CN112257352A - 一维水动力模型和二维水动力模型的耦合方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种一维水动力模型和二维水动力模型的耦合方法及系统，包括构建一维水动力模型；一维水动力模型包括一维河网水流数学模型；构建二维水动力模型模拟地表二维浅水流动；根据一维水动力模型和二维水动力模型，针对多种河流断面形态进行对应的一二维水动力模型耦合方式。本发明采用一维与二维耦合的水动力学模型，可以充分考虑城镇建筑物及树木等植物对洪水传播的影响，根据河道一维流动，湖泊二维流动特性，将不同尺度、不同维度的水动力学模型进行耦合，开展不同洪水频率下的洪水影响程度与范围模拟和预测。实现城市水情形势可感知，结合上游传感仪器采集水位信息，结合闸坝调度达到削减下泄洪峰流量，实现洪水资源化的目标。

Description

一维水动力模型和二维水动力模型的耦合方法及系统

技术领域

本发明属于水动力学分析技术领域，具体涉及一种一维水动力模型和二维水动力模型的耦合方法及系统。

背景技术

相关技术中，一维、二维模型间耦合方式有多种，已有研究大体上可分为侧向耦合、重叠耦合与边界搭接耦合。侧向耦合与重叠耦合适用于河网与其旁侧洪泛区的联合模拟，或者河网整体框架下局部终点关注地区的水流细节模拟。而边界搭接耦合，为一维、二维计算域在各自的计算边界处实现搭接耦合。

根据耦合连接方法的差异，又可分为直接求解法、特征方程求解法、互赋边界迭代法。直接求解多采用有限元离散，在离散方程组层面进行矩阵整体装配求解，能严格满足耦合连接条件，但缺点是不易扩展至有限差分法和有限体积法，不利于利用现有模型，特征方程求解法在耦合连接处显式离散求解一维、二维特征方程。并利用求得的耦合连接处水位或流量作为边界条件对一维、二维计算域进行求解，其缺点是特征方程求解结果和一维、二维模型的求解结果之间往往存在差异，从而使耦合连接条件无法得到满足；互赋边界迭代法在一维、二维模型间根据已知解互相提供边界条件，交替计算以实现整体求解，但互相提供的边界条件存在时间滞后性，使耦合连接条件无法得到满足，即使对互赋边界条件过程进行迭代，其是否收敛尚无定论；有学者提出在耦合边界处构造一虚拟的重叠计算水域，以限制时间滞后边界条件引起的误差传播，但仍无法彻底避免耦合连接处一维、二维计算结果不一致的缺陷。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种一维水动力模型和二维水动力模型的耦合方法及系统，以解决现有技术中一维水动力与二维水动力模型在进行耦合时存在缺陷的问题。

为实现以上目的，本发明采用如下技术方案：一种一维水动力模型和二维水动力模型的耦合方法，包括：

构建一维水动力模型；所述一维水动力模型包括一维河网水流数学模型；

构建二维水动力模型，用于模拟地表二维浅水流动；

根据所述一维水动力模型和二维水动力模型，针对多种河流断面形态进行对应的一二维水动力模型耦合方式。

进一步的，所述一维河网水流数学模型，包括：

采用圣维南方程组作为河道非恒定流控制方程，包括水流连续方程和水流运动方程：

水流连续方程：

水流运动方程：

其中，x为里程(m)；t为时间(s)；Z为水位(m)；B为过水断面水面宽度(m)；Q为流量(m³/s)；q为侧向单宽流量(m²/s)，正值表示流入，负值表示流出；A为过水断面面积(m²)；g为重力加速度(m/s²)；u为断面平均流速；β为校正系数；R为水力半径；c为谢才系数，n为曼宁糙率系数。

进一步的，所述二维水动力模型，包括：

连续性方程为：

x方向动量方程为：

y方向动量方程为：

其中，u、v分别为x、y方向的垂向平均速度；z为水面高程；h为水深；f为科氏力系数f＝2Ωsinθ，Ω为地球旋转的角频率，θ为当地的纬度；γ_i为紊动黏性系数；ρ_a和ρ_ω分别是空气和水密度；f_ω为风应力系数；ω_x、ω_y分别为x、y方向的风速。

