城區(qū)水庫潰壩洪水演進三維動態(tài)情景仿真研究

魏一行，任炳昱，吳斌平

(天津大學 水利工程仿真與安全國家重點實驗室，天津 300072)

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城區(qū)水庫潰壩洪水演進三維動態(tài)情景仿真研究

魏一行，任炳昱，吳斌平

(天津大學 水利工程仿真與安全國家重點實驗室，天津 300072)

水庫大壩一旦潰決會對下游建筑物密集城區(qū)的人民生命財產(chǎn)造成巨大損失，而潰壩洪水演進動態(tài)情景仿真為洪水災害應急管理和下游受威脅城區(qū)的人員與財產(chǎn)的安全轉移提供重要依據(jù)。目前對洪水演進可視化的研究注重于對不同時刻計算結果的靜態(tài)展示，并且對研究區(qū)域洪水演進范圍、水深、流速等關鍵水情信息計算時多采用一、二維洪水演進模型，缺乏洪水演進的三維動態(tài)情景仿真。針對此問題，文采用CSG法構建了大壩周邊的三維場景，基于GUI技術、粒子系統(tǒng)動力學解算等技術實現(xiàn)了潰壩洪水數(shù)值模擬和三維場景的耦合，經(jīng)過紋理變換貼圖等后期處理，實現(xiàn)了城區(qū)水庫潰壩洪水演進三維動態(tài)情景仿真。結合某城區(qū)潰壩洪水演進過程進行了數(shù)值模擬和情景仿真研究，形象、直觀地模擬了洪水演進特性，為制定防洪減災措施提供了直觀分析依據(jù)和重要理論依據(jù)。

計算流體力學；潰壩洪水演進三維動態(tài)情景仿真；CSG法；GUI技術；粒子系統(tǒng)動力學解算; 紋理變換貼圖

水庫大壩失事或毀壞時，大量的水體突然釋放，產(chǎn)生的洪水會對下游建筑物密集城區(qū)人民生命財產(chǎn)造成災難性的破壞，從而干擾當?shù)厣鐣?jīng)濟正常活動，造成區(qū)域性災難，并對大壩下游生態(tài)與環(huán)境造成不良影響。對潰壩洪水演進進行數(shù)值模擬和可視化研究能形象、全面反映潰壩洪水的動態(tài)演進，從而提前制定應急方案將損失降到最低。因此，對城區(qū)水庫潰壩非恒定流洪水在復雜地形區(qū)域的數(shù)值模擬和可視化研究具有非常重要的理論與現(xiàn)實意義。

近年來，對洪水演進的可視化研究取得了一定的進展。美國孟菲斯大學[1]基于GIS建立了城市模型對城區(qū)洪水演進進行了二維可視化研究。美國弗拉特黑德湖生物站的Geofferry等[2]結合航拍照片構建了洪泛平原三維地理模型，并將GIS、水文學和Rs相結合對洪水進行了模擬。法國斯特拉斯堡市的環(huán)境生物工程研究中心[3]將地理信息系統(tǒng)技術與水文模型相結合對洪水線性徑流模型數(shù)據(jù)進行了模擬。伊朗伊斯法罕大學[4]結合GIS與頻率分析技術用洪水風險紋理映射的方法對洪水進行了可視化模擬。張尚弘等[5]采用虛擬現(xiàn)實技術建立了城市防洪信息平臺,實現(xiàn)了不同時刻洪水淹沒范圍查詢等功能。潘立武等[6]將二維淺水方程與3D-GIS洪水演進可視化結合對洪水演進進行了研究。吳迪軍[7]將GIS技術與庫朗格式的特征線方法結合對洪水演進可視化進行了研究。張弛等[8]分別使用SPH方法和MPS方法模擬二維潰壩問題并進行了對比分析。王曉航等[9]采用GIS方法研制了二維潰壩洪水演進數(shù)值模擬及可視化系統(tǒng)。李云等[10]基于VrMap2.0SDK平臺開發(fā)了蓄洪區(qū)決策支持系統(tǒng)，能靜態(tài)展示一、二維洪水嵌套數(shù)學模型計算結果。李超等[11]建立了潰堤三維洪水演進情景仿真系統(tǒng)，實現(xiàn)了交互式三維場景漫游等功能。

