CN108009349B - 一种河流二维水质数值模拟模型计算网格优化绘制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种河流二维水质数值模型计算网格局部优化加密绘制方法。通过网格局部优化加密绘制方法，实现对二维规则精细网格特殊计算位置按任意比例进行局部优化加密，满足实际数值模拟计算过程中，对不同计算位置、不同计算任务需要不同精细程度的网格的需要，提高计算的效率和减少硬件开销。本发明基于已有的水质模型数值模拟网格绘制方法和工具，实现了简单高效的二维水质模型计算网格优化绘制，为基于规则网格的数值计算提供数据支撑。

Description

一种河流二维水质数值模拟模型计算网格优化绘制方法

技术领域

本发明属于流体力学和环境数值模拟领域，涉及一种河流二维水质数值模型计算网格优化绘制方法，它的算法原理适应于构建疏密程度不一的数值模拟模型计算网格体系，以支撑流域河流水质数值模拟计算。

背景技术

网格是将整体单元离散化，进行有限元数值模拟计算的前提。随着以有限元数值模拟计算为基础的流体力学计算与二三维水动力水质数学模型的不断发展，以及环境管理对水质数值模拟计算精度要求的不断提高，如何绘制高精度的二维规则网格，并基于这套网格，满足实际计算过程中，对不同计算位置、不同计算任务需要不同精细程度的网格的需要，提高计算的效率和减少硬件开销等的需求，是当前环境管理与数值模拟分析所面临的重要问题，也是提高模拟效率与精度的重要技术问题。

在数值离散计算中，通过将计算区域划分为较小的、不重叠的计算单元，进行有限元数值模拟计算。目前生成有限元结构化网格的方法和技术已经非常成熟，出现了一系列的商业级的软件如Delft3D，EFDC，Seagrid，CAD等。这些软件不仅能进行正交网格的绘制，还具有网格平滑、正交、删减等可以用来对网格的质量进行检验或编辑的功能。目前已有的网格绘制工具，例如Delft3D，在生成适应于离散数值计算的规则网格时，采用二维平面直角坐标系，以正东方向为X轴(i方向)、以正北方向为Y轴(j方向)，对所绘制的网格按照i，j进行连续编号。这种方法通过i，j的大小，能方便的获知每个网格的上下左右的空间相邻关系，从而进行离散化空间求解。

在实际企业污水处理厂的入河排污口布设工程项目中，为定量化地评估入河排污口所排放污水对受纳水域水环境的影响以及满足水环境功能区管理与保护的要求，在排污口建设项目实际动工之前，需要借助水质数学模型对入河污染物的水环境影响进行模拟预测。其中二维规则网格是进行数值模拟计算的前提，在数值模拟计算中，网格单元的大小和数量决定了计算的精度和速度，网格越少，模拟计算速度越快。但排污口设置对水质影响的数值模拟中，计算目的是为了精确预测排污口污水排放时河道水质的变化趋势，对模拟精度要求很高，此时，可以采取加密网格的办法，增加网格总数，进而提高计算精度。但网格总数过大，又会降低计算速度，加大硬件损耗。根据实际工程经验，排污口污水排放时，通常会在排污口位置所在的河道一侧形成污染带。基于此，本发明公开了一种河流二维水质数值模型计算网格优化绘制方法。本发明基于已有的水质模型数值模拟网格绘制方法和工具，通过网格绘制局部优化技术，实现将规则精细网格对不同计算位置按任意比例进行局部优化加密，解决实际计算过程中，对不同计算位置、不同计算任务需要不同精细程度的网格的需要，提高计算的效率和减少硬件开销，实现了简单高效的二维水质模型计算网格优化绘制，为基于规则网格的数值计算提供数据支撑。

发明内容

针对不同计算位置、不同计算任务需要不同精细程度的网格的需要，以及提高数值模拟计算的效率和减少硬件开销的问题，本发明提出了一种河流二维水质数值模型计算网格优化绘制方法。本发明基于现有成熟的水质模型数值模拟二维规则网格绘制方法和工具，绘制模拟河段规则二维网格，对模拟的重点部分进行网格局部优化加密，实现了简单高效的二维水质模型计算网格优化绘制，为基于规则网格的数值计算提供数据支撑。