进一步的，所述二维湖泊水动力模型采用非正交交错网格，利用有限体积法对方程进行离散，其中对流项采用迎风格式处理，对连续性方程与动量方程离散得到：

采用SIMPLE正交算法，获得自由表面η校正方程和速度修正方程，即

η校正方程：

速度修正方程：

其中，a_P、a_nb均为系数；

d_P和d_nb均为离散系数；

和η′_p是猜想值。

进一步的，一二维水动力模型耦合方式包括：

侧向耦合、重叠耦合、边界搭接耦合。

进一步的，所述侧向耦合的耦合过程包括：

利用一维水动力学模型模拟洪水在主槽内的演进，求在主槽内各大断面的水位Z和流量Q，并把计算结果按距离内插到各大断面间四边形网格形心处；

比较主槽内四边形网格形心处的水位、滩唇高程和相邻滩地三角形网格形心高程，利用二维水动力学模型计算主槽与滩地间的水量交换，得到滩槽交换量；

根据滩槽交换量计算主槽单位宽度进出流量ql，将ql作为下时刻主槽计算的旁侧流量进行滩槽耦合计算。

进一步的，将一、二维模型区域延长一段重叠段求解，在一维计算水域的边界处和二维计算水域的边界处形成虚拟重叠区域；

设U＝[Z，Q]为一维计算区内的物理量：水位、流量；V为二维计算区相应的物理量；C为Courant数，所述重叠耦合的耦合过程包括：

一维计算区虚拟边界的时间滞后条件取为ΔU n+1＝0；

求解一维隐格式，得到各水力要素在二维真实边界点处的时间精确解，若时间步长不等，则在一维计算时间步长内插值得到物理量，并作为二维计算的边界条件；其中，所述一维隐格式包括虚节点在内；

虚拟重叠区域的投影，即将二维计算得到的精确解投影到一维虚拟点上，Un-+i1+1＝Vnk+1，i＝1，2，…，C；其中，k为二维计算区对应物理量的下标；

重复上述步骤，直至计算结束。

进一步的，一维水动力模型与二维水动力模型模拟的水位于流量相等；

水位连接条件：Z₁＝Z₂；

流量连接条件：Q₁＝∫U_εh_εdε；

其中Z₁、Z₂分别为一、二维模型在连接断面处的水位；Q₁为一维模型在连接断面上的流量，U_ε为二维模型在连接断面法向上的流速，h为水深，ε为一、二维模型连接断面坐标；

在一、二维模型连接断面处，根据两种模型模拟的水质组分浓度相等的条件实现耦合；

浓度连接条件：C₁＝C₂；

其中，C₁、C₂分别为一、二维模型在连接断面处的水质组分浓度；

所述边界搭接耦合过程包括：

在水流从一维水动力模型向二维水动力模型流动的条件下，由一维水动力模型直接解出一、二维水动力模型连接断面上的第一物理量，将所述第一物理量作为二维模型的边界条件；

在水流从二维水动力模型向一维水动力模型流动的条件下，由二维水动力模型解出一、二维水动力模型连接断面上的第二物理量，将所述第二物理量作为一维模型的边界条件。

进一步的，所述一维水动力模型为一维河道水动力模型，所述二维水动力模型为二维湖泊水动力模型。

本申请实施例提供一种一维水动力模型和二维水动力模型的耦合系统，包括：

一维构建模块，用于构建一维水动力模型；所述一维水动力模型包括一维河网水流数学模型；

二维构建模块，用于构建二维水动力模型，用于模拟地表二维浅水流动；

模型耦合模块，用于根据所述一维水动力模型和二维水动力模型，针对多种河流断面形态进行对应的一二维水动力模型耦合方式。

本发明采用以上技术方案，能够达到的有益效果包括：

本发明提供一种一维水动力模型和二维水动力模型的耦合方法，根据河道一维流动，湖泊二维流动特性，将不同尺度、不同维度的水动力学模型进行耦合，开展不同洪水频率下的洪水影响程度与范围模拟和预测。实现城市水情形势可感知，结合上游传感仪采集水位信息，对区域内闸坝等水利工程进行实时校正反馈优化调度，达到削减下泄洪峰流量，实现洪水资源化的目标。

水动力学模型将通过对灾害事件的提前预报预警，极大程度地提升智能调度与防控能力。为应对城市水灾害方面正确更多的提前量和准备时间，从而最大程度上减少城市居民生产安全及社会经济损失，做到科学有效地防治水灾害。

