一种云边协同精细化模拟的陆面单元-河网网格嵌套方法

摘要

本发明公开了一种云边协同精细化模拟的陆面单元‑河网网格嵌套方法，涉及精准洪水预报和水环境精细化管理技术领域，包括：基于数字高程模型DEM，对陆面单元进行单元划分，建立精细化模拟全尺度的网格离散系统；每个单元产生的水量及污染负荷进入河道；河道内进行水下地形网格的生成，并完成河网网格耦合；进行陆面单元与河网网格的嵌套，通过箱体单元媒介完成陆面单元与河网网格的嵌套所涉及的河道内外物质与能量的交换过程。本发明创建了局部精准、全局最优的精度高、适应性强的陆面单元‑河网网格嵌套技术，拓展了陆面空间单元精度，实现了可增可减、可粗可细的精细网格汇编与嵌套，极大提升了流域空间单元与河道网格划分的计算能力及效率。

说明书

技术领域

本发明涉及精准洪水预报和水环境精细化管理技术领域，更具体的说是涉及一种云边协同精细化模拟的陆面单元-河网网格嵌套方法。

背景技术

流域水资源综合利用和水能资源开发是保障能源安全、推动社会经济高质量发展的核心需要，但强人类活动和梯级水利枢纽的修建运行，不仅改变了河流的自然水文情势、水生生态系统和河流自然景观，同时也引起了水质超标、水体黑臭、水华及突发污染事故、饮用水安全隐患等日益突出的次生涉水问题，使得流域水环境水生态管理面临越发复杂的巨大挑战。

而面对严重的水环境水生态问题，现有的数据体系、制度体系和计算能力远远不够，为实现流域水环境水生态管理的空间(对象和尺度问题)、时间(效率问题)、指标(程度问题)以及管理制度(对策方案和考核问题)的精细化，需要实现流域环境大数据的有效收集和管理、精细化模拟完整的流域水环境水生态过程，突破模型运算速率和速度瓶颈问题，因而，为了服务于流域水环境生态精准调控的海量数据管理、高精度模拟和高性能计算的目标，研究人员进行了长久的努力。

现有的流域单元划分技术对流域陆面空间异质性考虑不足，关于河网网格的单次绘制个数有限、编码结构单一，但是根据实际需求产生的流域陆面及网格单元数据量大、结构复杂、整合难度较大，对于空间数据处理能力有很高要求。流域陆面单元异质性的问题可以通过加大陆面单元划分精细程度得到缓解，流域河道网格划分需要根据水系结构及边界进行边界处理、自适应调整、统一汇编等技术操作，保持网格合理性、有效性并构架一套高质量、高效能、易计算的整理方法。

因此，如何提升流域空间单元与河道网格划分的计算能力及效率，有效支撑数字流域云端复杂河网的准确计算是本领域技术人员亟需解决的技术问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种云边协同精细化模拟的陆面单元-河网网格嵌套方法，实现了可增可减、可粗可细的精细网格汇编与嵌套，通过引入边缘端计算技术，结合云端计算，极大地提升了流域空间单元与河道网格划分的计算能力及效率，可有效支撑数字流域云端复杂河网的准确计算。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种云边协同精细化模拟的陆面单元-河网网格嵌套方法，包括以下步骤：

基于数字高程模型DEM，对陆面单元进行单元划分，建立精细化模拟全尺度的网格离散系统；

每个单元产生的水量及污染负荷进入河道，河道内进行水下地形网格的生成，完成河网网格耦合；

进行陆面单元与河网网格的嵌套，其中，通过箱体单元媒介完成所述陆面单元与河网网格的嵌套所涉及的河道内外物质与能量的交换过程。

可选的，所述对陆面单元进行单元划分时，陆面单元的离散尺度包括流域尺度、集水区尺度、水文响应单元尺度、行政单元尺度。

可选的，所述流域尺度的模型计算单元，基于流域具有统一出水口、水文特性相近的特征来进行流域划分；具体包括以下步骤：

根据包括支流流域的地形地貌、土壤性状、植被覆盖、土地利用在内的多方面存在的差异，基于陆面系统格局与支流空间异质性特征，将流域划分为若干个相对独立、完整单元的支流流域，得到支流流域面积及所占比例。