從國內(nèi)外所開展的一系列研究和應用來看，目前對洪水演進可視化的研究注重于對潰壩洪水的靜態(tài)展示，并且對研究區(qū)域洪水演進范圍、水深、流速等關鍵水情信息計算時多采用一、二維洪水演進模型，未能實現(xiàn)對洪水演進運動過程的三維動態(tài)情景仿真，因此，無法形象、全面、逼真地可視化分析洪水演進情景，進而為洪水災害應急管理提供決策依據(jù)。

本文采用耦合VOF 法的潰壩三維k-ε雙方程模型對洪水演進進行數(shù)值模擬，同時使用CSG法建立大壩周邊場景模型，結合GUI技術、粒子系統(tǒng)動力學解算、紋理變換貼圖等技術進行洪水演進三維動態(tài)情景仿真研究，直觀、形象地表現(xiàn)了潰壩洪水動態(tài)演進的過程，從而為洪水災害預防和防汛搶險提供理論與決策支持。潰壩洪水演進三維動態(tài)情景仿真研究總體框架如圖1所示。

圖1 潰壩洪水演進三維動態(tài)情景仿真總體框架

1 數(shù)值模擬

1.1 研究區(qū)域地形建模

由于潰壩研究區(qū)域地形地貌復雜，如何在建立真實的三維地形模型，使得數(shù)值模擬計算結果真實可靠是實現(xiàn)洪水演進三維動態(tài)情景仿真的難點。三維地形模型的建立需要收集大量的地形資料，包括衛(wèi)星遙感資料、勘探測量資料和圖片影像資料等。將所有資料進行匯總分析處理，得到真實可靠的地形數(shù)據(jù)，并將此地形數(shù)據(jù)進行數(shù)字化處理。本文針對潰壩研究區(qū)域周邊地形的復雜變化，采用基于生長法的Delaunay三角網(wǎng)生成算法形成不規(guī)則三角格網(wǎng)(TIN)地形模型，同時引入NURBS[12](non-uniform rational b-splines,非均勻有理B樣條曲線,是一種非常優(yōu)秀的建模方式)技術根據(jù)實際地形特征加以改進[13]。三維地形模型建立的流程如圖2所示。將獲得的三維地形模型用于數(shù)值模擬研究，能得到洪水演進在不同時刻的淹沒范圍、水深、流速等關鍵水情要素。

圖2 三維地形模型建立的流程

1.2 數(shù)值模擬計算模型

潰壩洪水演進是一種不連續(xù)洪水波問題，由于城區(qū)洪水演進受街道、樓房的影響，洪水水流會呈現(xiàn)復雜的三維特征，如水躍、水波渦旋等，致使一、二維簡化數(shù)值模型存在較大計算誤差[14]。一、二維潰壩洪水演進數(shù)值模擬在解決上述問題時存在局限[15]。一維模型無法模擬得到水流的橫向擴散現(xiàn)象，而潰壩水流除以縱向水流為主外，橫向擴散往往也很顯著；一、二維模型的忽略非恒定流的摩阻損失與恒定流的摩阻損失的差別，垂線壓力呈靜水壓力分布或垂直加速度為小量，忽略斷面流速分布對波的傳播的影響，使其在處理地形復雜的水流問題方面受到限制。本文采用耦合 VOF(volume of fluid)法的三維k-ε雙方程模型對潰壩洪水演進進行模擬，即通過求解一個流體體積函數(shù)的對流輸運方程來捕捉運動的自由水面，可以較為精確地描述潰壩洪水中的水面變化。該方法克服了靜壓假定和剛蓋假定對變化劇烈的自由水面的限制和導致的壓力場失真，適用于求解具有復雜邊界形態(tài)和流動特征的城區(qū)水庫潰壩洪水演進問題。王曉玲等[16]、Sun等[17]、Zhou等[18]針對潰壩洪水演進三維數(shù)值模擬開展了研究，并已成功將該模型應用在潰壩洪水演進模擬中。基本控制方程如下：

