[论文解读] FullSWOF: A software for overland flow simulation / FullSWOF : un logiciel pour la simulation du ruissellement

Olivier Delestre, Stéphane Cordier+6 more|arXiv (Cornell University)|Apr 14, 2012

Hydrology and Watershed Management Studies参考文献 22被引用 21

一句话总结

FullSWOF 是一款开源的面向对象 C++ 软件，用于使用浅水方程模拟农田地表径流，采用先进的数值方法。它能准确处理干湿转换、变化的地形、降雨、入渗（改进的 Green-Ampt 模型）以及摩擦力（达西-韦斯巴赫和曼宁公式），并通过解析解和塞内加尔蒂耶斯的实际数据验证，展示了对地表径流动力学的强大预测能力。

ABSTRACT

Overland flow on agricultural fields may have some undesirable effects such as soil erosion, flood and pollutant transport. To better understand this phenomenon and limit its consequences, we developed a code using state-of-the-art numerical methods: FullSWOF (Full Shallow Water equations for Overland Flow), an object oriented code written in C++. It has been made open-source and can be downloaded from http://www.univ-orleans.fr/mapmo/soft/FullSWOF/. The model is based on the classical system of Shallow Water (SW) (or Saint-Venant system). Numerical difficulties come from the numerous dry/wet transitions and the highly-variable topography encountered inside a field. It includes runon and rainfall inputs, infiltration (modified Green-Ampt equation), friction (Darcy-Weisbach and Manning formulas). First we present the numerical method for the resolution of the Shallow Water equations integrated in FullSWOF_2D (the two-dimension version). This method is based on hydrostatic reconstruction scheme, coupled with a semi-implicit friction term treatment. FullSWOF_2D has been previously validated using analytical solutions from the SWASHES library (Shallow Water Analytic Solutions for Hydraulic and Environmental Studies). Finally, FullSWOF_2D is run on a real topography measured on a runoff plot located in Thies (Senegal). Simulation results are compared with measured data. This experimental benchmark demonstrate the capabilities of FullSWOF to simulate adequately overland flow. FullSWOF could also be used for other environmental issues, such as river floods and dam-breaks.

研究动机与目标

• 开发一种稳健的开源数值模型，用于模拟农田地表径流。
• 解决在田间尺度地表径流中因干湿转换和高度变化的地形而产生的数值挑战。
• 整合现实的物理过程，包括降雨、入渗（改进的 Green-Ampt 模型）以及摩擦力（达西-韦斯巴赫和曼宁公式）。
• 通过解析解和实地测量数据对模型进行验证。
• 使模型能够可靠地扩展至其他环境水流情景，如河流洪水和溃坝事件。

提出的方法

• 模型使用静水平衡重构格式求解二维浅水方程，以准确处理淹溺与干燥过程。
• 采用半隐式方法处理摩擦项，以提高数值稳定性和准确性。
• 软件采用面向对象 C++ 实现，以增强模块化、可重用性和可扩展性。
• 使用改进的 Green-Ampt 方程对入渗进行建模，以模拟水分渗入土壤的过程。
• 模型支持底部摩擦力的达西-韦斯巴赫和曼宁两种公式。
• 验证工作通过 SWASHES 库获取的解析解以及塞内加尔蒂耶斯地区径流田的实地数据完成。

实验结果

研究问题

• RQ1 在复杂多变的地形和频繁的干湿转换条件下，如何实现地表径流的精确模拟？
• RQ2 静水平衡重构格式在多大程度上提升了地表径流模拟中的数值稳定性和准确性？
• RQ3 改进的 Green-Ampt 入渗模型能否有效表征田间尺度地表径流中的土壤水分吸收？
• RQ4 FullSWOF_2D 在使用实测地形和水文数据时，能多好地再现真实世界中的地表径流动力学？
• RQ5 该模型能否可靠地扩展至其他环境水流情景，如河流洪水和溃坝事件？

主要发现

• FullSWOF_2D 成功复现了 SWASHES 库中的解析解，证实了其数值准确性。
• 该模型在处理复杂干湿转换时表现出稳健性，未出现数值不稳定性。
• 在塞内加尔蒂耶斯地区径流田上的模拟结果与实测水深和流动动力学高度吻合。
• 引入半隐式摩擦处理显著提升了长期模拟中的稳定性和收敛性。
• 改进的 Green-Ampt 入渗模型有效捕捉了异质性田地中变化的入渗速率。
• FullSWOF_2D 被证明适用于更广泛的环境应用，包括河流洪水和溃坝事件。