可选的，所述集水区尺度的模型计算单元，采用D8算法计算各支流流域的水流流向、分水线，并基于流域水系及合理集水面积阈值生成支流子流域；具体包括以下步骤：

对所述数字高程模型DEM进行“填洼”等预处理过程，得到预处理后的数字高程模型DEM；

利用代码编码水流流动的八个方向，通过循环处理每个格网点的水流流向，生成格网数据模型；其中，所述每个格网点的水流流向为邻近格网点中坡度最陡的单元；

计算汇聚在每个格网点的上游格网数，生成水流聚集点数据模型，最后生成流域河网；

基于流域水系及合理集水面积阈值生成支流子流域，其中，根据给定河道上游的集水面积阈值决定河网水系与支流子流域生成的精细程度。

可选的，所述水文响应单元尺度的模型计算单元，将所述支流子流域的土壤类型、土地利用类型及坡度类型信息进行图层空间叠加，通过地表属性面积阈值约束条件而生成；具体包括以下步骤：

采用GIS工具叠加土壤类型、土地利用类型及坡度类型图层，并输入土壤阈值、土地利用阈值及坡度阈值来消除次要土壤类型、次要土地利用类型和次要坡度类型的组合，再将小于各阈值的部分消除进行重分配，确定包括水文响应单元面积、平均坡度在内的信息，得到多边形斑块的唯一空间属性特征；

其中，分配方程为：

式中：S

可选的，所述行政单元尺度的模型输出单元，基于网格单元面积权重分配方法，将水文响应单元所产的非点源负荷分配到乡镇尺度单元；具体包括以下步骤：

所述网格单元面积权重分配方法以面积作为权重，通过GIS软件在源单元区域叠加目标单元区域，确定每个源单元区域落在某一目标单元区域的面积比例；其中，源单元为水文响应单元，目标单元为乡镇尺度单元；

根据面积比例分配源单元区域属性值到目标单元区域，获得目标单元区域的属性值。

可选的，所述河网网格耦合的过程包括：河网一维断面-二维平面-三维空间网格耦合、区域分块和交换；所述河网一维断面-二维平面-三维空间网格耦合包括一维断面-二维平面网格耦合、二维平面-三维空间网格耦合；所述完成河网网格的耦合，具体包括以下步骤：

其中，所述一维断面-二维平面网格耦合的关键在于二维网格的二维到一维整编：通过二维规则网格的二维化整编，获得网格的整体二维编码；通过二维规则网格的一维化整编，获得网格的一维编码；

所述二维平面-三维空间网格耦合只需构建平面二维网格，所述构建平面二维网格的方法为：基于并行分块的思路，将大范围的网格分块化，获取若干小范围的网格后分别进行绘制；根据各分块之间的空间关系，对网格编号进行统一化布置，完成标准化汇总；

对于未进行二维规则网格的一维化整编的网格体系，在网格识别绘制的基础上，根据干流和支流的水系关系，对网格的空间地理关系进行判断，将流域按水系划分为一级计算区块，得到干流方向和支流方向的不同非均匀网格在整体网格中的网格编号；对于已经进行二维规则网格的一维化整编的网格，对网格体系中的网格按照1到IJM的顺序进行区域分块划分，得到相等的网格块后再对网格块从1开始重新进行编号；

通过不同分块间的传值进行边界值的校正与替换，沿水流方向设定重叠区，在相邻分块的重叠区进行数据交换，完成河网网格耦合。

可选的，所述河道内外物质与能量的交换过程包括：流域上陆域与第Ⅰ类水箱交换、第Ⅰ类水箱与第Ⅱ类水箱交换及第Ⅱ类水箱与河道交换；具体为：

所述流域上陆域与第Ⅰ类水箱交换包括用水户从水箱取水、用水户向水箱排水及陆地与水箱的侧向土壤水交换；其中，所述第Ⅰ类水箱用于提供流域上陆域所需的生产和生活用水、接纳流域上陆域产生的污染负荷；

所述第Ⅰ类水箱与第Ⅱ类水箱之间的交换由第Ⅰ类水箱的最低水位和最高水位控制，具体为：当第Ⅰ类水箱的水位低于最低限制水位时，第Ⅱ类水箱向第Ⅰ类水箱补水；当第Ⅰ类水箱的水位高于最高限制水位时，第Ⅰ类水箱向第Ⅱ类水箱排水；当第Ⅰ类水箱水位处于最低限制水位和最高限制水位时，两类水箱之间自由联通；