为了实现上述目的，其技术解决方案为：

一种河流二维水质数值模拟模型计算网格优化绘制方法，包括：

步骤1，对研究范围内的实测数字地形图进行识别与转化，划分出数值模拟计算河段，识别数值模拟计算河段河道边界，提取数字地形图高程点及等高线，并将提取出的等高线转化为高程点，再利用二维规则网格绘制工具，精细绘制河段数值模拟计算区域的二维规则网格；

步骤2，根据计算效率的需要，在现有网格精度及其计算效率的基础上，确定参与计算的网格的加密比例，依据加密比例，对网格特殊位置进行局部优化加密，形成局部优化加密后的网格体系。

在上述的河流二维水质数值模拟模型计算网格优化绘制方法，所述步骤1具体包括：

步骤1-1，数值模拟计算河段河道边界提取：在ArcGIS中加载数值模拟计算河段CAD文件，新建线图层，紧贴实测图层，绘制河道左岸边界线，保存该线图层；利用ArcGIS工具将该线图层转为点图层，打开属性表，添加X,Y字段，分别计算该点图层的X,Y坐标，导出数据并保存为dbf格式；同上述操作相同，新建线图层，绘制河道右岸边界线，利用ArcGIS工具将线图层转换为点图层；打开点图层属性表，添加X,Y字段，分别计算X,Y坐标，导出数据并保存为dbf格式；

步骤1-2，数字地形图中高程点的提取：在ArcGIS中加载数值模拟计算河段CAD文件，暂时勾选掉其他图层，只保留实测点图层；打开点图层的属性表，按属性选择“实测点层”及“测量与控制点层”，将所选要素转成shp文件格式，生成新的点图层；加载新生成的shp文件，打开该图层属性表，计算X,Y坐标，导出数据并保存为dbf格式；

步骤1-3，数字地形图中等高线的提取与转化：在ArcGIS中加载数值模拟计算河段CAD文件，暂时勾选掉其他图层，只保留线图层；打开线图层的属性表，按属性选择“首曲线层”及“计曲线层”，将所选要素转成shp文件格式，生成新的线图层；加载新生成的shp文件，利用ArcGIS工具，将线图层转为点图层；加载新生成的点图层，打开该点图层的属性表，添加X,Y字段，计算X,Y坐标，导出数据并保存为dbf格式；

步骤1-4，导入数值模拟河段河道边界线，绘制Splines：分别打开步骤1-1中生成的河道左边界及右边界dbf文件，将数据存储成适用于DELFT3D软件的LDB文件格式；分别打开步骤1-2和步骤1-3生成的dbf高程数据文件，将数据存储成适用于DELFT3D软件xyz地形文件；打开DELFT3D软件，导入新生成的LDB及xyz文件，绘制数值模拟河段边界Splines；

步骤1-5，生成规则网格：点击Delft 3D界面中的Options，然后点击ChangeParameters，设置网格参数，参数M-Refinement Factor设置为m，代表每一个正方形网格内沿纵向生成m个网格；参数N-refinement Factor设置为n，代表每一个正方形网格内沿横向生成n个网格，点击软件界面的网格生成图标，生成二维规则网格。

在上述的河流二维水质数值模拟模型计算网格优化绘制方法，所述步骤1-4中，纵向Splines的曲线绘制应紧贴LDB边界，绘制方向沿河段上游到河段下游，横向splines的曲线方向为纵向splines的逆时90度，并与河流流向垂直。

