基于洪水模擬和預(yù)報的三維仿真系統(tǒng)設(shè)計

　　摘 要 ：基 于 河 道 洪 水模 擬 與 預(yù)報 的 三 維仿 真 是 了解 當(dāng)前 和 未 來洪 水 運動 過 程 和 洪 水 風(fēng) 險程 度 的 重要 手 段 ，采 用 TOPKAP1分 布式 水 文模 型和 水 力 學(xué) 河道 洪水 演進(jìn) 方 法預(yù)報 沿程 各 斷 面 水位 過 程 ，綜合 運 用 KS、GIS技 術(shù) 建 立 三 維地 形 圖 ，以 Unity3D為 平 臺搭 建 三 維 場景 模 型 ，運 用廣 度 搜 索 算 法搜 索不 同 水位 下 的 河道 邊 界 、三 維種 子 填 充 算法 對 洪 水淹 沒 區(qū)域 進(jìn) 行 填 充 ，綜合 模 擬 洪 水運 動 過程 ，通 過在 浙 江 省錢 塘 江 流域 上 的 應(yīng) 用 ，驗 證 了 系統(tǒng) 的可 靠性 和 科 學(xué)性 。

　　關(guān) 鍵詞 ：分 布 式 水文模 型 ；河道 洪水 演進(jìn) ；三 維仿 真 ；錢 塘 江流 域

　　有 效 的 防汛 決 策 調(diào)度 ，首先 依 賴 于洪 水 預(yù) 報 的準(zhǔn) 確 性 和 及 時性 。國 內(nèi)傳統(tǒng) 的 洪水 預(yù) 報主 要 體 現(xiàn)在 單 點預(yù) 報 的洪 峰 出現(xiàn) 時 間 和數(shù)值 ，更具 體 的有 圖表 格 式的 過程 輸 出，但是與流域地形 、堤岸 以及水利工程 的關(guān)系并不能 直 觀地 反 映 出來 ，這 對 決 策者 的 空 間分 析 能力 提 出 了很 高 的要 求 。近 年 來 ，水 文對 于 防汛 決 策 的 支 持主 要 體 現(xiàn) 在 兩 個 方 面 ：一 是 水 文 預(yù) 報 技 術(shù) ，逐 步從 經(jīng) 驗 或者 概 念 性 水 文模 型的 單點預(yù) 報過 程 輸 出向全 分布 式物理 模 型和 水 力 學(xué) 河道 洪 水演 進(jìn) 的 全河 網(wǎng) 密集 型 輸 出發(fā) 展 ；二 是表 現(xiàn) 形 式 ，隨 著計 算 機 技術(shù) 、3G技術(shù) 和 三維 可視 化 技術(shù) 的 迅 速 發(fā)展 ，防汛 決 策支 持 體 系逐 漸 向基 于 3G技 術(shù) 、三 維 可 視化 技術(shù) 的空 間多 層次 、立體 模 式發(fā)展 ，實現(xiàn) 數(shù)字 流域 和 水 利 空間 信息 展 示 從二 維 到三 維 的 轉(zhuǎn)變 。兩 方 面 技術(shù) 的發(fā)展 ，使基于全分布式水文預(yù)報模型和水力學(xué)河道洪 水 演 進(jìn)方 法 的三 維 防 汛決 策 支持 系 統(tǒng) 的研 制 成 為可 能 。 目前 ，以河道 洪 水演 進(jìn) 為 基礎(chǔ) 的 三維 仿 真 技術(shù) 大 都 是基 于 上 邊界 采 用 實 測人 流進(jìn) 行 的 河道 洪 水演 算 ，如 此 形成 的系統(tǒng)往往局 限于洪水的情景再現(xiàn) ，如果在此基礎(chǔ)上，耦 合 流 域水 文 模 型 ，使河 道 洪水 演 進(jìn)三 維 仿 真 系統(tǒng) 具有 一 定預(yù) 見 期 ，可 以更 好地 為 防汛決 策調(diào)度 提供 支持 。