除此之外，本申请中根据河道断面形态不同选择针对性的以为一、二维水动力模型的不同的耦合方式，避免耦合方式出现的缺陷。

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一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一维水动力模型和二维水动力模型的耦合方法的步骤示意图；

图2为本发明侧向耦合示意图；

图3为本发明重叠耦合示意图；

图4为本发明边界直接搭接耦合方式示意图；

图5为本发明边界搭接设过渡单元的耦合方式示意图；

图6为本发明耦合模型流量过程计算结果示意图；

图7为本发明耦合模型淹没范围计算结果示意图；

图8为本发明一维水动力模型和二维水动力模型的耦合系统的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。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的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。

下面结合附图介绍本申请实施例中提供的一个具体的一维水动力模型和二维水动力模型的耦合方法。

如图1所示，本申请实施例中提供的一维水动力模型和二维水动力模型的耦合方法包括：

S101，构建一维水动力模型；所述一维水动力模型包括一维河网水流数学模型；

S102，构建二维水动力模型，用于模拟地表二维浅水流动；

S103，根据所述一维水动力模型和二维水动力模型，针对多种河流断面形态进行对应的一二维水动力模型耦合方式。

一维水动力模型和二维水动力模型的耦合方法的工作原理为：首先一维水动力模型；所述一维水动力模型包括一维河网水流数学模型，然后构建二维水动力模型，用于模拟地表二维浅水流动，最后根据所述一维水动力模型和二维水动力模型，针对多种河流断面形态进行对应的一二维水动力模型耦合方式。本申请中根据河道的不同形态选择不同的一二维水动力模型耦合方式，得到不同的一、二维水动力耦合模型。从而避免耦合连接处一维、二维计算结果不一致的缺陷。

一些实施例中，一维河网水流数学模型计算采用“分级联解法”。“分级联解法”的本质是利用河段离散方程的递推关系，建立汊点的离散方程并求解，其算法基本原理为：首先将河段内相邻两断面之间的每一微段上的圣维南方程组离散为断面水位和流量的线性方程组；通过河段内相邻断面水位与流量的线性关系和线性方程组的自消元，形成河段首末断面以水位和流量为状态变量的河段方程；再利用汊点相容方程和边界方程，消去河段首、末断面的某一个状态变量，形成节点水位(或流量)的节点方程组；最后对简化后的方程组采用追赶法求解。

采用圣维南方程组作为河道非恒定流控制方程，包括连续方程和运动方程：

水流连续方程：

水流运动方程：

其中，x为里程(m)；t为时间(s)；Z为水位(m)；B为过水断面水面宽度(m)；Q为流量(m³/s)；q为侧向单宽流量(m²/s)，正值表示流入，负值表示流出；A为过水断面面积(m²)；g为重力加速度(m/s²)；u为断面平均流速；β为校正系数；R为水力半径；c为谢才系数，n为曼宁糙率系数。

网状河道的汊点是相关支流汇入或流出点。汊点处的水流情况通常较复杂，目前对河网进行非恒定流计算时，通常使用近似处理方法，即汊点处各支流水流要同时满足流量衔接条件和动力衔接条件：

流量衔接条件：

动力衔接条件：Z₁＝Z₂＝…＝Z_m；

式中：Q为汊点第i条支流流量，流入为正，流出为负；Z_i表示汊点第i条支流的断面平均水位；m为汊点处的支流数量。

一些实施例中，所述二维水动力模型，包括：

连续性方程为：

x方向动量方程为：

y方向动量方程为：

其中，u、v分别为x、y方向的垂向平均速度；z为水面高程；h为水深；f为科氏力系数f＝2Ωsinθ，Ω为地球旋转的角频率，θ为当地的纬度；γ_i为紊动黏性系数；ρ_a和ρ_ω分别是空气和水密度；f_ω为风应力系数；ω_x、ω_y分别为x、y方向的风速