在上述的河流二维水质数值模拟模型计算网格优化绘制方法，splines横竖线相交形成正方形网格。

在上述的河流二维水质数值模拟模型计算网格优化绘制方法，其特征在于，所述步骤2具体包括：

步骤2-1，确定加密的比例：按照实际网格计算的需要，若当前的模拟精度无法满足实际应用对计算的需求，则对网格进行局部优化加密，设定加密比例为n(n为整数)；

步骤2-2，进行网格局部加密：根据数值模拟计算河段中实际排污口位置坐标，确定网格体系中排污口的所在位置，按照所确定的加密的比例n，调整网格参数，对排污口所在一侧的网格进行局部加密。

本发明通过网格局部优化加密绘制方法，实现对二维规则精细网格特殊计算位置按任意比例进行局部优化加密，满足实际数值模拟计算过程中，对不同计算位置、不同计算任务需要不同精细程度的网格的需要，提高计算的效率和减少硬件开销。本发明基于已有的水质模型数值模拟网格绘制方法和工具，实现了简单高效的二维水质模型计算网格优化绘制，为基于规则网格的数值计算提供数据支撑。

附图说明

图1本发明一种河流二维水质数值模型计算网格局部优化加密绘制方法流程图。

图2数值模拟计算河段河道边界提取。

图3数字地形图中高程点的提取。

图4数字地形图中等高线的提取。

图5提取等高线转化为高程点。

图6导入数值模拟河段河道边界线，绘制Splines。

图7绘制二维规则网格。

图8规则网格局部加密过程示意图。

图9数值模拟河段规则网格局部加密。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

一种河流二维水质数值模拟模型计算网格优化绘制方法，包括步骤1，数值模拟模型规则网格精细绘制方法；步骤2，数值模拟模型规则网格的局部优化加密方法。

数值模拟模型二维规则网格精细绘制方法，是河段水动力水质数值模拟的规则网格的精细绘制技术。如图1，通过对研究范围内的实测数字地形图进行识别与转化，划分出数值模拟计算河段，识别数值模拟计算河段河道边界，提取数字地形图高程点及等高线，并将提取出的等高线转化为高程点，再利用目前已有的二维规则网格绘制工具，精细绘制河段数值模拟计算区域的二维规则网格。

数值模拟模型二维规则网格的局部优化加密方法，是在已有的最终编辑并确定的精细二维规则网格体系的基础上，对网格进行局部优化加密的技术。根据计算效率的需要，如现有的二维规则网格的精度无法满足计算效率的需要，需要进行局部优化加密处理，则在现有网格精度及其计算效率的基础上，确定参与计算的网格的加密比例，依据加密比例，对网格特殊位置进行局部优化加密，形成局部优化加密后的网格体系。

其中，数值模拟模型二维规则网格精细绘制方法具体包括以下步骤：

步骤1-1，如图2，从实测CAD数字地形图中提取数值模拟河段河道边界

①河道左岸边界提取：打开ArcGIS软件，点击加载数据，加载实测CAD数字地形图，新建线图层，紧贴实测数字地形图图层绘制河道左岸边界线，绘制完毕保存该线图层；打开ArcGIS工具栏，利用线转点工具，将线图层转换为点图层；加载新生成的点图层，打开属性表，添加X，Y字段，计算X，Y坐标；导出数据并保存为dbf格式。

②河道右岸边界提取：在上一操作步骤的基础上，新建线图层，紧贴实测数字地形图图层绘制河道右岸边界线，绘制完毕保存该线图层；打开ArcGIS工具栏，利用线转点工具，将线图层转换为点图层；加载新生成的点图层，打开属性表，添加X，Y字段，计算X，Y坐标，导出数据并保存为dbf格式。

步骤1-2，提取实测高程点

①如图3，数字地形图中高程点的提取：打开ArcGIS软件，点击加载数据，加载实测CAD数字地形图。暂时勾选掉其他图层，只保存点图层，打开该点图层属性表，按属性选择“实测点层”及“测量控制点层”，将所选要素保存成shp文件格式；加载新生成的shp文件，打开属性表，添加X,Y字段，计算X,Y坐标；导出属性数据并保存为dbf文件格式。

