CN103473809B - 基于3d打印技术的流域水文模拟方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于3D打印技术的流域水文模拟方法，本发明根据DEM地形资料，采用3D打印机获得待模拟流域的三维地形实体模型，然后通过模拟降雨方式实现待模拟流域的水文模拟。本发明可广泛应用于流域水文模拟和预报，也可用来收集流域水文数据作为水文模型研究的数据基础。本发明基于待模拟流域的三维地形实体模型开展水文模拟和预报，可以提高流域模拟和预报的准确度，且无需进行模型参数率定。

Description

基于3D打印技术的流域水文模拟方法
技术领域
本发明涉及流域水文模型领域，特别涉及一种基于3D打印技术的流域水文模拟方法。
背景技术
目前，流域水文模拟均以流域水文模型为基础。流域水文模型利用水文学物理机制，分析流域降水和径流的内在关系，实现降水径流的模拟和预报，在水资源管理评价、防洪减灾等领域应用广泛。
现有的流域水文模型大多采用数学方法建模，主要步骤为：①根据流域特点，如流域属于湿润区域或干旱区域，并基于可用的基础数据，如DEM数据、土壤植被数据等，选择或构建合适的数学模型，如新安江模型、SWAT模型等；②收集流域历史水雨情数据，根据流域历史水雨情数据率定数学模型参数；③采用数学模型和率定参数，开展水文模拟。
因此，现有的流域水文模拟方法存在问题：（1）所基于的流域水文模型为数学方程式，对实际问题采用抽象概化和数学描述，模拟准确性不够；（2）流域水文模型的参数需反演获得。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明提供了一种无需率定模型参数且模拟准确性更高的、基于3D打印技术的流域水文模拟方法。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一、基于3D打印技术的流域水文模拟方法，包括步骤：
步骤1，基于3D打印机技术制作待模拟流域的三维地形实体模型；
步骤2，模拟降雨，并观测待模拟流域三维地形实体模型出口断面的流量过程。
上述步骤1具体为：
基于待模拟流域的DEM地形数据，根据给定的长度比尺、宽度比尺及高度比尺，采用3D打印机制作待模拟流域的三维地形实体模型。
上述步骤2进一步包括子步骤：
2.1给定降水比尺、蒸发比尺、时间比尺、出口断面流速比尺和出口断面流量比尺；
2.2根据降水比尺和蒸发比尺确定模拟降雨的降水量，根据实际降水分布模拟降水；
2.3观测待模拟流域三维地形实体模型出口断面的流量过程。
所述的观测待模拟流域三维地形实体模型出口断面的流量过程具体为：
采用量杯和秒表进行观测，或直接采用测流计进行观测。
二、基于3D打印技术的流域水文预报方法，包括步骤：
步骤1，基于3D打印机技术制作待模拟流域的三维地形实体模型；
步骤2，模拟降雨，并观测待模拟流域三维地形实体模型出口断面的流量过程；
步骤3，根据观测到的待模拟流域三维地形实体模型出口断面的流量和流速进行待模拟流域的水文预报。
步骤3具体为：
基于观测到的待模拟流域三维地形实体模型出口断面的流量和流速，根据给定的出口断面流速比尺、出口断面流量比尺和时间比尺，预报待模拟流域的出口断面流量过程。
与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：
1、本发明可用于流域水文模拟和预报，也可用来收集流域水文数据作为水文模型研究的数据基础。
2、现有的流域水文模拟方法均采用数学方程式描述流域物理过程，是对实际流域的高度概化，很多数学方程式为经验或者半经验公式，难以做到准确模拟。本发明基于待模拟流域的三维地形实体模型开展水文模拟和预报，可以提高流域模拟和预报的准确度，且无需进行模型参数率定。
3、本发明根据确定的时间比尺，可获得待模拟流域的实时水文预报。
附图说明
图1为本发明流程图。
具体实施方式
本发明根据DEM（数字高程模型）地形资料，采用3D打印机获得待模拟流域的三维地形实体模型，然后通过人工降雨的方式实现待模拟流域的水文模拟。
下面将结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。
1，采用3D打印机制作待模拟流域的三维地形实体模型。
基于待模拟流域的DEM地形数据，根据给定的长度比尺、宽度比尺及高度比尺，采用3D打印机制作待模拟流域的三维地形实体模型。
本步骤涉及的长度比尺、宽度比尺及高度比尺如下：
流域长度比尺LR表示待模拟流域的实际长度，Lm表示待模拟流域三维地形实体模型的长度。
流域宽度比尺WR表示待模拟流域的实际宽度，Wm表示待模拟流域三维地形实体模型的宽度。
流域高度比尺HR表示待模拟流域的实际高度，Hm表示待模拟流域三维地形实体模型的高度。
2，给定降水比尺αP、蒸发比尺αE、时间比尺αT、出口断面流速比尺αV和出口断面流量比尺αQ。
上述各类比尺如下：
降水比尺PR表示待模拟流域的观测降水量，Pm表示待模拟流域三维地形实体模型的人工降水量；
蒸发比尺ER表示待模拟流域的实际蒸发量，Em表示待模拟流域三维地形实体模型的蒸发量，待模拟流域三维地形实体模型的蒸发量通过调整周边温度、风速及湿度进行控制；
时间比尺TR表示待模拟流域的实际时间步长，Tm表示待模拟流域三维地形实体模型的时间步长；
出口断面流速比尺VR表示待模拟流域出口断面的实际流速，Vm表示待模拟流域三维地形实体模型出口断面的流速；
出口断面流量比尺QR表示待模拟流域出口断面的实际流量，Qm表示待模拟流域三维地形实体模型出口断面的流量。
3，模拟降雨，并观测待模拟流域三维地形实体模型的出口断面的流量过程。
根据降水比尺αP和蒸发比尺αE确定模拟降雨的降水总量，根据实际降水分布模拟人工降雨，即按照实际降雨实际和时间比尺将降水浇灌到待模拟流域三维地形实体模型上。采用量杯和秒表观测待模拟流域三维地形实体模型出口断面的流量过程，也可以直接采用测流计观测待模拟流域三维地形实体模型出口断面的流量过程。
4、基于观测获得的待模拟流域三维地形实体模型出口断面的流量数据，根据各类比尺获取待模拟流域的水文数据，并开展待模拟流域的水文模拟和预报。所获得的待模拟流域的水文数据还可用来研究流域水文模型。
观测待模拟流域三维地形实体模型出口断面的流量过程，以及水库水位变化过程；根据出口断面流量比尺、出口断面流速比尺和时间比尺进行放大，模拟并预报实际待模拟流域的流量过程。