优选的，所述二维湖泊水动力模型采用非正交交错网格，利用有限体积法对方程进行离散，其中对流项采用迎风格式处理，对连续性方程与动量方程离散得到：

采用SIMPLE正交算法，获得自由表面η校正方程和速度修正方程，即

η校正方程：

速度修正方程：

其中，a_P、a_nb均为系数；

d_P和d_nb均为离散系数；

和η′_p是猜想值。

其中，表面和速度方程组属于同一类对角型的代数方程组，可以应用SIMPLE方法进行快速求解。

优选的，一二维水动力模型耦合方式包括：

侧向耦合、重叠耦合、边界搭接耦合。

优选的，所述针对多种河道与地面的地表进行对应的一二维水动力模型耦合方式，具体为如果河流断面形态为由主槽和边滩构成的复式断面，则对一二维水动力模型进行侧向耦合。

优选的，如图2所示，我国平原地区大部分天然河流断面形态不规则，表现为比较复杂的由主槽和边滩构成的复式断面。在汛期，由主槽和滩地共同行洪的复式河道是河流大洪水的主要演进方式，水位超过平滩水位后，水流在主槽和滩地内流动，洪水过程表现为洪量大、洪峰持续时间长、水位高等特点，对于平原地区防洪工程的运行产生较大影响，一、二维水动力模型的侧向耦合主要解决复式河道大尺度漫滩洪水的演进，溃堤洪水向防洪保护区演进等实际问题，一维、二维侧向耦合模型计算区域互相并置，适用于河道与其旁侧洪泛区的联合模拟。

侧向耦合具体实现方法如下：

1，利用一维水动力学模型模拟洪水在主槽内的演进，求在主槽内各大断面的水位Z和流量Q，并把计算成果按距离内插到各大断面间四边形网格形心处。

2，比较主槽内四边形网格形心处的水位、滩唇高程和相邻滩地三角形网格形心高程，利用二维水动力学模型计算主槽与滩地间的水量交换。滩地网格间水流交换主要是根据控制网格形心高程、网格间边界高程和相邻控制网格形心高程，采用二维水动力学模型求解滩地网格间的水流交换。

3，根据滩槽交换量计算主槽单位宽度进(出)流量ql，把ql作为下时刻主槽计算的旁侧流量进行滩槽耦合计算。

一些实施例中，如图3所示，一、二维模型耦合求解常见的方法是将一、二维模型区域延长一段重叠段求解，在一维计算水域的边界处和二维计算水域的边界处形成虚拟的重叠区域，对一维计算水域的虚拟边界采用滞后耦合条件，在下一时间步长虚拟重叠水域的水力要素值，通过二维计算得到的精确解来代替滞后条件引入的不精确解。

重叠耦合的具体过程为：

设U＝[Z，Q]为一维计算区内的物理量(水位、流量)；V为二维计算区相应的物理量；C为Courant数.耦合过程分步算法如下:

1，一维计算区虚拟边界的时间滞后条件取为ΔU n+1＝0；

2，求解一维隐格式(包括虚节点在内),得到各水力要素在二维真实边界点处的时间精确解，若时间步长不等，则在一维计算时间步长内插值得到合适的物理量(如水位、流量等)，并作为二维计算的边界条件；

3，虚拟重叠区域的投影，即将二维计算得到的精确解投影到一维虚拟点上，Un-+i1+1＝Vnk+1，i＝1，2，…，C(其中，k为二维计算区对应物理量的下标)；

4，重复上述步骤,直至计算结束。

一些实施例中，如图4和图5所示，一、二维模型耦合求解的另一种方法无需延长一段重叠段，在耦合模型连接断面处，根据水位、流量相同的条件求解。即一维、二维计算区域在各自的计算边界处实现搭接耦合，一个模型出口即为另一个模型的进口，两模型之间相互提供边界条件。

在一、二维模型连接断面处，根据两种模型模拟的水位与流量相等的条件实现耦合。

水位连接条件：Z₁＝Z₂；

流量连接条件：Q₁＝∫U_εh_εdε；

其中Z₁、Z₂分别为一、二维模型在连接断面处的水位；Q₁为一维模型在连接断面上的流量，U_ε为二维模型在连接断面法向上的流速，h为水深，ε为一、二维模型连接断面坐标；

