洪水数值模拟的三维动态可视化方法

针对洪水淹没的灾害评估与应急决策管理等问题,本文结合GIS技术与Mike21软件,设计了基于Mike21计算数据的GIS洪水淹没三维动态可视化方法。基于GIS构建研究区段数字地形,建立Mike21二维洪水数学模型,确定糙率与边界条件;模拟典型工况下的来洪情况,计算洪水淹没范围、历时、水深、水位和流速等要素;通过可视化数据的提取与建筑物实体参数化建模,对研究区域三维场景融合,并采用空间数据库与属性数据库相互调用机制,实现淹没过程的动态模拟与实时信息查询。以依兰航电枢纽区段为例,设计开发了依兰航电枢纽区段洪水淹没三维动态可视化系统,能够较好地将Mike21数值模拟结果与GIS的数字地形模型进行耦合,实现洪水淹没三维可视化,为研究区段防洪决策提供数据参考。     

基于TVD隐格式的二维水动力学模型在蓄滞洪区洪水淹没模拟中的应用研究

蓄滞洪区淹没涉及大量的人员和财产损失。为更科学、有效地利用蓄滞洪区,降低灾害损失,需要模拟计算不同进洪方式下的淹没情况,为此建立了基于TVD隐格式的黄墩湖蓄滞洪区二维水动力学模型,完成了4种组合进洪方式下的洪水演进模拟。结果表明,该方法可有效计算蓄滞洪区洪水演进过程,进而分析淹没水深、淹没区域以及骆马湖水位的变化过程。将洪水淹没模拟结果辅以蓄滞洪区的人口、经济分布,可有效计算不同进洪方式下的人民经济财产损失,进而为制定科学合理的进洪方式和应急预案提供可靠的数据支持。     

溃坝洪水的数学模型应用

根据溃坝洪水传播和运动的特点,采用守恒性较好和能够捕捉间断波的有限体积法,建立了一个包括上游库区洪水演进、溃坝过程和下游淹没影响区洪水演进的溃坝洪水数学模型,并采用经验公式和实验结果分别对溃口流量和二维溃坝洪水传播进行了验证.利用所建立的数学模型对某水库溃坝洪水演进和传播过程进行了模拟计算,溃口流量变化过程、坝上水位变化、溃坝洪水淹没过程和水量守恒等结果分析,表明所建立的溃坝洪水数学模型能较好地模拟洪水从库尾向坝址的传播以及溃坝洪水在下游淹没影响区的演进过程,并且模型计算结果完全能满足水量守恒,可以用于实际工程计算.     

基于HEC-RAS模型的城集镇洪灾淹没分析研究

中小河流洪水灾害量多面广、治理难度大,是我国防洪减灾的薄弱环节。目前,山洪数值模拟研究较少关注二维模拟与漂浮物堵塞桥涵现象,难以准确模拟城集镇洪灾淹没过程。从山洪精细化模拟角度出发,建立了考虑桥梁堵塞情况的HEC-RAS二维非恒定流模拟模型,并以湖北省随县柳林镇2021年8月12日极端洪水事件为例进行模型验证与情景分析。研究结果表明,所建立的模型能够合理准确地模拟洪水淹没过程,与实测洪痕数据相比,模型平均误差为-0.16 m;桥梁堵塞造成研究区水位平均壅高6.5%(约0.11 m)。在百年一遇设计洪水情景下,居民区最大淹没水深为1.97 m,考虑桥梁堵塞会使最大淹没水深进一步壅高0.30 m、淹没面积进一步增大737.9 m²。研究结果对城集镇洪灾淹没精细模拟及山区洪水预警、方案预制具有重要参考价值。     

沁河高庄段洪水漫堤二维模拟

根据洪水传播和运动的特性,建立了适合沁河高庄段实际情况的二维数学模型.模型为非结构网格,采用单元中心的有限体积法求解控制水流运动的二维方程.应用此数学模拟方法模拟沁河高庄段洪水漫堤过程.确定了河道糙率,洪泛区选取不同糙率,用此二维模型对高庄河段100年一遇洪水进行模拟计算,得到洪水淹没范围及淹没水深和水流流速.高庄河段100年一遇洪水情况下的淹没深度、淹没面积和观测点淹没过程,可为风险分析和灾害损失评估提供参考依据.     