②如图4、图5，数字地形图中等高线的提取与转化：打开ArcGIS软件，点击加载数据，加载实测CAD数字地形图。暂时勾选掉其他图层，只保存线图层，打开该线图层属性表，按属性选择“首曲线层”及“计曲线层”，将所选要素保存成shp文件格式；加载新生成的shp文件，打开ArcGIS工具栏，利用线转点工具，将线图层转换为点图层；加载新生成的点图层，打开属性表，添加X,Y字段，计算X,Y坐标；导出数据并保存为dbf格式。

步骤1-3，如图6，导入数值模拟河段河道边界线，绘制Splines。

①准备LDB文件：打开Delft 3D的LDB文件，删除原有数据，分别打开提取的数值模拟河段河道边界的左岸及右岸dbf文件，按照LDB文件中数据存储格式，将河道左岸的边界数据及河道右岸的边界数据粘贴复制进LDB文件中。

②准备xyz文件：打开Delft 3D的xyz文件，删除原有数据，分别打开提取的数字地形图中高程点及数字地形图中等高线的dbf数据，按照xyz文件中数据存储格式，将数字地形图中高程点及数字地形图中等高线的数据粘贴复制进xyz文件中。

③绘制Splines:打开Delft 3D软件，进入界面，点击界面中的File，然后点击openland boundary指令，从目标文件夹中打开LDB文件；点击界面中的File，然后点击opensamples指令，打开xyz文件加载地形散点；点击界面上的Edit-spline，绘制splines曲线。纵向Splines的曲线绘制应紧贴LDB边界，画Splines时应从河流的上游往下游方向，splines的绘制应当一气呵成，不能断开，线应尽量平滑且能体现出河道流场等实际情况，不宜点太多的点，点太多线不平滑生成网格不流畅，过犹不及；画横向splines时其方向为纵向splines的逆时90度，并与河流流向垂直，即splines横竖线要保持正交，并注意竖直splines的位置，尽量保证横竖线相交形成正方形网格。

步骤1-4，绘制二维规则网格

点击界面中的Options，然后点击Change Parameters，设置网格参数，参数M-Refinement Factor设置为m，代表每一个正方形网格内沿纵向生成m个网格；参数N-refinement Factor设置为n，代表每一个正方形网格内沿横向生成n个网格(如附图7所示)。

另外，在计算的时候，由于计算目的和速度要求以及硬件设备的变化，进行离散化求解中对网格的精度要求会发生变化。如进行排污口设置对水质影响的数值模拟中，如果计算目的是为了精确预测排污口污水排放时河道水质的变化趋势，对模拟精度要求很高。此时，可以采取加密网格的办法，增加网格总数，进而提高计算精度。但网格总数过大，又会降低计算速度，加大硬件损耗，因此，可采取网格局部加密的办法。

其中，数值模拟模型规则网格的局部优化加密方法具体包括以下步骤：

步骤2-1，根据实际工程经验，排污口污水排放时，通常会在排污口位置所在的河道一侧形成污染带。基于此，按照实际网格计算的需要，若当前的模拟精度无法满足实际应用对计算的需求，则对网格进行局部优化加密，以兼顾数值模拟模型的计算速度与计算精度的需求。加密比例由数值模拟应用者自行决定，设定加密比例为n(n为整数)，即表示将当前精度的矩形网格的边长L缩小为L/n。

步骤2-2，进行网格局部加密：根据实际排污口位置坐标，确定网格体系中排污口的所在位置，按照所确定的加密的比例n，调整网格参数，对排污口所在一侧的网格进行局部加密以使模拟结果更加直观。

在图8、图9所示的实施例中，设定加密的比例为2，即在现有网格的基础上，网格的边长缩小为原来的一半。按照所确定的加密的比例2，对网格进行局部加密。点击界面中的Options，然后点击Change Parameters，调整网格参数，将参数N-refinement Factor设置为2，点击界面中的Operations，然后点击Refine Grid Locally，对网格进行纵向局部加密。

Claims (4)