　　1洪水演進(jìn) 三維仿真 系統(tǒng)的設(shè)計

　　1．1設(shè)計目標(biāo)和思路

　　洪水演進(jìn)三維仿真系統(tǒng)的設(shè)計 目標(biāo) ，是要耦合水文 專 業(yè) 技 術(shù) 、計 算 機 網(wǎng) 絡(luò) 技 術(shù) 、3維 建 模 技 術(shù) 、3S(GIS， GPS，RS)技 術(shù) 、空 間 數(shù) 據(jù) 庫 技 術(shù) 等 多 種 技 術(shù) ，實 現(xiàn)實 時 雨 水 情 、氣 象 預(yù) 報 、洪水 預(yù) 報等 信 息 的多 維展 示 ，使 洪水 預(yù)報和演進(jìn)具有真實的可視化效果 ，使流域洪水預(yù)報對 防汛 防 臺風(fēng) 的支持從 圖表 到 圖像 、從 靜態(tài) 到動態(tài) ，推 動 防 汛指 揮體 系 的 自動 化及 信 息 化進(jìn) 程 。因此需 要 展 現(xiàn) 的信 息包括 ：(1)洪水在時間、空間上的變化過程；(2)洪水的 時空變化和堤防、水利工程的關(guān)系 ；(3)洪水漫堤造成 的 影 響 范 圍 ；(4)水 利 工 程 的調(diào) 度 對 于 洪 水 時 空變 化 的 影 響 ；(5)氣象 預(yù)報 成 果 對 洪 水 時空 變 化 及 可 能 產(chǎn)生 影 響 的形 勢分 析和 展現(xiàn) 。圍繞這 些 內(nèi)容 的實現(xiàn) ，首先 應(yīng)基 于水 文水力學(xué)模型的計算成果，其次需要綜合采用數(shù)字流域 、 三 維 可視 化 等技 術(shù) 實現(xiàn) 復(fù)雜 數(shù) 據(jù)在 空 間上 、視 覺 上 的直 觀展 示 。

　　1．2系統(tǒng)功能設(shè)計

　　從 展 示 內(nèi)容 上 ，實 現(xiàn) 如 下 功 能 ：(1)根據(jù) 高精 度 數(shù) 字 高程 模 型 (DEM )和遙 感數(shù) 據(jù) ，結(jié)合 水域 內(nèi)重要 水 文和 水 利設(shè) 施 三維 建模 ，快 速生 成三 維 流域 景觀 圖 ；(2)根 據(jù) 相 關(guān) 水 文數(shù) 據(jù) ，能 夠在 三 維 流 域 景 觀 圖上 疊 加 水 體 ，提 供 流域 中洪 水運 動 的動 態(tài) 三維 模 擬仿 真 ，演 示水 位 上漲 過 程 及仿 真 淹 沒 的 區(qū)域 ；(3)提 供 水 利 工程 調(diào) 度 所 產(chǎn) 生 的 洪水 效果 以及 可能 漫堤 所 影響 的 區(qū)域立 體 影像 ； (4)提 供 流域 及 洪 水 演 進(jìn) 在 空 間 不 同 角 度 和 不 同方 位 上的立體仿 真，能夠 自由旋轉(zhuǎn) ，讓用戶從各個角度觀 察 洪 水 行 為及 可 能 淹 沒 的 區(qū)域 ；(5)顯示 實 時 和 未 來 可 能 達(dá) 到 的洪 水狀 態(tài) 。系 統(tǒng)功 能設(shè) 計 如 圖 1所示 。

　　2 系統(tǒng)開發(fā) 的主要技 術(shù)