在一、二维模型连接断面处，根据两种模型模拟的水质组分浓度相等的条件实现耦合；

浓度连接条件：C₁＝C₂；

其中，C₁、C₂分别为一、二维模型在连接断面处的水质组分浓度；实现一、二维模型的耦合。单元设置方式与一维河道水动力模型与二维湖泊水动力模型一样的设置方式。

边界搭接方式下的模型耦合实现方法如下：

在水流从一维水动力模型向二维水动力模型流动的条件下，由一维水动力模型直接解出一、二维水动力模型连接断面上的第一物理量，将所述第一物理量作为二维模型的边界条件；

在水流从二维水动力模型向一维水动力模型流动的条件下，由二维水动力模型解出一、二维水动力模型连接断面上的第二物理量，将所述第二物理量作为一维模型的边界条件。

优选的，所述一维水动力模型为一维河道水动力模型，所述二维水动力模型为二维湖泊水动力模型。

具体的，如图6所示，其为耦合模型流量过程计算结果，其中，模型计算与实测对比图。从洪峰峰值看，计算最大洪峰为7360m3/s，洪峰到达时间为8月7日1:00，实测为7150m3/s，洪峰到达时间为8月6日22:00，计算与实测基本一致。从洪水的传播过程看，在洪水上涨过程中，滩区先蓄后泄。先是横比降大于纵比降，由主槽向滩地分流或倒灌，当滩地蓄水达到一定程度后，由于主槽水流迅速向下推进，造成主槽比降大于横比降，滩地蓄水回流至主槽，经过滩地的水量调蓄作用，使主槽峰前水量又附加到峰后过程上，使洪水过程变形，同时迟滞了下游站的峰现时间，模型能够模拟洪水的变形过程。

如图7所示，其为耦合模型淹没范围计算结果，最大洪峰到达夹河滩时，计算花园口—夹河滩河段淹没范围图，计算滩地淹没水深为0.5～3.3m，平均水深约1.4m，在峰顶附近滩地分流比为22％～41％，计算夹河滩断面平均流速为1.38m/s，计算滩区蓄水约为5.13亿m3。累积至6日实测该河段滩区蓄水约为5.97亿m3。计算能够反映滩地滞洪及蓄水的过程。

本申请实施例提供一种一维水动力模型和二维水动力模型的耦合系统，如图8所示，包括：

一维构建模块801，用于构建一维水动力模型；所述一维水动力模型包括一维河网水流数学模型；

二维构建模块802，用于构建二维水动力模型，用于模拟地表二维浅水流动；

模型耦合模块803，用于根据所述一维水动力模型和二维水动力模型，针对多种河流断面形态进行对应的一二维水动力模型耦合方式。

本申请提供的一维水动力模型和二维水动力模型的耦合系统的工作原理是，一维构建模块801构建一维水动力模型；所述一维水动力模型包括一维河网水流数学模型；二维构建模块802构建二维水动力模型，用于模拟地表二维浅水流动；模型耦合模块803根据所述一维水动力模型和二维水动力模型，针对多种河流断面形态进行对应的一二维水动力模型耦合方式。

本申请实施例提供一种计算机设备，包括处理器，以及与处理器连接的存储器；

存储器用于存储计算机程序，计算机程序用于执行上述任一实施例提供的一维水动力模型和二维水动力模型的耦合方法；

处理器用于调用并执行存储器中的计算机程序。

综上所述，本发明提供一种一维水动力模型和二维水动力模型的耦合方法及系统，包括构建一维水动力模型；所述一维水动力模型包括一维河网水流数学模型；构建二维水动力模型，用于模拟地表二维浅水流动；根据所述一维水动力模型和二维水动力模型，针对多种河流断面形态进行对应的一二维水动力模型耦合方式。本发明采用一维与二维耦合的水动力学模型，可以充分考虑城镇建筑物及树木等植物对洪水传播的影响，根据河道一维流动，湖泊二维流动特性，将不同尺度、不同维度的水动力学模型进行耦合，开展不同洪水频率下的洪水影响程度与范围模拟和预测。实现城市水情形式可感知，结合上游传感仪限定水位信息，达到削减下泄洪峰流量，实现丰枯调剂的目标。

可以理解的是，上述提供的方法实施例与上述的装置实施例对应，相应的具体内容可以相互参考，在此不再赘述。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器和光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令方法的制造品，该指令方法实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种一维水动力模型和二维水动力模型的耦合方法，其特征在于，包括：

构建一维水动力模型；所述一维水动力模型包括一维河网水流数学模型；

构建二维水动力模型，用于模拟地表二维浅水流动；

根据所述一维水动力模型和二维水动力模型，针对多种河流断面形态进行对应的一二维水动力模型耦合方式。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述一维河网水流数学模型，包括：

采用圣维南方程组作为河道非恒定流控制方程，包括水流连续方程和水流运动方程：

水流连续方程：

水流运动方程：

其中，x为里程(m)；t为时间(s)；Z为水位(m)；B为过水断面水面宽度(m)；Q为流量(m³/s)；q为侧向单宽流量(m²/s)，正值表示流入，负值表示流出；A为过水断面面积(m²)；g为重力加速度(m/s²)；u为断面平均流速；β为校正系数；R为水力半径；c为谢才系数，n为曼宁糙率系数。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述二维水动力模型，包括：