連續(xù)性方程：

(1)

動量方程：

(2)

k方程：

(3)

ε方程：

(4)

式中：t為時間(s)；ui，uj為速度分量(m/s)；xi，xj為坐標分量(m)；μ為分子動力黏性系數(shù)(N·m·s-1)；ρ為密度(kg/m3)；μt為紊流粘黏性系數(shù)；P為修正壓力(Pa)；k為紊動動能(m2/s2)；G為紊動能生成率；ε為紊動耗散率(m2/s2)；σk，σε分別為k，ε的紊流普朗特數(shù)，無因次；C1ε、C2ε為經(jīng)驗常數(shù)，無因次。控制方程中的常數(shù)值為σk=1.0，σε=1.3，C1ε=1.44，C2ε=1.92。計算邊界條件包括：進口邊界條件，出口邊界條件，固壁邊界條件，壓力邊界條件，下墊面邊界條件。

2 洪水演進三維動態(tài)情景仿真方法與技術

我國洪澇災害頻繁發(fā)生，將計算機和信息技術應用于洪水演進研究已有多年。傳統(tǒng)洪水演進可視化研究往往將地形地貌高度概化，無法反映城區(qū)內(nèi)大量建筑物、橋梁、道路、機動車等被洪水淹沒的淹沒狀況，已無法滿足當前需求。情景仿真是涉及科學與工程計算、計算機圖形學、圖形處理、人機界面等多個領域的一種建模與實驗分析方法[19]，通過情景模型、情景仿真等方法形象、直觀地展現(xiàn)情景發(fā)生的全過程，方便了人們對所研究情景的觀察、掌握和分析。

本文對潰壩研究區(qū)域周邊場景進行了洪水演進三維動態(tài)情景仿真研究。首先結合工程信息數(shù)據(jù)庫中地理位置和地形高程信息，使用GIS技術針對相關區(qū)域高程點的實際勘測情況，以及利用其區(qū)域遙感影像得到的地形等高線構建三維DEM模型用于數(shù)值模擬計算。然后根據(jù)數(shù)值模擬計算結果，結合重要建筑物、重要設施、人口密集地區(qū)的分布確定了重點研究場景，通過對重點研究場景進行三維動態(tài)情景仿真研究，全面、高效、動態(tài)地反映了研究區(qū)域內(nèi)的洪水演進情況。依照實際情況采用CSG法構建了研究區(qū)域周邊三維場景模型，結合GUI技術、紋理變換貼圖技術、粒子系統(tǒng)動力學解算對各場景洪水演進進行三維動態(tài)情景仿真，真實展現(xiàn)了洪水在研究場景內(nèi)的運動狀態(tài)。

2.1 洪水演進三維場景建模技術

三維場景建模技術是三維可視化仿真技術的重要組成部分。近年來，隨著計算機圖形學的不斷發(fā)展，三維場景建模技術在各工程領域得到了逐步的研究與應用。

本文結合工程信息數(shù)據(jù)庫信息針對建筑物密集城區(qū)多個重點研究場景構建了模型，并在各場景中對洪水演進進行了三維動態(tài)情景仿真研究。針對場景內(nèi)建筑物多、地形地貌復雜等特點，利用空間遙控遙測技術得到的研究區(qū)域地形地貌、資源環(huán)境、建筑群分布情況等各方面的海量數(shù)據(jù)和信息，通過數(shù)據(jù)分析、整合、簡化處理以數(shù)字化形式進行獲取和存儲，將其轉化為CAD格式后，采用CSG法[20](constructive solid geometry)建立建筑物、樹木、機動車等三維模型。