2维水动力模型中入流边界优化处理方法

在极端暴雨事件频率和强度不断加剧的趋势下,防洪安全面临着极其严峻的考验,研究河道洪水演进、漫溢及淹没过程,有效评估洪水灾害风险就显得尤为重要。为精确模拟河道洪水演进过程,本文采用基于非结构网格有限体积法建立的二维水动力模型,构建了一种基于虚拟单元法的入流边界改进方法。该方法采用基于地形网格数据的纵断面提取法以近似确定深泓线的位置,从而计算出河道平均纵比降;在入流边界各网格上以均匀流的方式入流,计算出不同流量下的对应水位;依据各网格上的水深和入流边长计算权重以合理地分配流量,再结合单宽流量边界条件确定边界外侧虚拟单元上的水力要素,最后耦合至模型通量部分进行计算,实现入流模块的优化。将该方法应用于Toce河物理模型试验的模拟,在入流边界附近计算出的水位、流速和流态都更为合理;河道中各测点水位与试验数据吻合度较高,洪水到达测点时间及各点间洪水运动传播时间与测量值较为接近,纳什效率系数在0.82~0.95之间,验证了该方法的可行性和模型的准确性;并且在单机上用时86s完成计算,效率较高,表明模型能高效准确的模拟洪水演进过程。通过对入流模块的改进优化,模型可以更好地应用于洪水演进过程的模拟预警及灾情评估工作,为洪水灾害管理决策提供技术支撑。     

台风暴雨影响区域的溃坝洪水演进数值计算

针对东南沿海受台风暴雨影响流域中下游地势较低洼开阔,在台风暴雨过程中容易积水,存在大面积初始水深,出现较严重内涝的特点,建立考虑下游区域初始内涝水深的二维溃坝洪水演进数值模型.基于数字高程模型(DEM)的地形数据和矩形网格,采用有限体积法和逼近黎曼格式及逆风守恒格式求解方程,并以戌浦江流域为典型,重点分析该流域存在内涝时上游水库发生溃坝的洪水演进特点.结果表明,溃坝洪水受下游初始淹没水深的顶托,下游区域的淹没水深并不是初始淹没水深和不考虑初始淹没水深溃坝计算所得水深的简单叠加,越往下游初始淹没水深对计算结果的影响越大;如果在计算中不考虑初始淹没水深,将会明显错误地估计洪水所带来的灾害风险.     

基于ArcGIS的东平湖洪水淹没场景三维可视化

对实现洪水淹没场景模拟的三维可视化方法进行研究,以东平湖的洪水淹没演进为例,以Arc-GIS9．0为开发平台,利用ArcGIS的3D扩展模块,在ArcScene中由地形图构建东平湖的数字高程模型（DEM）,使用ArcScene实现了各个时刻东平湖的洪水淹没演进过程和周边场景的动态模拟．该方法所有操作都在ArcGIS中进行,自动化程度高,方便,快捷;同时在研究洪水淹没分析方面,具有一定的借鉴意义．     

基于MIKE 11模型的某海岛地区洪水演进模拟

随着极端天气的频繁发生,国内出现小流域洪涝灾害的频率越来越高.为有效减小地区发生洪涝灾害的概率,可对研究地区所在流域进行洪水演进模拟.以海岛城市朱家尖所在流域为研究对象,运用M IKE 11软件搭建一维河网模型,比较分析现状河网条件下,采用不同闸门调度规则的洪水演进过程以及相同调度规则下现状和调整后河网的洪水演进过程....     

大庆市多决口洪水的二维动态模拟

在大庆市洪水模拟中引入坐标变换、交替方向、交错网格、线性递推、隐格式的二维非恒定流模型，可完全适应不规则的河流边界，实现水流的快速预报；同时，将GIS、RS和洪水模拟模型有机地结合起来，实现实时动态地率定模型参数、显示洪水演进过程与查询信息。     

基于虚拟现实技术的城市洪水演进三维可视化模拟研究

以洪水水文数学模型为核心,构建了城市洪水演进和淹没三维模拟系统,并对系统构建过程中的关键技术进行了深入研究．研究表明,将三维可视化技术与水力学模型相结合,极大地提高了模型计算结果的处理速度,对于城市防洪决策及水利工程意义重大．并以安徽省马鞍山市为应用实例,实现了城市三维地形仿真场景模拟及洪水演进分析和三维模拟．     

基于DEM的桂林海洋岩溶区洪水淹没预测模型

洪水淹没面积的定量估测是洪水淹没预测模型确立的关键。以桂林海洋岩溶区为研究区,采用基于 ＤＥＭ数据的无源淹没分析法,借助于 ＭａｐＧＩＳ平台计算洪水淹没面积和其对应的覆盖率,通过统计不同水位与其对应淹没面积的数据,构建出研究区淹没面积随水位变化的洪水淹没预测模型。利用总水量体积相等的原理,根据当地气象站观测的降水量数据,运用体积法计算洪水淹没区面积,以验证洪水淹没预测模型,提高预测模型的可靠性,并将淹没范围与研究区遥感影像融合后直观地展现出淹没的实际范围,增强了模型预测的动态可视性。     

二维浅水波模型在洪水淹没过程中的模拟研究

为了加强流域防洪风险管理、提高抗洪抢险能力,减少城市因溃堤洪水而造成的人员和财产损失,提出了基于二维浅水波方程的洪水模型。通过在日本富士川流域内甲府盆地的应用,建立起了二维溃堤洪水在都市区淹没过程的计算机模拟模型,结果表明：该模拟模型具有较高的模拟精度和运行可靠性。模型不仅可用于大流域的防洪风险管理,还可以用于研究都市的实时抗洪抢险和人员安全转移方案等研究。     