1.一种河流二维水质数值模拟模型计算网格优化绘制方法，其特征在于，包括：

步骤1，对研究范围内的实测数字地形图进行识别与转化，划分出数值模拟计算河段，识别数值模拟计算河段河道边界，提取数字地形图高程点及等高线，并将提取出的等高线转化为高程点，再利用二维规则网格绘制工具，精细绘制河段数值模拟计算区域的二维规则网格；

步骤2，根据计算效率的需要，在现有网格精度及其计算效率的基础上，确定参与计算的网格的加密比例，依据加密比例，对网格特殊位置进行局部优化加密，形成局部优化加密后的网格体系；

所述步骤1具体包括：

步骤1-1，数值模拟计算河段河道边界提取：在ArcGIS中加载数值模拟计算河段CAD文件，新建线图层，紧贴实测图层，绘制河道左岸边界线，保存该线图层；利用ArcGIS工具将该线图层转为点图层，打开属性表，添加X,Y字段，分别计算该点图层的X,Y坐标，导出数据并保存为dbf格式；同上述操作相同，新建线图层，绘制河道右岸边界线，利用ArcGIS工具将线图层转换为点图层；打开点图层属性表，添加X,Y字段，分别计算X,Y坐标，导出数据并保存为dbf格式；

步骤1-2，数字地形图中高程点的提取：在ArcGIS中加载数值模拟计算河段CAD文件，暂时勾选掉其他图层，只保留实测点图层；打开点图层的属性表，按属性选择“实测点层”及“测量与控制点层”，将所选要素转成shp文件格式，生成新的点图层；加载新生成的shp文件，打开该图层属性表，计算X,Y坐标，导出数据并保存为dbf格式；

步骤1-3，数字地形图中等高线的提取与转化：在ArcGIS中加载数值模拟计算河段CAD文件，暂时勾选掉其他图层，只保留线图层；打开线图层的属性表，按属性选择“首曲线层”及“计曲线层”，将所选要素转成shp文件格式，生成新的线图层；加载新生成的shp文件，利用ArcGIS工具，将线图层转为点图层；加载新生成的点图层，打开该点图层的属性表，添加X,Y字段，计算X,Y坐标，导出数据并保存为dbf格式；

步骤1-4，导入数值模拟河段河道边界线，绘制Splines：分别打开步骤1-1中生成的河道左边界及右边界dbf文件，将数据存储成适用于DELFT3D软件的LDB文件格式；分别打开步骤1-2和步骤1-3生成的dbf高程数据文件，将数据存储成适用于DELFT3D软件xyz地形文件；打开DELFT3D软件，导入新生成的LDB及xyz文件，绘制数值模拟河段边界Splines；

步骤1-5，生成规则网格：点击Delft3D界面中的Options，然后点击ChangeParameters，设置网格参数，参数M-Refinement Factor设置为m，代表每一个正方形网格内沿纵向生成m个网格；参数N-refinement Factor设置为n，代表每一个正方形网格内沿横向生成n个网格，点击软件界面的网格生成图标，生成二维规则网格。

2.根据权利要求1所述的河流二维水质数值模拟模型计算网格优化绘制方法，其特征在于，所述步骤1-4中，纵向Splines的曲线绘制应紧贴LDB边界，绘制方向沿河段上游到河段下游，横向splines的曲线方向为纵向splines的逆时90度，并与河流流向垂直。

3.根据权利要求2所述的河流二维水质数值模拟模型计算网格优化绘制方法，其特征在于，splines横竖线相交形成正方形网格。

4.根据权利要求1所述的河流二维水质数值模拟模型计算网格优化绘制方法，其特征在于，所述步骤2具体包括：

步骤2-1，确定加密的比例：按照实际网格计算的需要，若当前的模拟精度无法满足实际应用对计算的需求，则对网格进行局部优化加密，设定加密比例为n(n为整数)；

步骤2-2，进行网格局部加密：根据数值模拟计算河段中实际排污口位置坐标，确定网格体系中排污口的所在位置，按照所确定的加密的比例n，调整网格参数，对排污口所在一侧的网格进行局部加密。