基于洪水模拟和预报的三维仿真系统设计

　　摘 要 ：基 于 河 道 洪 水模 拟 与 预报 的 三 维仿 真 是 了解 当前 和 未 来洪 水 运动 过 程 和 洪 水 风 险程 度 的 重要 手 段 ，采 用 TOPKAP1分 布式 水 文模 型和 水 力 学 河道 洪水 演进 方 法预报 沿程 各 断 面 水位 过 程 ，综合 运 用 KS、GIS技 术 建 立 三 维地 形 图 ，以 Unity3D为 平 台搭 建 三 维 场景 模 型 ，运 用广 度 搜 索 算 法搜 索不 同 水位 下 的 河道 边 界 、三 维种 子 填 充 算法 对 洪 水淹 没 区域 进 行 填 充 ，综合 模 拟 洪 水运 动 过程 ，通 过在 浙 江 省钱 塘 江 流域 上 的 应 用 ，验 证 了 系统 的可 靠性 和 科 学性 。

　　关 键词 ：分 布 式 水文模 型 ；河道 洪水 演进 ；三 维仿 真 ；钱 塘 江流 域

　　有 效 的 防汛 决 策 调度 ，首先 依 赖 于洪 水 预 报 的准 确 性 和 及 时性 。国 内传统 的 洪水 预 报主 要 体 现在 单 点预 报 的洪 峰 出现 时 间 和数值 ，更具 体 的有 图表 格 式的 过程 输 出，但是与流域地形 、堤岸 以及水利工程 的关系并不能 直 观地 反 映 出来 ，这 对 决 策者 的 空 间分 析 能力 提 出 了很 高 的要 求 。近 年 来 ，水 文对 于 防汛 决 策 的 支 持主 要 体 现 在 两 个 方 面 ：一 是 水 文 预 报 技 术 ，逐 步从 经 验 或者 概 念 性 水 文模 型的 单点预 报过 程 输 出向全 分布 式物理 模 型和 水 力 学 河道 洪 水演 进 的 全河 网 密集 型 输 出发 展 ；二 是表 现 形 式 ，随 着计 算 机 技术 、3G技术 和 三维 可视 化 技术 的 迅 速 发展 ，防汛 决 策支 持 体 系逐 渐 向基 于 3G技 术 、三 维 可 视化 技术 的空 间多 层次 、立体 模 式发展 ，实现 数字 流域 和 水 利 空间 信息 展 示 从二 维 到三 维 的 转变 。两 方 面 技术 的发展 ，使基于全分布式水文预报模型和水力学河道洪 水 演 进方 法 的三 维 防 汛决 策 支持 系 统 的研 制 成 为可 能 。 目前 ，以河道 洪 水演 进 为 基础 的 三维 仿 真 技术 大 都 是基 于 上 边界 采 用 实 测人 流进 行 的 河道 洪 水演 算 ，如 此 形成 的系统往往局 限于洪水的情景再现 ，如果在此基础上，耦 合 流 域水 文 模 型 ，使河 道 洪水 演 进三 维 仿 真 系统 具有 一 定预 见 期 ，可 以更 好地 为 防汛决 策调度 提供 支持 。

　　1洪水演进 三维仿真 系统的设计

　　1．1设计目标和思路

　　洪水演进三维仿真系统的设计 目标 ，是要耦合水文 专 业 技 术 、计 算 机 网 络 技 术 、3维 建 模 技 术 、3S(GIS， GPS，RS)技 术 、空 间 数 据 库 技 术 等 多 种 技 术 ，实 现实 时 雨 水 情 、气 象 预 报 、洪水 预 报等 信 息 的多 维展 示 ，使 洪水 预报和演进具有真实的可视化效果 ，使流域洪水预报对 防汛 防 台风 的支持从 图表 到 图像 、从 静态 到动态 ，推 动 防 汛指 挥体 系 的 自动 化及 信 息 化进 程 。因此需 要 展 现 的信 息包括 ：(1)洪水在时间、空间上的变化过程；(2)洪水的 时空变化和堤防、水利工程的关系 ；(3)洪水漫堤造成 的 影 响 范 围 ；(4)水 利 工 程 的调 度 对 于 洪 水 时 空变 化 的 影 响 ；(5)气象 预报 成 果 对 洪 水 时空 变 化 及 可 能 产生 影 响 的形 势分 析和 展现 。围绕这 些 内容 的实现 ，首先 应基 于水 文水力学模型的计算成果，其次需要综合采用数字流域 、 三 维 可视 化 等技 术 实现 复杂 数 据在 空 间上 、视 觉 上 的直 观展 示 。