CSG法是一種自下而上構建物體的方法，建模步驟如下：① 抽取模型形態(tài)并形體分解，分析得出三維模型的CSG體素;② 對CSG體素進行空間布爾運算構建模型部件三維模型，將這些CSG體素組合后即可形成一定形狀的局部模型(如圖3所示);③ 對局部模型空間布爾運算構即可獲得整體三維模型，實現(xiàn)三維建模。

圖3 CSG法分解搭建過程

采用CSG法對場景中的建筑物進行建模，首先將場景中建筑物等模型的信息轉化為CAD格式，然后將其導入三維建模軟件中，分析得出模型各部件的CSG體素并構建相對應的三維模型，最后通過放樣、空間布爾運算等方法生成構成模型的局部形體，并將局部形體組合得到最終模型。以航站樓和汽車為例建出的模型實例如圖4所示。

圖4 模型實例

將構建的建筑物、樹木、機動車等三維模型根據(jù)工程信息數(shù)據(jù)庫信息導入到場景模型中，得到某航站樓場景模型，如圖5所示。

圖5 某航站樓場景模型

2.2 洪水演進動力學解算過程

對水流進行三維動態(tài)仿真是洪水演進動態(tài)情景仿真的重點。水流模擬一直以來也是計算機仿真的難點。目前廣泛應用的效果處理軟件普遍存在模擬動水效果工作量大，需要消耗大量的時間，或者模擬效果難以達到要求等問題。根據(jù)潰壩洪水演進三維仿真的具體特點，本文采用粒子系統(tǒng)動力學解算[21]來快速真實地實現(xiàn)動水模擬效果。粒子系統(tǒng)發(fā)射器能根據(jù)數(shù)值模擬計算結果對場景內(nèi)洪水流速、水深進行設置，風力、表面張力等十幾種輔助器能完美再現(xiàn)真實物理世界中的力場，使模擬的效果非常真實,粒子系統(tǒng)對流體模擬的實現(xiàn)過程如下：

Begin()

{ object = scene.getObject()

emitter = scene.getEmitter()

particle = emitter.getFirstParticle()

while ():

for( k=1; k

{ particle.getVelocity()

particle.getMass()

particle.getPressure()

particle.getPosition()

my_first_vector = Vector.(x,y,z)

{Vector._x= Vector.getX()

Vector._y= Vector.getY()

Vector._z= Vector.getZ()

}

new_pos_g =

Position.new(pos_x,new_pos_y,new_pos_z)

particle.setPosition(new_pos_g)

particle = particle.getNextParticle()

}

}

圖形用戶界面[22](graphical user interface，簡稱GUI，又稱圖形用戶接口)是指采用圖形方式顯示的計算機操作用戶界面。圖形用戶界面是計算機圖形學的技術的應用，將復雜的編譯命令通過窗口、菜單、對話框等形式表現(xiàn)出來，使得用戶對圖形對象進行操作即可實現(xiàn)編譯代碼的效果。通過GUI技術,用戶可以不再需要死記硬背大量的命令，而可以通過窗口、菜單等方便地進行操作，從而實現(xiàn)與計算機的交互。在本研究中，通過GUI可以方便快捷地對發(fā)射器，輔助器和約束器進行設置，從而將數(shù)值模擬計算結果(水深，流速)作為初始條件以及場景內(nèi)重力、風速等作為約束條件進行粒子系統(tǒng)動力學解算。經(jīng)過粒子系統(tǒng)動力學解算后的場景內(nèi)洪水演進過程模擬如圖6所示。

圖6 場景內(nèi)洪水演進過程

2.3 后期處理

經(jīng)過粒子系統(tǒng)動力學解算后的洪水采用粒子模擬水體，與真實洪水相比有一定差距，而且由于視角單一，難以全面動態(tài)反映整個場景內(nèi)洪水演進過程。本文采用紋理變換貼圖技術對模擬后根據(jù)粒子分布生成的水面網(wǎng)格進行處理，同時采用計算機動畫技術對場景動態(tài)展示，全面、逼真地展示了場景內(nèi)洪水動態(tài)演進過程。