　　2-1全分布式流域水文模型

　　本 文 采 用 TOPKAPI作 為 流 域 預(yù) 報 的 計 算 模 型 。 TOPKAPI是 由 Todini于 1955年提 出的 物理 降 雨徑 流 模 型 ，可適 用于 不 同的空 間尺度 ，范 圍從 山坡到集 水 區(qū) 域 ，模 型 的 參 數(shù) 是 反 映 下 墊 面 特 征 的 物 理 值 。模 型建 立 在運動學(xué)方法和流域地形學(xué)方法結(jié)合的理論基礎(chǔ)上 。流 域地形學(xué)用 DEM 來描述 ，DEM用正方形小方格將應(yīng)用 領(lǐng)域再劃分 ，徑流路線和坡度從 DEM開始 ，然后 以能量 損失最小原則 即最大高程差根據(jù)相關(guān)領(lǐng)域估計。采用 非 線性運 動波融合形成 3個“結(jié)構(gòu)相似 ”的零維非線性水 庫 方 程 式 ，第 1個 代 表 土 壤 排 水 ，第 2個 代 表 在 飽 和 土 權(quán) 限 管 理 壤和 不透水 土壤 中的地表徑流 ，第 3個 代表河道徑流 。 模型 的參數(shù)如坡度 、土壤滲透率 、地形和地表糙率依賴 尺 度 可 從 數(shù) 字 高 程 地 圖 、地 質(zhì) 圖和 植 被 、土 壤 利 用 率地 圖 中獲 得 ?；?本 方 程 式 的融 合 在 DEM 的 每 個 單 獨 單 元 格 中實 現(xiàn) 。

　　2．2水力學(xué)河道洪水演算方法

　　河道洪水演算方法采用一維水動力學(xué)模型 。描述河 道 水 流運 動 的一 維 圣 維 南方 程組 為 ： I啟 +出：q I+擊( 甏+gA． ． (1) 式 中 ：g為 旁側(cè) 人 流 流 速 ；Q 、A 、 、z 分 別 為 河道 斷 面 流 量 、過 水 面積 、河 寬 和 水 位 ； 為 旁側(cè) 人 流流 速 在 水流方向上的分量 ，一般可以近似為零 ；K為流量模數(shù) ， 反 映 河 道 的 實 際 過 流 能力 ； 為 動量 校 正 系數(shù) ，是反 映 河 道 斷面 流 速分 布 均 勻性 的 系數(shù) ；g為 重 力加 速 度 。

　　3 系 統(tǒng) 應(yīng) 用 實 例 3-1研 究 區(qū)域 概況

　　錢 塘 江 為 浙 江省 第 一 大 河 ，跨浙 、皖 、閩 、贛 4省 ，流 域地 勢西南高 、東北低。錢塘江有南源 (蘭江 )、北源(新 安 江 )兩 源 ，均 發(fā) 源 于 安 徽 省 休 寧縣 ，南 北 兩 源 至 建 德 梅 城匯合 ，建德梅城 以下至蕭 山聞堰 (東江咀 )河段 稱 富春江 ，蕭山聞堰 (東江咀 )以下至入海 口(寧波鎮(zhèn)海區(qū) 外游山與上海 市南匯蘆潮 港 連線 )為錢塘 江 。蘭江 流 域 面積 19468km ，河 長 302．5km；新安 江 流域 面 積 11674km ，河長 358．5km。本文研 究的 區(qū)域在 錢塘 江 南 源 蘭江 蘭溪 以上 河段 ，研 究 區(qū)域 水 系示 意 圖見 圖 3。

　　3．2錢塘江洪水演進(jìn)三維仿真系統(tǒng)