所述第Ⅱ类水箱与河道的交换分为自由出流和闸站控制两种类型，分别用于模拟非圩区计算箱体和圩区计算箱体与河道的交换。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种云边协同精细化模拟的陆面单元-河网网格嵌套方法，结合数字流域分布式边缘节点，以有效支撑水环境生态过程的“云边协同”精细化模拟计算，创建了局部精准、全局最优的精度高、适用性强的陆面单元-河网网格嵌套技术。从流域宏观角度拓展了陆面空间单元精度，提供的一套干支流结构完整、河流走向清晰的海量网格汇编技术，实现了可增可减、可粗可细的精细网格汇编与嵌套，通过引入边缘端计算技术，结合云端计算，极大提升了流域空间单元与河道网格划分的计算能力及效率，可有效支撑数字流域云端复杂河网的准确计算。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为陆面单元-河网网格嵌套方法的流程图；

图2为流向分析示意图；

图3为水文响应单元HRU离散化过程的示意图；

图4为网格单元面积权重分配方法的示意图；

图5为一维断面-二维平面网格整编耦合示意图；

图6为网格构建流程图；

图7为网格汇编示意图；

图8为网格分块过程示意图；

图9为河道内外交换示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例公开了一种云边协同精细化模拟的陆面单元-河网网格嵌套方法，如图1所示，包括以下步骤：基于数字高程模型DEM，对陆面单元进行单元划分，建立精细化模拟全尺度的网格离散系统；每个单元产生的水量及污染负荷进入河道，河道内进行水下地形网格的生成，完成河网网格耦合；进行陆面单元与河网网格的嵌套，其中，通过箱体单元媒介完成所述陆面单元与河网网格的嵌套所涉及的河道内外物质与能量的交换过程。

由于陆面单元离散的尺度直接影响非点源污染模拟的精度，因此需要获取高精度的基础空间数据，以形成精细化模拟全尺度的格网离散系统，陆面单元的离散尺度包括流域尺度、集水区尺度、水文响应单元尺度、行政单元尺度。接下来，对以上过程进行详细地描述：

(1)流域尺度的模型计算单元，基于流域具有统一出水口、水文特性相近的特征来进行流域划分；具体包括以下步骤：

根据支流流域的地形地貌、土壤性状、植被覆盖、土地利用等存在的差异，基于陆面系统格局与支流空间异质性特征，将流域划分为若干个相对独立、完整单元的支流流域，得到支流流域面积及所占比例，为从上下游、左右岸精细辨析流域非点源污染的源质响应作支撑。

(2)集水区尺度的模型计算单元，采用D8算法计算各支流流域的水流流向、分水线，并基于流域水系及合理集水面积阈值生成支流子流域；

D8算法的核心为中间格网单元，水流流向为邻近格网点中坡度最陡的单元；如图2所示，经过“填洼”等预处理过程的DEM通过D8算法计算格网内部的水流流向及水流聚集点。利用代码编码水流流动的八个方向，通过循环处理每个格网点的流向，生成格网数据模型；计算汇聚在每个格网点的上游格网数，生成水流聚集点数据模型，最后生成流域河网。

河网水系与子流域生成的精细程度由给定河道上游的集水面积阈值决定，集水面积阈值愈小，河网越密，子流域单元愈多，越能使小尺度的单元信息多样化，体现下垫面的分布特征，但随着划分数量的增多，模型的计算时间也相应加长。

(3)水文响应单元尺度的模型计算单元，将支流子流域的土壤类型、土地利用类型及坡度类型信息进行图层空间叠加，通过地表属性面积阈值约束条件而生成；参见图3，具体包括以下步骤：

采用GIS工具叠加土壤类型、土地利用类型及坡度类型图层，并输入土壤阈值、土地利用阈值及坡度阈值来消除次要土壤类型、次要土地利用类型和次要坡度类型的组合，再将小于各阈值的部分消除进行重分配，确定水文响应单元面积、平均坡度等信息，得到多边形斑块的唯一空间属性特征，反映不同下垫面类型的空间不均匀性及水文水质响应规律；

