基于元胞自动机的城市地表二维雨洪模拟

摘要

针对城市地表特征复杂,传统的二维浅水方程求解困难,耗费计算资源的特点,根据元胞自动机和浅水运动理论,提出了基于元胞自动机的高效城市地表二维雨洪模拟数值模型,并在MATLAB平台上实现.该模型采用简化的状态转移函数代替传统的二维浅水方程数值求解,并采用可变时间步长保证数值求解稳定.同时引入图形处理器(GPU)加速计算技术提升计算速度.将该模型应用于一个标准测试案例并分析了模型的适用性,结果表明:合理的坡度阈值和空间步长下,模型模拟结果与理论解吻合很好,最小RMSE达到了0.0042m;模型计算精度和计算效率受空间步长及坡度阈值影响,在实际应用时需选择合适的坡度阈值,并且可以择较大的空间步长来提高模型的计算效率;引入状态更新间隔显著的提高了计算效率并且没有降低模型的精度.总体而言本模型可适用于大型城市地区的快速洪水分析,在指导城市规划、暴雨洪水预警、雨洪管理和海绵城市建设等方面具有重要的应用价值和广阔的前景.