溃坝及洪水演进数值模拟研究

溃坝洪水计算包括溃坝模拟及洪水演进模拟两部分。为避免复杂公式推导及求解,对溃坝模拟,采用简化模型,对二维洪水演进模拟,采用有限体积法进行求解,引入通度系数模拟计算区内部的阻水建筑物。采用GIS技术实现了洪水演进动态演示功能。     

基于水文水动力耦合模型的深圳市典型区域城市内涝模拟

以深圳市某典型区域为研究对象,基于暴雨洪水管理模型(storm water management model, SWMM)和二维水动力模型LISFLOOD-FP构建了研究区水文水动力耦合模型,模拟了典型暴雨下研究区的内涝时空演进过程,结合设计暴雨和设计低影响开发(low impact development, LID)情景,探讨了不同重现期设计暴雨情景下研究区内涝积水分布,分析了不同LID布设措施对内涝积水深度的削减效果。结果表明：典型暴雨情况下研究区最大模拟积水深度为0.57 m,与实测内涝验证数据基本相符,模型能较好地适应研究区的内涝模拟。随着设计降雨重现期的增大,研究区的最大内涝积水深度和积水范围也逐渐增大,不同LID设施对内涝积水的削减效果都逐渐减弱,在100 a重现期时仅有约10%的削减率,且组合式LID和绿色屋顶的内涝积水深度削减率大于透水道路和下沉式绿地。     

HEC-RAS模型在惠济河开封段河道治理中的应用

以淮河流域的惠济河开封段为例,采用HEC-RAS模型分别模拟了5年一遇和20年一遇设计频率洪水下的演进过程,并可视化显示出水面线、流速、溃堤位置等信息。结果表明:该模型在分析计算平原地区河流水面线时有较好的适用性,为疏浚河道、防洪除涝、综合治理等项目提供参数。     

黄河下游水沙演进与洪水风险评估耦合模型

黄河泥沙主要来源于中游,而水沙灾害在下游最为严重,导致黄河下游河道治理与滩区发展矛盾十分突出。为此,构建了黄河下游水沙演进与洪水风险评估的耦合模型,包括长河段水沙演进的一维模型与局部河段二维水沙演进及洪水风险评估模型。对一维模型,嵌入改进后的动床阻力与水流挟沙力计算公式;对二维模型,采用无结构三角网格,能精确反映主槽及滩区的不规则边界,同时采用有限体积法求解水沙耦合控制方程,并嵌入滩区洪水风险评估模块。采用2017年低含沙洪水过程与2004年高含沙洪水过程分别对不同模块进行了验证。最后采用该耦合模型计算了1958型极端洪水过程中长河段及重点河段的水沙输移过程,并开展了不同治理模式下的滩区洪水风险评估。计算结果表明：1)在当前黄河下游河床边界条件下,洪峰沿程衰减较快。其中夹河滩至高村河段几乎全部漫滩,漫滩历时较长,平均为140 h,漫溢系数平均为1.5,是下游漫滩最严重的河段;2)在现状边界条件下,群众及农作物等受淹对象处于高风险区(风险等级大于0.85)的面积均最大。在防护堤模式下,群众处于高风险区的面积很小,占比仅为23%,但农作物处于高风险的面积较大。在三滩分治模式下,房屋及农作物...     

荆江-洞庭湖洪水演进模型

长江中游是由水库、湖泊、蓄滞洪区组成的复杂防洪工程体系,针对荆江-洞庭湖复杂河网系统规模庞大、水流复杂的特点,建立了一、二维联算洪水演进模型,其中河道与湖区采用一维河网模型,分蓄洪区水流采用二维模型模拟.模型提出了实时预报模式、河网断流计算模式、河道与分蓄洪区水量交换模式.将模型用于荆江特大洪水调度,较好地反映了洪水在荆江-洞庭湖河网区的演进过程,模型可用于实际防洪调度方案评估.     

尾砂库溃坝洪水演进过程模拟

为全面评价尾砂库溃坝风险,主动应对可能出现的溃坝事故灾难,以黄荆坝尾砂库为例,建立溃坝洪水演进数学模型,经过模拟分析,得出了溃口流量过程和重要区域淹没情况.结果表明,溃坝初期溃口流量不断增加,随着库水位不断降低,溃口流量随后逐渐减小;黄荆坝上游来水越大,尾矿库发生溃决的的时间越短,淹没范围和淹没水深越大.     

溃坝洪水的一维、二维耦合模拟

为了给防汛指挥机关进行有计划撤离提供科学依据,探讨了溃坝洪水演进规律.针对山区水库地形的复杂性,建立一种溃坝洪水模拟的一维、二维耦合模型,采用交错网格、线性递推、交替隐格式求解.运用此模型对某水库溃坝洪水进行模拟,对溃坝洪水向下游推进过程、以及洪水漫堤后向下游城镇的演进过程进行水动力学模拟,得出水位和流速的沿程分布,实现水流的快速预报.此模型对山区水库的溃坝洪水模拟具有很强的实用性.