紋理變換貼圖是指通過對水面網(wǎng)格的紋理進行移動、變換等動態(tài)處理，使水流表面“流動”起來，從而使水體仿真更加逼真，其實現(xiàn)步驟如下：將水面網(wǎng)格劃分為多個模塊，對模塊進行紋理變換貼圖使得每個模塊的水面貼圖相同且相鄰模塊貼圖能夠銜接起來，使不同模塊的紋理貼圖同步移動，則紋理變換貼圖的位置依次在相鄰面之間進行變化，通過各個水面網(wǎng)格模塊的循環(huán)顯示實現(xiàn)流動的效果，如圖7所示[23]。

圖7 紋理變換貼圖示意

計算機動畫[24]是指依據(jù)計算機圖形學原理用程序或工具生成一系列的靜態(tài)畫面，然后通過畫面的連續(xù)播放來反映對象的連續(xù)變化過程，通過視點的移動、光照的變換、紋理和色彩的變化等方法能夠全方位動態(tài)展現(xiàn)洪水演進情景。本文采用關鍵幀插值等技術，同時借助3dsmax軟件[25]的三維圖像處理功能，在動畫實現(xiàn)的過程中，控制空間物體的坐標點變化和關鍵幀通過動態(tài)視角對場景進行觀察，從而全面展現(xiàn)場景內(nèi)洪水演進過程。

綜上所述,經(jīng)過后期處理的某航站樓場景內(nèi)洪水演進情景仿真效果如圖8所示。

圖8 洪水演進情景仿真效果

3 工程應用

某水庫位于我國東南某建筑物密集城市，是當?shù)刂匾{蓄水庫之一，以水庫遭遇2000年一遇洪水(P=0.05%一遇洪水)時的最不利工況，即發(fā)生漫壩瞬間全潰為研究對象[26-27]。結合工程信息數(shù)據(jù)庫信息，構建研究區(qū)域地形模型(如圖9)，采用耦合 VOF 法的潰壩三維k-ε雙方程模型進行數(shù)值模擬，水庫下游洪水演進數(shù)值模擬結果水深圖如圖10所示。

圖9 研究區(qū)域地形模型

圖10 各時段的洪水淹沒水深(m)

數(shù)值模擬結果水深圖反映了潰壩發(fā)生后不同時刻洪水對研究區(qū)域的淹沒情況，從而可以從宏觀角度觀察洪水整體的運動狀態(tài)。通過對整體研究區(qū)域水深圖的研究可以確定需要重點防范的位置、場景，從而有針對性地制定防洪應急避難案計劃，進而為洪水災害應急管理提供決策依據(jù)。

根據(jù)數(shù)值模擬計算結果，結合重要建筑物、重要設施、人口密集地區(qū)的分布等因素，將圖10中場景M、場景A、場景B、場景C、場景D確定為重點研究場景。從工程信息數(shù)據(jù)庫中得到重點研究場景信息，結合空間遙控遙測技術得到的研究區(qū)域地形地貌、建筑物分布等信息，采用CSG法構造出各場景模型，應用GUI技術將洪水演進數(shù)值模擬計算得到的水情信息(水深、流速等)應用于各場景粒子動力學解算，在經(jīng)過后期處理后，實現(xiàn)了各場景的洪水演進三維動態(tài)情景仿真。場景M的洪水演進三維動態(tài)情景仿真過程如圖11所示,其中：t=1 h時洪水尚未到達場景M；t=2 h時洪水到達場景M，場景內(nèi)建筑物、機動車開始被淹沒，此時水深0.34 m；t=3 h時洪水已將場景M完全淹沒，且水深、流速均大于t=2 h時的情況，此時水深1.6 m；t=5 h時場景M水深進一步增加，已將機動車、崗亭等場景模型完全淹沒，同時從水面流態(tài)來看，此時洪水流速相較于t=3 h已有所放緩，此時水深3.7 m。