其中，分配方程为：

式中：S

(4)行政单元尺度的模型输出单元，基于网格单元面积权重分配方法，将水文响应单元所产的非点源负荷分配到乡镇尺度单元；具体包括以下步骤：

网格单元面积权重分配方法以面积作为权重，通过GIS软件在源单元区域叠加目标单元区域，确定每个源单元区域落在某一目标单元区域的面积比例；其中，源单元区域为水文响应单元HRU，目标单元区域为乡镇尺度单元；

根据面积比例分配源单元区域属性值到目标单元区域，获得目标单元区域的属性值。

如图4所示，横格区域为源单元区域，竖格区域为目标单元区域。假定横格竖格区域相交的方格区域所包含的3个部分的面积分别为F

进一步地，河网网格耦合的过程包括：河网一维断面-二维平面-三维空间网格耦合、区域分块和交换；所述河网一维断面-二维平面-三维空间网格耦合包括一维断面-二维平面网格耦合、二维平面-三维空间网格耦合；接下来，进行更加详细地描述及分析：

(1)河网一维断面-二维平面-三维空间网格耦合

1)一维断面-二维平面网格耦合

一维断面和二维平面网格耦合的关键在于二维网格的二维到一维整编，如图5所示为一维断面-二维平面网格整编耦合流程图，具体为：

二维规则网格的二维化整编即获得网格的整体二维编码(I,J)，包括找出所有右侧支流河段网格的原始二维编码中的最大j值，记为j

二维规则网格的一维化整编，获得网格的一维编码，以网格(I，1)为扫描起点，I依次取1、2、…I

2)二维平面-三维空间网格耦合

流域水动力模型的三维网格体系，基于σ坐标系，在构建时只需要构建平面二维网格。

已有的规则网格构建模型在进行平面二维网格的绘制时，受限于硬件内存、编译器等限制，所能绘制的网格有最大范围的限制。要进行大范围的、完成海量超出系统硬件内存受限的网格的绘制，需要借鉴并行分块的思路，在当前的软硬件条件下，将大范围的网格分块化，获取若干小范围的网格后分别进行绘制，然后通过一定的技术进行汇总。此处所说的汇总不是将已经绘制好的若干小范围的网格汇总到一个文件，而是根据各分块之间的空间关系，对网格编号进行统一化布置，如图6所示为网格构建的流程图。

对河段分级主要按照河段的主流和左右支流进行Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ级划分，其目的是为了对网格的编号进行处理，如主干道垂直河道方向的网格数为100，Ⅱ级支流沿着河道方向的汇总后网格数为10000，Ⅲ级支流沿河道汇总后网格数为5000，则顺次的在网格统一编号中，设定垂直主干道的方向为J方向，则整体网格中，J方向的网格数为15100，编号为Ⅲ级方向最初的一个网格为1，依次递增直到Ⅱ级支流的第一条网格线。

支流入汇情况下会产生大量的虚置网格，不仅占用存储空间而且会在程序处理时产生大量的空循环，降低程序的整体效率，同样的问题在进行网格整体统一编号后也存在。以一干流河段为例，需要将支流纳入水动力模拟，如图7所示，设河段1、3、5为主干流河道Ⅰ级网格段、2为支流1河道Ⅲ级网格段、4为支流2河道Ⅱ级网格段，按照规则网格顺序绘制的方式，顺着干流水流方向为I方向网格，垂直河道主流方向为J方向网格，则在I方向的网格范围为1+3+5的I方向网格数目之和，J方向的网格数目为2+4+主干道J方向的网格数目之和。显然，由此得到的网格体系中，非河道的A、B、C、D四块处会存在大量的虚置网格。

(2)区域分块和交换

1)区域分块

对于未进行二维网格一维化的网格体系，在图8中，深灰色区域为水域范围，浅灰色区域为陆地范围，水域范围参与计算，其MFS_O＝1，而陆地范围不参与计算，其MFS_O＝0。G1为水体主流流向，Z1、Z2分别为主流的支流流向。设定当前参与计算的网格数为IJM，其水平方向上的网格总数满足IM×JM，其中IM为横轴方向上的网格数、JM为纵轴方向上的网格数。网格是按照规则网格的绘制方法绘制的，图中深灰色区域为实际水域网格(湿网格)，浅灰色区域为模型计算中不参与计算的网格(干网格)，A区域的网格总数为IM×JM。不参与计算的浅灰色区域占了大量的区域，这极大地降低了模型的计算速度。