Claims (4)

1.基于3D打印技术的流域水文模拟方法，其特征在于，包括步骤：
步骤1，基于3D打印机技术制作待模拟流域的三维地形实体模型；
步骤2，模拟降雨，并观测待模拟流域三维地形实体模型出口断面的流量过程，本步骤进一步包括子步骤：
2.1给定降水比尺、蒸发比尺、时间比尺、出口断面流速比尺和出口断面流量比尺；
2.2根据降水比尺和蒸发比尺确定模拟降雨的降水量，根据实际降水分布模拟降水；
2.3观测待模拟流域三维地形实体模型出口断面的流量过程。
2.如权利要求1所述的基于3D打印技术的流域水文模拟方法，其特征在于：
所述的步骤1具体为：
基于待模拟流域的DEM地形数据，根据给定的长度比尺、宽度比尺及高度比尺，采用3D打印机制作待模拟流域的三维地形实体模型。
3.如权利要求1所述的基于3D打印技术的流域水文模拟方法，其特征在于：
所述的观测待模拟流域三维地形实体模型出口断面的流量过程具体为：
采用量杯和秒表进行观测，或直接采用测流计进行观测。
4.基于3D打印技术的流域水文预报方法，其特征在于，包括步骤：
步骤1，基于3D打印机技术制作待模拟流域的三维地形实体模型；
步骤2，模拟降雨，并观测待模拟流域三维地形实体模型出口断面的流量过程，本步骤进一步包括子步骤：
2.1给定降水比尺、蒸发比尺、时间比尺、出口断面流速比尺和出口断面流量比尺；
2.2根据降水比尺和蒸发比尺确定模拟降雨的降水量，根据实际降水分布模拟降水；
2.3观测待模拟流域三维地形实体模型出口断面的流量过程；
步骤3，根据观测到的待模拟流域三维地形实体模型出口断面的流量和流速进行待模拟流域的水文预报，本步骤具体为：
基于观测到的待模拟流域三维地形实体模型出口断面的流量和流速，根据给定的出口断面流速比尺、出口断面流量比尺和时间比尺，预报待模拟流域的出口断面流量过程。
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