　　1．2系统功能设计

　　从 展 示 内容 上 ，实 现 如 下 功 能 ：(1)根据 高精 度 数 字 高程 模 型 (DEM )和遥 感数 据 ，结合 水域 内重要 水 文和 水 利设 施 三维 建模 ，快 速生 成三 维 流域 景观 图 ；(2)根 据 相 关 水 文数 据 ，能 够在 三 维 流 域 景 观 图上 叠 加 水 体 ，提 供 流域 中洪 水运 动 的动 态 三维 模 拟仿 真 ，演 示水 位 上涨 过 程 及仿 真 淹 没 的 区域 ；(3)提 供 水 利 工程 调 度 所 产 生 的 洪水 效果 以及 可能 漫堤 所 影响 的 区域立 体 影像 ； (4)提 供 流域 及 洪 水 演 进 在 空 间 不 同 角 度 和 不 同方 位 上的立体仿 真，能够 自由旋转 ，让用户从各个角度观 察 洪 水 行 为及 可 能 淹 没 的 区域 ；(5)显示 实 时 和 未 来 可 能 达 到 的洪 水状 态 。系 统功 能设 计 如 图 1所示 。

　　2 系统开发 的主要技 术

　　2-1全分布式流域水文模型

　　本 文 采 用 TOPKAPI作 为 流 域 预 报 的 计 算 模 型 。 TOPKAPI是 由 Todini于 1955年提 出的 物理 降 雨径 流 模 型 ，可适 用于 不 同的空 间尺度 ，范 围从 山坡到集 水 区 域 ，模 型 的 参 数 是 反 映 下 垫 面 特 征 的 物 理 值 。模 型建 立 在运动学方法和流域地形学方法结合的理论基础上 。流 域地形学用 DEM 来描述 ，DEM用正方形小方格将应用 领域再划分 ，径流路线和坡度从 DEM开始 ，然后 以能量 损失最小原则 即最大高程差根据相关领域估计。采用 非 线性运 动波融合形成 3个“结构相似 ”的零维非线性水 库 方 程 式 ，第 1个 代 表 土 壤 排 水 ，第 2个 代 表 在 饱 和 土 权 限 管 理 壤和 不透水 土壤 中的地表径流 ，第 3个 代表河道径流 。 模型 的参数如坡度 、土壤渗透率 、地形和地表糙率依赖 尺 度 可 从 数 字 高 程 地 图 、地 质 图和 植 被 、土 壤 利 用 率地 图 中获 得 。基 本 方 程 式 的融 合 在 DEM 的 每 个 单 独 单 元 格 中实 现 。

　　2．2水力学河道洪水演算方法

　　河道洪水演算方法采用一维水动力学模型 。描述河 道 水 流运 动 的一 维 圣 维 南方 程组 为 ： I启 +出：q I+击( 甏+gA． ． (1) 式 中 ：g为 旁侧 人 流 流 速 ；Q 、A 、 、z 分 别 为 河道 断 面 流 量 、过 水 面积 、河 宽 和 水 位 ； 为 旁侧 人 流流 速 在 水流方向上的分量 ，一般可以近似为零 ；K为流量模数 ， 反 映 河 道 的 实 际 过 流 能力 ； 为 动量 校 正 系数 ，是反 映 河 道 断面 流 速分 布 均 匀性 的 系数 ；g为 重 力加 速 度 。