在网格识别绘制的基础上，根据最左边图的干流和支流的水系关系，对其网格的空间地理关系进行判断，将流域按水系划分为一级计算区块，将属于G1网格编号为A1，支流Z1与Z2分别编号为A2和A3，其中(ai1，aj1)、(ai2，aj2)、(ai3，aj3)、(IM

2)区块重叠区设置

重叠区是分布式计算中为减小模型误差而在区块间进行数据交换的必备区域，沿水流方向设定重叠区，通过不同分块间的传值进行边界值的校正与替换，能很好的保证模型模拟中的动量与能量符合实际情况。

对于已经进行一维化的网格，则只需要对网格体系中的网格按照1到IJM的顺序进行区域分块划分，得到基本相等的网格块后再对网格块从1开始重新进行编号即可。

3)块间处理

数据交换的区域发生在相邻分块的重叠区，设定交换的数据带为4条，分块A1与A2相邻，两者属于横轴方向的分割区，在横轴方向存在4条数据交换带。数据交换主要存在水动力模型，其中，水动力模型中需要进行数据交换的变量为水位、流速、水温和盐度等。

进一步地，如图9所示，所述河道内外物质与能量的交换过程包括：流域上陆域与第Ⅰ类水箱交换、第Ⅰ类水箱与第Ⅱ类水箱交换及第Ⅱ类水箱与河道交换；水箱按照一定的调度规则控制进水和排水，按照质量和能量守恒原理计算水箱内的水量、污染物质浓度及水温。

接下来，在本实施例中对河道内外交换过程进行更加具体地描述：

(1)流域上陆域与第Ⅰ类水箱交换

流域上陆域与第Ⅰ类水箱交换包括用水户从水箱取水、用水户向水箱排水及陆地与水箱的侧向土壤水交换等3个主要过程；其中，所述第Ⅰ类水箱用于提供流域上陆域所需的生产和生活用水、接纳流域上陆域产生的污染负荷，其与陆地存在直接的水量、污染物质和能量交换。

(2)第Ⅰ类水箱与第Ⅱ类水箱交换

第Ⅰ类水箱与第Ⅱ类水箱之间的交换由第Ⅰ类水箱的最低水位和最高水位控制，具体为：当第Ⅰ类水箱的水位低于最低限制水位时，第Ⅱ类水箱向第Ⅰ类水箱补水；当第Ⅰ类水箱的水位高于最高限制水位时，第Ⅰ类水箱向第Ⅱ类水箱排水；当第Ⅰ类水箱水位处于最低限制水位和最高限制水位时，两类水箱之间自由联通；

其两类水箱之间的交换流量TQ

当ZB

TB

式中：TB

第Ⅰ类水箱的实际补水流量由理论补水流量TB

TQ

当ZB

TP

式中：TP

第Ⅰ类水箱的实际排水流量由理论排水流量TP

TQ

当ZL

式中：n

(3)第Ⅱ类水箱与河道的交换

第Ⅱ类水箱与河道的交换分为自由出流和闸站控制两种类型，分别用于模拟非圩区计算箱体和圩区计算箱体与河道的交换；

1)自由出流流量计算

自由出流流量由明渠流公式进行计算：

式中，TQ

2)闸站控制流量计算

闸站控制模拟按照第Ⅱ类水箱水位ZB

当ZB

式中：φ为出流系数，一般取1.1；B为闸门总宽度，m；Z

当ZB

基于以上公开的内容可知，本发明创建了局部精准、全局最优的精度高、适用性强的陆面单元-河网网格嵌套技术，从流域宏观角度拓展了陆面空间单元精度，提供的一套干支流结构完整、河流走向清晰的海量网格汇编技术，实现了可增可减、可粗可细的精细网格汇编与嵌套，通过引入边缘端计算技术，结合云端计算，极大提升了流域空间单元与河道网格划分的计算能力及效率，可有效支撑数字流域云端复杂河网的准确计算。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。