　　系統(tǒng)集成 了TOPKAP1分布式水文模型和一 維水動 26 中國防汛抗旱 第24卷 第3期 2014年 6月 力學(xué)河道洪水演算方法 的主要成果 ：通過TOPKAPI模 型進(jìn) 行 流 域產(chǎn) 匯 流 計算 ，結(jié) 合 氣象 預(yù) 報接 口延 長預(yù) 報 預(yù) 見期 ，采用一維水動力學(xué)模型進(jìn)行河道 洪水演算 ，充分 考 慮 沿 程 河 段 水 利 工程 及 上 游 大 型 水 庫 輸 出 流 量 的 影 響 ，模 擬 和 預(yù) 報 主 要 支 流控 制 斷 面 的 流 量 和水 位 數(shù) 據(jù) ， 計 算研 究 區(qū)域 沿 程 未來 可 能 發(fā)生 的水 位 過程 ，并實 時提 取流 域 內(nèi)遙測水雨情信 息 ，做 到多類型數(shù)據(jù) 的融合 發(fā) 布 。通過高分 辨率 的 DEM地 圖和遙感圖片 自動生成流 域 三 維地 圖 ，綜合 運 用 多種 三 維建 模 技術(shù) 建 立各 種 水 文 設(shè) 施 和水 利 工程 的三維 立 體 圖 ，通 過 河道 邊 界 搜索 和 種 子 填 充 方 法 仿 真洪 水 的淹 沒 范 圍 ，以此 建 立 可 以平 移 、 旋轉(zhuǎn) 、漫游等多種方式多種角度查看的三維流域場景 ， 并在三維的基礎(chǔ)上進(jìn)行平面二維化 ，采用顏色渲染和面 積擴(kuò)散的方式展示全流域洪水的運動過程 ，在各個輸出 節(jié)點上綜合采用圖、表和三維動 畫綜合對 比，做到有整 體 、有 局 部 、有 畫面 、有 數(shù) 據(jù) 。最 后 用 歷 史數(shù) 據(jù) 對 系 統(tǒng) 的 功 能 和 效 用 進(jìn) 行 了驗 證 ，采 用 2011年 6月 發(fā)生 的 55年 錢 塘 江 最 大 的 梅 雨 洪水 進(jìn) 行 測 試 ，測 試 結(jié) 果 表 明 ，模 型 預(yù) 報 的精 度 較 高 ，過 程 水 位 擬合 較好 ，水 位 和 堤 防之 間 的關(guān) 系和 實 際 發(fā)生 的情 況基 本接 近 ，三 維場 景 中洪水 的 運 動 過程 基 本 上 和實 際情 況 吻 合 ，總 體 淹 沒范 圍 和歷 史 實際情況相符度較高 ；在 2012年春汛 和梅 雨季節(jié)的兩 次超警洪水 中計算結(jié)果也具有較高的精度 。由此可見 ， 文 中所 采用 的模 型及 理 論方 法 ，以及 技 術(shù) 實現(xiàn) 手 段是 科 學(xué) 的 、可 靠 的 。系 統(tǒng) 的部 分 截 圖如 圖 4所示 。

　　4 結(jié) 論

　　本文綜合運用水文學(xué)模型、水力學(xué)模 型、Rs技術(shù) 、 GIS技術(shù) 及三維可視化技術(shù) ，以水 文學(xué) 、水力學(xué) 的預(yù)報 數(shù)據(jù)為基 礎(chǔ)，通過三維可視化技術(shù)生成三維流域場景 ， 根據(jù) 不 同時 刻水 位 的蔓 延情 況 、流 量情 況等 綜合 信 息 的 集成來演示洪水演進(jìn)行為在 時空層面的變化和水體形態(tài)的變化,表達(dá)洪水在不同時刻淹沒范圍,使用戶可以在虛擬的三維世界中對洪水演進(jìn)的現(xiàn)象和規(guī)律進(jìn)行模擬、觀察和分析,并且可以改變相關(guān)的參數(shù)來模擬不同人為干預(yù)條件下洪水演進(jìn)的效果,從而實現(xiàn)對洪水演進(jìn)過程的科學(xué)引導(dǎo)和控制。

　　作者王 浩 俞科慧

《基于洪水模擬和預(yù)報的三維仿真系統(tǒng)設(shè)計》

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