　　3 系 统 应 用 实 例 3-1研 究 区域 概况

　　钱 塘 江 为 浙 江省 第 一 大 河 ，跨浙 、皖 、闽 、赣 4省 ，流 域地 势西南高 、东北低。钱塘江有南源 (兰江 )、北源(新 安 江 )两 源 ，均 发 源 于 安 徽 省 休 宁县 ，南 北 两 源 至 建 德 梅 城汇合 ，建德梅城 以下至萧 山闻堰 (东江咀 )河段 称 富春江 ，萧山闻堰 (东江咀 )以下至入海 口(宁波镇海区 外游山与上海 市南汇芦潮 港 连线 )为钱塘 江 。兰江 流 域 面积 19468km ，河 长 302．5km；新安 江 流域 面 积 11674km ，河长 358．5km。本文研 究的 区域在 钱塘 江 南 源 兰江 兰溪 以上 河段 ，研 究 区域 水 系示 意 图见 图 3。

　　3．2钱塘江洪水演进三维仿真系统

　　系统集成 了TOPKAP1分布式水文模型和一 维水动 26 中国防汛抗旱 第24卷 第3期 2014年 6月 力学河道洪水演算方法 的主要成果 ：通过TOPKAPI模 型进 行 流 域产 汇 流 计算 ，结 合 气象 预 报接 口延 长预 报 预 见期 ，采用一维水动力学模型进行河道 洪水演算 ，充分 考 虑 沿 程 河 段 水 利 工程 及 上 游 大 型 水 库 输 出 流 量 的 影 响 ，模 拟 和 预 报 主 要 支 流控 制 断 面 的 流 量 和水 位 数 据 ， 计 算研 究 区域 沿 程 未来 可 能 发生 的水 位 过程 ，并实 时提 取流 域 内遥测水雨情信 息 ，做 到多类型数据 的融合 发 布 。通过高分 辨率 的 DEM地 图和遥感图片 自动生成流 域 三 维地 图 ，综合 运 用 多种 三 维建 模 技术 建 立各 种 水 文 设 施 和水 利 工程 的三维 立 体 图 ，通 过 河道 边 界 搜索 和 种 子 填 充 方 法 仿 真洪 水 的淹 没 范 围 ，以此 建 立 可 以平 移 、 旋转 、漫游等多种方式多种角度查看的三维流域场景 ， 并在三维的基础上进行平面二维化 ，采用颜色渲染和面 积扩散的方式展示全流域洪水的运动过程 ，在各个输出 节点上综合采用图、表和三维动 画综合对 比，做到有整 体 、有 局 部 、有 画面 、有 数 据 。最 后 用 历 史数 据 对 系 统 的 功 能 和 效 用 进 行 了验 证 ，采 用 2011年 6月 发生 的 55年 钱 塘 江 最 大 的 梅 雨 洪水 进 行 测 试 ，测 试 结 果 表 明 ，模 型 预 报 的精 度 较 高 ，过 程 水 位 拟合 较好 ，水 位 和 堤 防之 间 的关 系和 实 际 发生 的情 况基 本接 近 ，三 维场 景 中洪水 的 运 动 过程 基 本 上 和实 际情 况 吻 合 ，总 体 淹 没范 围 和历 史 实际情况相符度较高 ；在 2012年春汛 和梅 雨季节的两 次超警洪水 中计算结果也具有较高的精度 。由此可见 ， 文 中所 采用 的模 型及 理 论方 法 ，以及 技 术 实现 手 段是 科 学 的 、可 靠 的 。系 统 的部 分 截 图如 图 4所示 。

　　4 结 论

　　本文综合运用水文学模型、水力学模 型、Rs技术 、 GIS技术 及三维可视化技术 ，以水 文学 、水力学 的预报 数据为基 础，通过三维可视化技术生成三维流域场景 ， 根据 不 同时 刻水 位 的蔓 延情 况 、流 量情 况等 综合 信 息 的 集成来演示洪水演进行为在 时空层面的变化和水体形态的变化,表达洪水在不同时刻淹没范围,使用户可以在虚拟的三维世界中对洪水演进的现象和规律进行模拟、观察和分析,并且可以改变相关的参数来模拟不同人为干预条件下洪水演进的效果,从而实现对洪水演进过程的科学引导和控制。

　　作者王 浩 俞科慧

《基于洪水模拟和预报的三维仿真系统设计》

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