连续性方程为：

x方向动量方程为：

y方向动量方程为：

其中，u、v分别为x、y方向的垂向平均速度；z为水面高程；h为水深；f为科氏力系数f＝2Ωsinθ，Ω为地球旋转的角频率，θ为当地的纬度；γ_i为紊动黏性系数；ρ_a和ρ_ω分别是空气和水密度；f_ω为风应力系数；ω_x、ω_y分别为x、y方向的风速。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述二维湖泊水动力模型采用非正交交错网格，利用有限体积法对方程进行离散，其中对流项采用迎风格式处理，对连续性方程与动量方程离散得到：

采用SIMPLE正交算法，获得自由表面η校正方程和速度修正方程，即

η校正方程：

速度修正方程：

其中，a_P、a_nb均为系数；

d_P和d_nb均为离散系数；

和η′_p是猜想值。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，一二维水动力模型耦合方式包括：

侧向耦合、重叠耦合、边界搭接耦合。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述侧向耦合的耦合过程包括：

利用一维水动力学模型模拟洪水在主槽内的演进，求在主槽内各大断面的水位Z和流量Q，并把计算结果按距离内插到各大断面间四边形网格形心处；

比较主槽内四边形网格形心处的水位、滩唇高程和相邻滩地三角形网格形心高程，利用二维水动力学模型计算主槽与滩地间的水量交换，得到滩槽交换量；

根据滩槽交换量计算主槽单位宽度进出流量q1，将q1作为下时刻主槽计算的旁侧流量进行滩槽耦合计算。

7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，将一、二维模型区域延长一段重叠段求解，在一维计算水域的边界处和二维计算水域的边界处形成虚拟重叠区域；

设U＝[Z，Q]为一维计算区内的物理量：水位、流量；V为二维计算区相应的物理量；C为Courant数，所述重叠耦合的耦合过程包括：

一维计算区虚拟边界的时间滞后条件取为ΔUn+1＝0；

求解一维隐格式，得到各水力要素在二维真实边界点处的时间精确解，若时间步长不等，则在一维计算时间步长内插值得到物理量，并作为二维计算的边界条件；其中，所述一维隐格式包括虚节点在内；

虚拟重叠区域的投影，即将二维计算得到的精确解投影到一维虚拟点上，Un-+i1+1＝Vnk+1，i＝1，2，…，C；其中，k为二维计算区对应物理量的下标；

重复上述步骤，直至计算结束。

8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，一维水动力模型与二维水动力模型模拟的水位于流量相等；

水位连接条件：Z₁＝Z₂；

流量连接条件：Q₁＝∫U_εh_εdε；

其中Z₁、Z₂分别为一、二维模型在连接断面处的水位；Q₁为一维模型在连接断面上的流量，U_ε为二维模型在连接断面法向上的流速，h为水深，ε为一、二维模型连接断面坐标；

在一、二维模型连接断面处，根据两种模型模拟的水质组分浓度相等的条件实现耦合；

浓度连接条件：C₁＝C₂；

其中，C₁、C₂分别为一、二维模型在连接断面处的水质组分浓度；

所述边界搭接耦合过程包括：

在水流从一维水动力模型向二维水动力模型流动的条件下，由一维水动力模型直接解出一、二维水动力模型连接断面上的第一物理量，将所述第一物理量作为二维模型的边界条件；

在水流从二维水动力模型向一维水动力模型流动的条件下，由二维水动力模型解出一、二维水动力模型连接断面上的第二物理量，将所述第二物理量作为一维模型的边界条件。

9.根据权利要求1至8任一项所述的方法，其特征在于，

所述一维水动力模型为一维河道水动力模型，所述二维水动力模型为二维湖泊水动力模型。

10.一种一维水动力模型和二维水动力模型的耦合系统，其特征在于，包括：

一维构建模块，用于构建一维水动力模型；所述一维水动力模型包括一维河网水流数学模型；

二维构建模块，用于构建二维水动力模型，用于模拟地表二维浅水流动；

模型耦合模块，用于根据所述一维水动力模型和二维水动力模型，针对多种河流断面形态进行对应的一二维水动力模型耦合方式。

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