适用于城区复杂下垫面的水库溃坝洪水数值模拟方法， 其 特征在于， 模拟的结果包括溃坝后洪水流速、 淹没水深及范围、 特征点水位及流速变化过程 的相关数据。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 114004003 A 3