圖11 場景M洪水演進三維動態(tài)情景仿真過程

分別構建場景A、場景B、場景C、場景D模型并對其進行洪水演進三維動態(tài)情景仿真，結合數(shù)值模擬計算結果的整體研究區(qū)域淹沒情況，得到整體區(qū)域及各場景的三維動態(tài)淹沒過程，其中t=5 h時整體區(qū)域及各場景淹沒情況如圖12所示。

圖12 t=5 h時整體區(qū)域及各場景淹沒情況

4 結束語

為了調蓄洪水和保障人民飲用水安全，我國修建了大量水庫，水庫大壩一旦潰決，產(chǎn)生的大量水體以及洪水波會對下游建筑物密集城區(qū)人民生命財產(chǎn)安全造成巨大危害，而潰壩洪水演進動態(tài)情景仿真為洪水災害應急管理和下游受威脅城區(qū)的人員與財產(chǎn)轉移提供重要依據(jù)。目前對洪水演進可視化的研究注重于對不同時刻計算結果的靜態(tài)展示，并且對研究區(qū)域洪水演進范圍、水深、流速等關鍵水情信息計算時多采用一、二維洪水演進模型，未能實現(xiàn)對洪水演進運動過程的三維動態(tài)情景仿真。針對此問題，本文應用CSG法建立了大壩周邊的三維場景，基于GUI技術、粒子系統(tǒng)動力學解算等技術實現(xiàn)了潰壩洪水數(shù)值模擬和三維場景的耦合，經(jīng)過紋理變換貼圖等后期處理實現(xiàn)了建筑物密集城區(qū)潰壩洪水演進三維動態(tài)情景仿真。結合某潰壩洪水演進過程進行了數(shù)值模擬和情景仿真研究成果，形象、直觀的模擬了洪水演進特性，為制定防洪減災措施提供了直觀分析依據(jù)和重要理論依據(jù)。

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(責任編輯 劉 舸)

Three-Dimensional Dynamic Scene Simulation of Dam-Break Flood Routing in Urban Areas

WEI Yi-xing，REN Bing-yu，WU Bin-ping

(State Key Laboratory of Hydraulic Engineering Simulation and Safety，Tianjin University，Tianjin 300072，China)

Dam-break flood routing causes significant damage to people’s life and property in urban areas, while dam-break flood routing scene simulation is important for emergency management of flood. The visualization of dam-break flood at present usually focuses on showing the simulation results at different moment and most study uses 1D or 2D flood routing model, so it’s short of flood routing dynamic scene simulation. To solve the problem, this article takes CSG method to build the 3D scene around the dam, and the numerical simulation is coupled with the three-dimensional scene by GUI and particle system dynamics calculating. By post processing like texture transformation, 3D dynamic scene simulation of dam-break flood routing in urban areas was realized. Finally, a scene simulation of a dam-break flood routing was performed to show the flood routing visually, it provided important reference for making disaster mitigation measures efficiently.

computational fluid dynamics；3D dynamic dam-break flood routing scene simulation；CSG method; GUI; particle system dynamics calculating; texturetransformation

2016-04-18 基金項目：國家自然科學基金創(chuàng)新研究群體科學基金資助項目(51321065)

魏一行(1992—)，男，河南人，碩士研究生，主要從事水利工程仿真與安全研究， E-mail: weiyixing1992@foxmail.com。

魏一行，任炳昱，吳斌平.城區(qū)水庫潰壩洪水演進三維動態(tài)情景仿真研究[J].重慶理工大學學報(自然科學)，2016(11):141-149.

format：WEI Yi-xing，REN Bing-yu，WU Bin-ping.Three-Dimensional Dynamic Scene Simulation of Dam-Break Flood Routing in Urban Areas[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2016(11):141-149.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2016.11.023

TV139.2+31

A

1674-8425(2016)11-0141-09